DE3429488A1

DE3429488A1 - Elektronische schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE3429488A1
Application number: DE19843429488
Authority: DE
Inventors: Ivan Bjerringbro Knudsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1984-08-10
Filing date: 1984-08-10
Publication date: 1986-02-20
Also published as: NL8502101A; DK310485A; DE3429488C2; GB2163022A; SE8503470D0; SE8503470L; FR2569066A1; GB8519840D0; JPS6149653A; US4633094A; DK310485D0

Description

DANFOSS A/S, DK-6430 NORDBORG Elektronische Schaltvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltvorrichtung mit wenigstens einem als Schaltelement betriebenen Halbleiter zum abwechselnden Ein- und Ausschalten eines aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten induktiven Verbrauchers und mit einer Umschalt-Entlastungsschaltung, die einen ersten Kondensator in Reihe mit einer ersten Diode, die parallel zur Schaltstrecke des Schaltelements liegt, so daß die Diode und das Schaltelement die gleiche Durchlaßrichtung haben, und einen Entladewiderstand für den Kondensator aufweist, und mit einer vorzugsweise parallel zum Verbraucher liegenden Freilaufdiode.

Bei einer bekannten Schaltvorrichtung dieser Art (DE-AS 26 32 381) ist das Schaltelement ein Transistor. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, entlädt sich der Kondensator über den Transistor und den mit dem Kondensator in Reihe geschalteten Entladewiderstand. Wenn der Transistor dann wieder ausgeschaltet wird, lädt sich der Kondensator auf die Spannung der Gleichspannungsquelle über die mit ihm ebenfalls in Reihe liegende erste Diode auf. Dadurch wird erreicht, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors nicht plötzlich bis auf die Betriebsgleichspannung des Verbrauchers

ansteigt, bevor der Kollektor-Emitter-Strom abgeklungen ist. Dies führt zu einer Verminderung der Verlustleistung des Transistors beim Ausschalten. Am Ende des Ausschaltvorgangs kann dennoch eine Überspannung am Transistor auftreten, wenn die Verbindungsleitungen zwischen Schaltvorrichtung und GIeichspannungsquelle und/oder die Gleichspannungsquelle selbst eine hohe Eigeninduktivität aufweisen. Eine derartige Überspannung ist unerwünscht, weil sie einen entsprechend höher belastbaren Transistor erfordert. Da diese Überspannung etwa proportional zur Quadratwurzel des Verhältnisses von Eigeninduktivität zu Kapazität der Umschaltentlastungschaltung ist, könnte zur Verringerung der Überspannung die Kapazität des Kondensators größer gewählt werden. Dies würde jedoch zur Speicherung einer entsprechend höheren Energie im Kondensator führen, die bei der Entladung des Kondensators über den Entladewiderstand eine entsprechend höhere Verlustleistung nicht nur im Entladewiderstand, sondern auch im Transistor, der den Entladestrom führt, zur Folge hätte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der das Schaltelement nicht überlastet und ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ; das Einsetzen des Entladestroms des ersten Kondensators so lange verzögert wird, bis der Einschaltvorgang des Schaltelements und die Kommutierung des Verbraucherstroms von der Freilaufdiode auf das Schaltelement weitgehend beendet sind.

Auf diese Weise werden die Einschaltverluste des Schalt- |35 elements vermindert und eine Überlastung vermieden.

Besonders einfach läßt sich dies dadurch erreichen, daß in Reihe mit der Freilaufdiode wenigstens eine Kommutierungsdrosselspule liegt und der Entladewiderstand einerseits zwischen der Kommutierungsdrosselspule und der Freilaufdiode und andererseits zwischen dem ersten Kondensator und der ersten Diode angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung bewirkt die Kommutierungsdrosselspule zum einen, daß, wenn beim Einschalten des Schaltelements noch ein Freilaufstrom über die zum Verbraueher parallele Freilaufdiode fließt, der durch das Schaltelement fließende Strom nicht während der Sperrverzögerungszeit der Freilaufdiode in Sperrichtung durch die Freilaufdiode fließen kann, was ohne die Kommutierungsdrosselspule zu einer erheblichen Überlastung des Schaltelements während der Sperrverzögerungszeit der Freilaufdiode führen könnte, und zum anderen, daß sich der Kondensator der Umschaltentlastungsschaltung erst dann entlädt, wenn die Freilaufdiode gesperrt, d.h. der über die Freilaufdiode fließende Freilaufstrom des Verbrauchers abgeklungen ist. Aufgrund der durch die Kommutierungsdrosselspule bewirkten Verzögerung des Abklingvorgangs des Freilaufstroms wird daher auch der Entladevorgang des Kondensators verzögert und demzufolge das Schaltelement nicht sofort beim Einschalten durch ^| den Entladestrom des Kondesators zusätzlich belastet.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß parallel zur Schalt-; strecke des Schaltelements eine weitere Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator und einer zweiten Diode liegt und der zweite Kondensator aus einer Ladespannungsquelle stets wenigstens bis zu einer vorbestimmten Spannung aufgeladen gehalten und nach dem Ausschalten des Schaltelements wieder bis auf diese Spannung entladen wird. Wenn hierbei aufgrund der Eigeninduktivitäten beim Ausschalten des Schaltelements eine die Ladespannung des zweiten Kondensators überschreitende Spannung , am Schaltelement auftritt, wird die zweite Diode lei- !

