DE3215589C2 - - Google Patents

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DE3215589C2 DE19823215589 DE3215589A DE3215589C2 DE 3215589 C2 DE3215589 C2 DE 3215589C2 DE 19823215589 DE19823215589 DE 19823215589 DE 3215589 A DE3215589 A DE 3215589A DE 3215589 C2 DE3215589 C2 DE 3215589C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanord­ nung ist aus der DE-OS 21 28 454 bekannt.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1. Such a circuit arrangement voltage is known from DE-OS 21 28 454.

Beim Betrieb von Leistungshalbleitern als elektronische Schalter in Stromrichterschaltungen müssen bekanntlich außer den Größen Durchlaßstrom und Sperrspannung auch deren Änderungsgeschwindig­ keiten beim Einschalt- bzw. Abschaltvorgang unterhalb gewisser Grenzwerte gehalten werden, um Fehlfunktionen oder Zerstörung zu vermeiden. Die für diese Aufgabe benötigten Beschaltungen aus Blindelementen, Dioden, linearen und nicht linearen Widerständen haben bei zweckmäßiger Ausgestaltung die günstige Wirkung, auch die Spitzenverlustleistung, die während der Schaltvorgänge in den steuerbaren Halbleiterschaltern auftritt, zu reduzieren. Dieser Entlastungseffekt ist insbesondere wegen der hieraus resultierenden Verminderung der mittleren Verlustleistung, die bei periodischem Schaltbetrieb zur Erwärmung des Halbleiter­ systems führt, sehr erwünscht.When operating power semiconductors as electronic switches in converter circuits, as is well known, must be in addition to the sizes Forward current and reverse voltage also change rapidly speed when switching on or off below certain levels Limits are kept to prevent malfunction or destruction avoid. The circuits required for this task Dummy elements, diodes, linear and non-linear resistors have the beneficial effect, if properly designed the peak power dissipation that occurs during the switching operations the controllable semiconductor switches occurs to reduce. This relief effect is particularly due to this resulting reduction in the average power loss that with periodic switching operation to heat the semiconductor systems leads, very welcome.

Bei konventionellen Beschaltungsnetzwerken müssen jedoch die in den Blindelementen gespeicherten Energien in linearen oder nicht linearen Widerständen in Wärme umgesetzt werden, so daß die Ver­ luste letztlich nur verlagert werden (DE-OS 21 28 454).With conventional wiring networks, however, the in energies stored in the blind elements in linear or not linear resistors are implemented in heat, so that the Ver ultimately only relocate (DE-OS 21 28 454).

In den DE-OS 26 39 589 und 26 41 183 sind hingegen Lösungen für Abschaltentlastungsnetzwerke angegeben, die ohne prinzipbe­ dingte Verluste arbeiten. In der DE-OS 26 44 715 werden außerdem Netzwerke zur Einschaltentlastung und Kombinationen dieser mit Abschaltentlastungsnetzwerken angegeben. Die dargestellten Ein­ schaltentlastungen arbeiten jedoch mit Umsetzung der gespeicher­ ten Energien in thermische Verluste. Ebenso gelingt es mit den kombinierten Ein- und Abschaltentlastungsnetzwerken nicht, prin­ zipbedingte Verluste zu vermeiden. Auch ist der Schaltungsaufwand hoch. In DE-OS 26 39 589 and 26 41 183, however, are solutions specified for shutdown relief networks that do not use principle contingent losses work. In DE-OS 26 44 715 are also Networks for power off and combinations of these with Shutdown relief networks specified. The illustrated one Switch reliefs work with implementation of the stored energies into thermal losses. It also works with the combined switch-on and switch-off relief networks not, prin Avoid zip-related losses. Also the circuitry is necessary high.  

Weitere elektronische Schaltungen zur Rückspeisung der gespei­ cherten Energien vorzusehen, z. B. in Form von Gleichstromstellern (DE-OS 26 44 715, Anspruch 9), erfordert erheblichen zusätzlichen Aufwand und stellt zudem nur eine Verschiebung der Probleme dar.Further electronic circuits for feeding back the fed provide energies, e.g. B. in the form of DC choppers (DE-OS 26 44 715, claim 9), requires considerable additional Effort and also represents only a postponement of the problems.

