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Schaltunasanordnuna für Umrichter
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff
des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Gleichstromumrichter,
Schaltnetzteile und Wechselrichter. Wenn derartige Geräte sehr hohe Ausgangs leistungen
erbringen sollen, treten Probleme auf, die sich mit der herkömmlichen Schaltungstechnik
nicht befriedigend lösen lassen: Wenn ein Wechselrichter bei einer Eingangsspannung
von beispielsweise 40 V eine Ausgangsleistung von beispielsweise 6 kW erbringen
soll, müssen die im Lastkreis angeordneten Leistungshalbleiterschalter Ströme von
etwa 200 Ampere schalten. Aus bekannten Gründen (kleine Transformatoren) soll die
Schaltfrequenz etwa 20 kHz oder mehr betragen und die Schaltverluste sollen so gering
wie möglich sein. Andererseits soll die Ansteuerleistung der Hilfsquellen, z.B.
der externen Taktquelle zum periodischen Ein- und Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter
möglichst gering bleiben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, die diese zum Teil einander widersprechenden Forderungen in Einklang
bringt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein wichtiger Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
besteht darin, daß das Ubertragerelement zur Rückkopplung eines aus dem im Lastkreis
fließenden Strom abgeleiteten
Signals in den Steuerkreis des Leistungshalbleiterschalters
außerordentlich einfach ausgebildet werden kann.
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Da der im Steuerkreis des Leistungshalbleiterschalters liegende Rückkopplungspfad
durch die Verwendung eines Halbleiterschalters mit niederohmiger Schaltstrecke (Leistungs-MOS-Transistor)
sehr niederohmig ist, kann ein z.B. aus einem Ringkern bestehendes tibertragerelement
verwendet werden, dessen Sekundärwicklung aus wenigen Windungen besteht und dessen
Primärwicklung von einer durch den Kern hindurchlaufenden Zuleitung des Lastkreises
gebildet wird.
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Durch das schnelle Ein- und Ausschalten der im Lastkreis liegenden
Leistungshalbleiterschalter ergeben sich Stromänderungsgeschwindigkeiten von der
Größenordnung 1A/1ns.
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Herkömmliche Umrichter der gattungsgemäßen Art besitzen tibertragerelemente,
die im allgemeinen vier Wicklungen aufweisen: Eine im Lastkreis angeordnete Primärwicklung
für die Rückkopplung in den Steuerkreis des Leistungshalbleiterschalters, eine im
Steuerkreis des letzteren angeordnete entsprechende Sekundärwicklung, ferner eine
Wicklung zur Einkopplung des EIN-Signals der externen Taktquelle sowie eine Wicklung
zur Einkopplung des AUS-Signals für den Leistungshalbleiterschalter. Die Gegenspannung
für das schnelle "Ausräumen" der Steuerstrecke des Leistungshalbleiterschalters
zu Beginn der Ausschaltphase wird bei bekannten Schaltungen an einem von einem Richtleiter
überbrückten Kondensator im Steuerkreis des Leistungshalbleiterschalters erzeugt.
Da die wirksame Steuerspannung um den Wert dieser Ausräumspannung verringert wird,
ist ein Kompromiß zu schließen zwischen dem Steuerspannungs- bzw.
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Strombedarf für den Leistungshalbleiterschalter und der Größe der
Ausräumspannung. Ein solcher Kompromiß ist für Umrichter sehr hoher Leistung nicht
mehr tolerierbar. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung schafft hier Abhilfe.
Ein weiterer Nachteil der bei bekannten Schaltungsanordnungen verwendeten Ubertragerelemente
bzw. der dort verwendeten Rückkopplungsschaltungen besteht darin, daß
ein
vergleichsweise hoher Magnetisierungsstrom erforderlich ist, um ein hinreichend
großes Rückkopplungssignal zu gewinnen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rückkopplungskreises
und damit des erwähnten Übertragerelementes hat den Vorteil, daß bei den sehr hohen
Stromänderungsgeschwindigkeiten, die für Umrichter hoher Leistung erforderlich sind,
weder die durch das Übertragerelement verursachten Verluste im Lastkreis noch die
von den starken Stromänderungen verursachten Streuerscheinungen untolerierbar groß
werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich
verwiesen wird.