Zusätzliche Nachteile der in den eingangs erwähnten DE-OS 26 39 589; 26 41 183 und 26 44 715 angegebenen Beschaltungsnetz­ werke treten auf, wenn zwei elektronische Zweigpaare in Form einer Antiparallelschaltung zusammengefügt werden. Entsprechende Schaltungen werden z. B. für das elektronische Nutzbremsen von Gleichstrommotoren sowie in selbstgeführten Wechselrichtern be­ nötigt. Die zusätzlich zur lastseitigen Entkopplung der beiden Zweigpaare erforderlichen Bauelemente (Dioden und Drosseln) müs­ sen den vollen Laststrom führen und verursachen dadurch erheb­ liche Verluste.Additional disadvantages of the DE-OS mentioned in the introduction 26 39 589; 26 41 183 and 26 44 715 specified wiring network works occur when two electronic pairs of branches in shape an anti-parallel connection can be put together. Appropriate Circuits are e.g. B. for electronic regenerative braking from DC motors as well as in self-commutated inverters compelled. In addition to the decoupling of the two on the load side Required pairs of components (diodes and chokes) lead the full load current and thereby cause considerable losses.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Schaltungsanordnung derart zu gestalten, daßThe present invention is therefore based on the object to design the circuit arrangement specified at the outset in such a way that

  • - sie eine Kombination eines Ein- und Abschaltentlastungsnetz­ werks aufweist, ohne daß prinzipbedingte Verluste auftreten,- They are a combination of a switch-on and switch-off relief network works, without principle-related losses,
  • - ein möglichst geringer Aufwand an Bauelementen, insbesondere auch eine Rückspeisung der gespeicherten Energien ohne Verwen­ dung zusätzlicher steuerbarer elektronischer Schalter erreicht wird und- The least possible expenditure on components, in particular also a recovery of the stored energy without use additional controllable electronic switches will and
  • - Zusatzverluste infolge laststromführender Entkopplungsdioden und -drosseln vermieden werden.- Additional losses due to decoupling diodes carrying load current and chokes can be avoided.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the one in claim 1 marked features solved.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigtThe invention will be illustrated below with reference to in the drawing presented embodiments are explained. It shows

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung, Fig. 1 arrangement, a schematic diagram of a circuit according to the invention,

Fig. 2 ein ebensolches, erweitert um eine Diode D o , die ein Umpolen des Speicherkondensators (C Sp ) verhindert und Fig. 2 is the same, extended by a diode D o , which prevents the polarity of the storage capacitor (C Sp ) and

Fig. 3 eine Schaltungsvariante, welche die Beschaltungsenergie zum Teil in einem beliebigen Gleichstromverbraucher GV umsetzt und zum Teil zurückspeist. Fig. 3 shows a circuit variant, which partly converts the wiring energy in any DC consumer GV and partly feeds back.

In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle gezeigt, zwischen deren positiven und negativen Pol eine Gleichspannung U D besteht. Zwischen den Polen liegt die Antiparallelschaltung zweier elek­ tronischer Zweigpaare, die aus zwei steuerbaren elektronischen Schaltern Th 1 und Th 2 und zwei Freilaufdioden D f 1 und D f 2 gebil­ det wird.In Fig. 1, a DC voltage source is shown, a DC voltage U D exists between the positive and negative poles. Between the poles is the anti-parallel connection of two electronic branch pairs, which is formed from two controllable electronic switches Th 1 and Th 2 and two free-wheeling diodes D f 1 and D f 2 .

Den steuerbaren elektronischen Schaltern Th 1 und Th 2 sind die Freilaufdioden D f 2 bzw. D f 1 direkt antiparallel geschaltet. Dies bietet den Vorteil einer gemeinsamen Kühlungs- und Montagemöglich­ keit sowie weiterer Vereinfachungen, falls für Th 1 und Th 2 rück­ wärtsleitende Leistungshalbleiter verfügbar sind. Die Abschalt­ entlastungsdioden D a 1 bzw. D a 2 führen bei Abschaltvorgängen der steuerbaren elektronischen Schalter Th 1 bzw. Th 2 kurzzeitig den Laststrom in den Abschaltentlastungskondensator C a . Das Umladen dieses Kondensators C a erfolgt jeweils nach dem Einschalten eines der steuerbaren elektronischen Schalter Th 1 oder Th 2, wobei die ohnehin benötigte Einschaltentlastungsdrossel L e als Umschwingdrossel L e wirkt. Die Einschaltentlastungsdrossel be­ grenzt außerdem die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes durch die steuerbaren elektronischen Schalter Th 1 bzw. Th 2 bei deren Einschaltvorgängen. Beim Abkommutieren des Laststromes aus den Freilaufdioden D f 1 bzw. D f 2 wird über D a 1 bzw. D a 2 und C Sp der Abschaltentlastungskondensator C a als TSE-Beschaltung wirksam. Dies ergibt eine Bedämpfung des Trägerspeichereffekts der Frei­ laufdioden ohne zusätzliche Bauelemente.The controllable electronic switches Th 1 and Th 2 , the freewheeling diodes D f 2 and D f 1 are connected directly antiparallel. This offers the advantage of a common cooling and assembly possibility as well as further simplifications if reverse conducting power semiconductors are available for Th 1 and Th 2 . The shut relief diode D a D 1 and A 2 result in shutdown operations of the controllable electronic switch Th 1 and Th 2 for a short time the load current in the switching-off C a. The transhipment of this capacitor C a is in each case after switching on of one of the controllable electronic switch Th 1 or Th 2, wherein the required anyway switching-L e acts as Umschwingdrossel L e. The switch-on relief choke also limits the rate of rise of the current through the controllable electronic switches Th 1 and Th 2 when they are switched on. When the load current from the freewheeling diodes D f 1 or D f 2 is commutated, the cut-off relief capacitor C a becomes effective as a TSE circuit via D a 1 or D a 2 and C Sp . This results in a damping of the carrier storage effect of the free-wheeling diodes without additional components.

Der als dritter Energiespeicher vorgesehene, nur unipolar be­ triebene Speicherkondensator C Sp speichert die Energie der bei­ den grundsätzlich notwendigen Blindelemente L e und C a zeitweise zwischen. Seine Kapazität C Sp wird vorteilhafterweise groß gegen­ über dem Abschaltentlastungskondensator C a bemessen. Dadurch wird erreicht, daß die über die Gleichspannung U d hinausgehende Spannungsbeanspruchung der steuerbaren elektronischen Schalter Th 1 und Th 2 und der Freilaufdioden D f 1 und D f 2 gering bleibt. Ebenso bleibt die Spannung am Speicherkondensator C Sp selbst dadurch gering. Ein weiterer Vorteil dieser Bemessung ist, daß die Anstiegsgeschwindigkeiten der Blockierspannungen an den steuerbaren elektronischen Schaltern Th 1 und Th 2 bei deren Ab­ schaltvorgängen einander näherungsweise gleich sind. Die prin­ zipiell vorhandene Unsymmetrie - beim Abschaltvorgang von Th 1 ist die Kapazität C a wirksam; beim Abschaltvorgang von Th 2 ist die Kapazität C a in Reihe mit dem Speicherkondensator C Sp wirk­ sam - wird dadurch bedeutungslos. Varianten der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung mit zwei Speicherkondensatoren und voll­ kommener spiegelsymmetrischer Schaltung sind grundsätzlich mög­ lich. Sie ergeben jedoch keine grundlegenden Vorteile und führen zu einer erhöhten Zahl von Bauelementen.The storage capacitor C Sp, which is provided as the third energy store and is only operated unipolarly, temporarily stores the energy of the blind elements L e and C a which are fundamentally necessary. Its capacitance C Sp is advantageously large compared to the cut-off capacitor C a . It is thereby achieved that the voltage stress on the controllable electronic switches Th 1 and Th 2 and the freewheeling diodes D f 1 and D f 2 going beyond the direct voltage U d remains low. Likewise, the voltage across the storage capacitor C Sp itself remains low. Another advantage of this dimensioning is that the rates of rise of the blocking voltages on the controllable electronic switches Th 1 and Th 2 are approximately the same in their switching operations. The basic asymmetry - when switching off Th 1 , the capacitance C a is effective; when Th 2 is switched off, the capacitance C a in series with the storage capacitor C Sp is effective - this makes it meaningless. Variants of the circuit arrangement according to the invention with two storage capacitors and a perfectly mirror-symmetrical circuit are fundamentally possible. However, they have no fundamental advantages and lead to an increased number of components.