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Die durch sie erzielbaren Vorteile ergeben sich aus der weiter unten
gegebenen Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
der Erfindung.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt einen Gleichstromwandler mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine Reihe von Zeitdiagrammen zur Veranschaulichung von Strom- und
Spannungsverläufen an ausgewählten Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besitzt einen primären Lastkreis,
der über eine Drossel L1, die Primärwicklung eines Transformators U1, die Emitter-Kollektor-Strecken
E-C von sechs mit allen Elektroden parallelgeschalteten Leistungstransistoren T1
bis T6 und die Primärwicklung U2(I) eines Übertragerelementes U2 zur Rückkopplung
verläuft und der von einer mit UE bezeichneten Eingangsspannungsquelle gespeist
ist. Der primäre Lastkreis ist über einen Kondensator C1 sehr hoher Kapazität abgeblockt,
so daß die durch
schnelle Stromänderungen verursachten hochfrequenten
Stromanteile nicht auf die Eingangsspannungsquelle UE bzw. die Zuleitungen zurückwirken.
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Die Sekundärwicklung des Transformators U7 speist den Ausgangsstromkreis.
Die an ihr auftretende Spannung wird in Gleichrichtern G8 und G9 gleichgerichtet
und durch ein aus einer Drossel L2 und einem Kondensator C2 bestehendes Siebglied
geglättet. An den Ausgangsklemmen steht die gewünschte Ausgangsspannung UA zur Verfügung.
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Der primäre Lastkreis wird von den Leistungstransistoren T1 bis T6
periodisch ein- und ausgeschaltet, so daß die Eingangsspannung UE transformierbar
wird. Das Ein- und Ausschalten der Leistungstransistoren T1 bis T6 wird von einer
externen Taktquelle UTAKT gesteuert, deren Frequenz beispielsweise 20 KHz beträgt.
In dem Basis-Emitter-Steuerkreis der Leistungstransistoren T1 bis T6 sind niederohmige
Halbleiterschalter T7, T8 und T9 wirksam, deren Funktion im einzelnen weiter unten
erläutert wird. Diese Halbleiterschalter sind vorzugsweise Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren,
wie sie unter der Handelsbezeichnung SIPMOS allgemein bekannt sind. Zur Ansteuerung
der Feldeffekttransistoren T7 bis T9 aus der externen Taktquelle UTAKT dienen Pufferverstärker
J1 bzw. J2. Den Feldeffekttransistoren T7 und T8, deren zwischen gate- und source-Elektroden
G bzw. S liegende Steuerstrecken zueinander parallelgeschaltet sind und die mithin
im Gleichtakt ein-und ausgeschaltet werden, sind noch Vorstufentransistoren T11
und T12 vorgeschaltet.
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Zur raschen Umsteuerung der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6
in den leitenden Zustand dient ein Stromimpuls, der aus einer Hilfsspannungsquelle
UH bezogen wird. In dem entsprechenden Stromkreis liegen ein Kondensator C4 und
ein diesem parallelgeschalteter Widerstand RI. Ein der Hilfsspannungsquelle
UH
parallelgeschalteter Kondensator C5 dient zur Abblockung.
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Es ist ferner eine Gegenspannungsquelle UG vorgesehen,die während
der Ausschaltphasen der Taktquelle UTAKT mit den Basis-Emitter-Strecken der Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6 verbunden ist. Das Übertragerelement U2 besitzt ausser der bereits erwähnten
Primärwicklung (I), die vorzugsweise ausschließlich aus der durch den entsprechenden
Ubertragerring hindurchgeführten Zuleitung zu den Emittern der Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6 besteht, eine Sekundärwicklung (11) in welcher ein Rückkopplungsstrom
für die Leistungshalbleiterschalter induziert wird.