Vom Verbindungspunkt der zweiten Abschaltentlastungsdiode D a 2 mit dem Speicherkondensator C Sp führt die Serienschaltung einer Rückspeisedrossel L r und einer Rückspeisediode D r zum positiven Pol der Gleichspannung U d , wobei die Anschlußrichtung der Rück­ speisediode D r so gewählt ist, daß die Beschaltungsenergie in die Gleichspannung U d rückgeliefert wird.From the connection point of the second switch-off relief diode D a 2 with the storage capacitor C Sp , the series connection of a regenerative choke L r and a regenerative diode D r leads to the positive pole of the direct voltage U d , the connection direction of the regenerative diode D r being selected such that the wiring energy into the DC voltage U d is returned.

Vorteilhafterweise wird die Induktivität der Rückspeisedrossel L r groß gegen die Induktivität der Einschaltentlastungsdrossel L e bemessen. Dadurch wird der Strom in der Rückspeisedrossel L r klein gegen den maximalen Laststrom, und es wird bedeutungslos, daß dieser Strom in manchen Betriebszuständen über den leitenden Schalter Th 2 fließt. Bleibt der Schalter Th 2 lange Zeit leitend, kann ein Umpolen des Speicherkondensators C Sp auftreten, welches mit unnötigen Umschwingvorgängen über die Einschaltentlastungs­ drossel L e einhergeht. Falls dies stört, läßt es sich durch eine Nulldiode D o parallel zum Speicherkondensator C Sp verhindern, wie Fig. 2 zeigt.The inductance of the regenerative choke L r is advantageously dimensioned large against the inductance of the switch-on relief choke L e . As a result, the current in the regenerative choke L r becomes small compared to the maximum load current, and it becomes irrelevant that this current flows through the conductive switch Th 2 in some operating states. If the switch Th 2 remains conductive for a long time, a reversal of the polarity of the storage capacitor C Sp can occur, which is accompanied by unnecessary reversing processes via the switch-on relief choke L e . If this disturbs, it can be prevented by a zero diode D o in parallel to the storage capacitor C Sp , as shown in FIG. 2.

Fig. 5 zeigt die Möglichkeit, einen Teil der Beschaltungsenergie in einem beliebigen Gleichstromverbraucher GV unzusetzen und einen Teil in die Gleichspannungsquelle U d zurückzuspeisen. Der Gleichstromverbraucher GV kann z. B. ein Steuerimpulsverstärker für den elektrischen Schalter Th 2 sein, dessen Energieversor­ gung teilweise oder vollständig vom Speicherkondensator C Sp übernommen wird. Des weiteren kann der Gleichstromverbraucher GV z. B. durch einen Lüfter, der zur Zwangsbelüftung des Strom­ richters dient, gebildet werden. FIG. 5 shows the possibility of using part of the wiring energy in any DC consumer GV and feeding part of it back into the DC voltage source U d . The DC consumer GV z. B. a control pulse amplifier for the electrical switch Th 2 , the energy supply is partially or completely taken over by the storage capacitor C Sp . Furthermore, the DC consumer GV z. B. by a fan, which is used for forced ventilation of the power converter.

Der Anschluß für den Laststrom kann bei den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen wahlweise - wie in den Zeichnungen ange­ geben - an den mit A, B oder C bezeichneten Punkten erfolgen. Bei Anschluß an Punkt B ist es für die grundsätzliche Funktions­ weise unerheblich, ob und in welchem Maße die beiden Hälften der Einschaltentlastungsdrossel L e magnetisch verkoppelt sind. Diese Wahlmöglichkeiten hinsichtlich des Anschlusses für den Laststrom bestehen, weil im allgemeinen in Reihe mit der Last eine nennens­ werte Induktivität vorhanden ist. Falls dies nicht zuträfe, wären die Freilaufdioden überflüssig, und der Einsatz von Zweigpaaren zum Schalten wäre nicht sinnvoll.The connection for the load current can optionally be made in the circuit arrangements according to the invention — as indicated in the drawings — at the points labeled A, B or C. When connecting to point B , it is irrelevant for the basic function, whether and to what extent the two halves of the switch-on choke L e are magnetically coupled. These options regarding the connection for the load current exist because there is generally an appreciable inductance in series with the load. If this were not the case, the freewheeling diodes would be superfluous and the use of branch pairs for switching would not make sense.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Entlastung einer Antiparallelschal­ tung elektronischer Zweigpaare von der Verlustenergie beim Ein- und Abschaltvorgang, die aus zwei steuerbaren elektronischen Schaltern (Th 1, Th 2) gebildet sind, denen jeweils direkt anti­ parallel eine Diode (D f 1, D f 2) geschaltet sind, wobei die Katho­ de des ersten steuerbaren elektronischen Schalters (Th 1) mit dem negativen Pol und die Anode des zweiten steuerbaren elektroni­ schen Schalters (Th 2) mit dem positiven Pol einer Gleichspan­ nungsquelle (U d ) verbunden sind und die verbleibenden zwei Elek­ troden der steuerbaren elektronischen Schalter (Th 1, Th 2) über eine Einschaltentlastungsdrossel (L e ) miteinander verbunden sind und wobei die Anode des ersten steuerbaren elektronischen Schal­ ters (Th 1) mit einer Anode einer ersten Abschaltentlastungsdiode (D a 1) verknüpft ist, deren Kathode mittels eines Abschaltentla­ stungskondensators (C a ) mit dem negativen Pol der Gleichspannungs­ quelle (U d ) verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathode der ersten Abschaltentla­ stungsdiode (D a 1) mit einer Anode einer zweiten Abschaltentla­ stungsdiode (D a 2) verknüpft ist, die über einen Speicherkonden­ sator (C Sp ) mit der Kathode des zweiten steuerbaren elektroni­ schen Schalters (Th 2) verknüpft ist, und daß ein Verbindungs­ punkt der zweiten Abschaltentlastungsdiode (D a 2) mit dem Spei­ cherkondensator (C Sp ) über eine Serienschaltung einer Rück­ speisedrossel (L r ) und einer Rückspeisediode (D r ) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (U d ) verbunden ist, wobei die Anschlußrichtung der Rückspeisediode (D r ) so gewählt ist, daß die Beschaltungsenergie in die Gleichspannungsquelle (U d ) rückgeliefert wird.1. Circuit arrangement for relieving an anti-parallel circuit electronic branch pairs from the energy loss during the switching on and switching off process, which are formed from two controllable electronic switches (Th 1 , Th 2 ), each of which directly anti parallel a diode (D f 1 , D f 2 ) are connected, the catho de of the first controllable electronic switch (Th 1 ) with the negative pole and the anode of the second controllable electronic switch (Th 2 ) with the positive pole of a DC voltage source (U d ) and the remaining ones two electrodes of the controllable electronic switches (Th 1 , Th 2 ) are connected to one another via a switch-on relief choke (L e ) and the anode of the first controllable electronic switch ( Th 1 ) is linked to an anode of a first switch-off relief diode (D a 1 ) is, the cathode verb by means of a shutdown capacitor (C a ) with the negative pole of the DC voltage source (U d ) unden, characterized in that the cathode of the first cut-off diode (D a 1 ) is linked to an anode of a second cut-off diode (D a 2 ) which is connected via a storage capacitor (C Sp ) to the cathode of the second controllable electronics rule switch (Th 2 ) is linked, and that a connection point of the second shutdown relief diode (D a 2 ) with the storage capacitor (C Sp ) via a series circuit of a feedback choke (L r ) and a feedback diode (D r ) with the positive Pole of the DC voltage source (U d ) is connected, wherein the connection direction of the feedback diode (D r ) is selected so that the wiring energy is returned to the DC voltage source (U d ). 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Speicher­ kondensators (C Sp ) groß gegenüber der Kapazität des Abschaltent­ lastungskondensators (C a ) und die Induktivität der Rückspeise­ drossel (L r ) groß gegen die Induktivität der Einschaltentla­ stungsdrossel (L e ) bemessen ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the capacitance of the storage capacitor (C Sp ) large compared to the capacitance of the Abschaltent load capacitor (C a ) and the inductance of the regenerative choke (L r ) large against the inductance of the Einschaltentla stungsdrossel (L e ) is dimensioned. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein beliebiger Gleichstrom­ verbraucher (GV) parallel zum Speicherkondensator (C Sp ) ange­ schlossen ist und diesem Energie entzieht.3. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that any direct current consumer (GV) is connected in parallel to the storage capacitor (C Sp ) and deprives this energy. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nulldiode (D o ) derart parallel zum Speicherkondensator (C Sp ) geschaltet ist, daß deren Kathode mit der Anode der Rückspeisediode (D r ) und deren Anode mit der Anode der Diode (D f 2) verknüpft sind.4. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a zero diode (D o) is such connected in parallel with the storage capacitor (C p) that its cathode connected to the anode of the feedback diode (D r) and its anode connected to the anode of the diode (D f 2 ) are linked.
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