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Im folgenden sei die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung unter
Bezugnahme auf die in Fig. 2 gezeigten Zeitdiagrammen näher erläutert: Die externe
Taktquelle UTAKT liefert die in der ersten Zeile von Fig. 2 dargestellten Taktimpulse
-an die Pufferverstärker J1. Der Ausschaltphase entspricht eine positive Signalspannung
von beispielsweise +12 V, während die Einschaltphase durch Nullpoftential gekennzeichnet
ist. Zu Beginn einer Einschaltphase der Taktquelle gelangt der Transistor T11 durch
das an seine Basis angelegte Nullpotential in den leitenden Zustand. Sein Kollektorstrom
fließt über die gate-source-Strecken der Feldeffekttransistoren T7 und T8, so daß
deren drain-source-Strecken niederohmig leitend werden. Hiedurch gelangt ein Steuerstrom
aus der Hilfsspannungsquelle UH zu den Basis-Emitter-Strecken der Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6. Da sowohl die drain-source-Strecke des Feldeffekttransistors T7 als auch
die Basis-Emitter-Strecke der Leistungshalbleiterschalter als auch die Primärwicklung
(I) des Ubertragerelementes U2 vergleichsweise niederohmig sind, wird der in dem
betreffenden Stromkreis liegende Kondensator C4 sehr rasch aufgeladen,
was
einem kräftigen Stromimpuls entspricht. Dieser Stromimpuls ist aus dem in der zweiten
Zeile von Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf des Stromes iDS7 des Feldeffekttransistors
T7 erkennbar. Die vergleichsweise kurz dauernden Stromimpulse, deren Amplitude im
dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 12 A beträgt, bewirken eine rasche Umsteuerung
der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 in ihren leitenden Zustand. Wach dem Abklingen
des Stromimpulses, d.h. nach dem Aufladen des Kondensators C4, wird der Stromwert
iDS7 von dem Widerstand R1 bestimmt. Er beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel
etwa 0,5 A und dient dazu, die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter T1 bis
T6 während der gesamten Ansteuerzeit sicherzustellen, falls die Schaltung im Leerlauf
arbeitet.
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Der gleichzeitig mit dem Feldeffekttransistor T7 eingeschaltete Feldeffekttransistor
T8 schließt mit seiner drain-source-Strecke einen Rückkopplungskreis für die Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6. Dieser Rückkopplungskreis ist - wie erwähnt - von der Sekundärwicklung
(II) des Übertragerelementes U2 gespeist. Der betreffende Strom ist mit iDS8 bezeichnet
und in der dritten Zeile von Fig. 2 dargestellt. Er ist lastabhängig, was durch
die gestrichelten Linien in dem erwähnten Zeitdiagramm angedeutet wird.
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Die Basis-Emitter-Ströme iB sowie die Kollektorströme iC der Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6 sind in der fünften bzw. sechsten Zeile von Fig. 2 dargestellt. Sie sind
selbstverständlich ebenfalls lastabhängig, was durch die jeweiligen gestrichelten
Linien veranschaulicht werden soll.
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Zu Beginn der Ausschaltphase, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Spannung der Taktquelle UTAKT einen positiven Wert annimmt, wird der Transistor
T11 stromlos, während der
Transistor T12 in seinen leitenden Zustand
gelangt und mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke die Steuerstrecken G - S der Feldeffekttransistoren
T7 und T8 kurzschließt, so daß diese nichtleitend werden.
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Gleichzeitig wird der Feldeffekttransistor T9 durch die Taktquelle
UTAKT in seinen leitenden Zustand gesteuert, so daß die Gegenspannung UG an die
Basis-Emitter-Strecken der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 angelegt wird.
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Durch die Gegenspannung UG werden die Basis-Emitter-Strekken in Sperrichtung.
beaufschlagt, so daß die in ihnen gespeicherte elektrische Ladung rasch abgeführt
wird. Der mit aids9 bezeichnete Strom des Feldeffekttransistors T9 ist in der vierten
Zeile von Fig. 2 dargestellt.
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Durch das Stromloswerden des Feldeffekttransistors T8 zu Beginn der
Ausschaltphase der Taktquelle UTAKT würde der in der Sekundärwicklung (II) des Ubertragerelementes
U noch vorhandene Rückkopplungsstrom eine sehr hohe Selbstinduktionsspannung entwickeln,
welcher der Feldeffekttransistor T8 nicht schutzlos ausgeliefert sein darf. Die
parallel zu den Wicklungen des Ubertragerelementes U2 liegenden Gleichrichter G1
bis G4 sind für die der genannten Selbstinduktionsspannung entsprechende Stromrichtung
durchlässig und bilden daher für die betreffende Stromrichtung einen niederohmigen
Kurzschluß, durch den der Feldeffekttransistor T8 wirksam geschützt wird.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der zu Beginn der Ausschaltphase
der Taktquelle in seinen leitenden Zustand gelangende Transistor T12 mit seiner
Kollektor-Emitter-Strecke in gewissen Grenzen potentialunabhängig ist, so daß er
- unabhängig vom augenblicklichen Potential an der Basis der Leistungshalbleiterschalter
T1 bis T6 - ein sicheres Sperren der Feldeffekttransistoren T7 und T8 herbeiführt.
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