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tend, so daß der zweite Kondensator praktisch zu dem ersten Kondensator parallel geschaltet wird und sich die Gesamtkapazität der Umschaltentlastungsschaltung entsprechend erhöht. Dies ergibt eine entsprechend geringere Überspannung, da sich diese mit zunehmender Kapazität verringert. Wegen der demzufolge geringeren Ladespannung des ersten Kondensators ist auch die Verlustleistung des ersten Entladewiderstands geringer. Da ferner der zweite Kondensator nie völlig entladen wird, sondern die Spannung der Ladespannungsquelle beibehält, braucht am zweiten Kondensator nur die Überspannung abgebaut zu werden. Infolgedessen sind auch gegebenenfalls durch den zweiten Kondensator verursachte Entladeverluste verhältnismäßig gering. Ferner kann die Kapazität des ersten Kondensators auf einem verhältnismäßig niedrigen Wert gehalten werden und dennoch die schädliche Überspannung begrenzt werden, ohne daß das Schaltelement durch die Entladeströme überlastet wird.

Vorzugsweise ist die Spannung der Ladespannungsquelle gleich der Betriebsspannung des Verbrauchers. Insbesondere kann die Gleichspannungsquelle die Ladespannungsquelle des zweiten Kondensators bilden. Hierbei entfällt eine getrennte Ladespannungsquelle.

Sodann kann die Verbindung von zweitem Kondensator und zweiter Diode über einen zweiten Widerstand mit demjenigen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sein, 30 der dem Schaltelement nicht zunächst liegt. Hierbei liegt die Spannung der Gleichspannungsquelle ständig an der Reihenschaltung aus zweitem Kondensator und zweitem Widerstand, so daß der zweite Kondensator sich nicht unter die Spannung der Gleichspannungsquelle entladen kann.

Um zusätzliche Verluste durch einen zur Kommutierungsdrosselspule parallelen Freilaufkreis zu vermeiden, kann die in der Kommutierungsdrosselspule gespeicherte Energie über eine Diode zur Stromversorgung herangezogen werden. Hierbei kann die Gleichspannungsquelle über die dritte Diode mit einer Sekundärwicklung der Kommutierungsdrosselspule verbunden sein, so daß die Energie der Kommutierungsdrosselspule in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Speicherkondensator einer Stromversorgungseinrichtung über die dritte Diode mit der Katode der Freilaufdiode zu verbinden. Hierbei entfällt eine Sekundärwicklung der Kommutierungsdrosselspule.

Die in der Kommutierungsdrosselspule bei der Entladung des ersten Kondensators gespeicherte Energie wird daher zumindest teilweise nutzbar gemacht, so daß auch die von der Umschaltentlastungsschaltung bewirkten Verluste entsprechend verringert werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung mit einer als Zerhacker betriebenen erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel

einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Die Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1 enthält eine Gleichspannungsquelle 1 und eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 2, wobei ein induktiver Verbraucher 3 über die Schaltvorrichtung 2 intermittierend an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen wird. Zu diesem

Zweck wird die Schaltvorrichtung 2 durch Steuerimpulse einer Steuerstufe 4 periodisch ein- und ausgeschaltet.

Die Gleichspannungsquelle 1 enthält eine Batterie 5 oder dergleichen, z.B. einen aus dem Wechselstromnetz gespeicherten Gleichrichter, und einen Puffer- oder Glättungskondensator 6. Die Schaltvorrichtung 2 liegt zwischen dem Pluspol (+) der Gleichspannungsquelle 1 und dem Verbraucher 3 und enthält ein steuerbares Schaltelement 7 in Form eines Transistors (gegebenenfalls mehrerer Transistoren in Darlington-Schaltung oder eines Thyristors, z.B. eines Abschalt-Thyristors) und eine Umschaltentlastungsschaltung 8 mit einem Kondensator 9 und einer Diode 10, die in Reihe geschaltet sind und parallel zur Schaltstrecke des Schaltelements 6 (der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors) liegen. Ferner enthält die Umschaltentlastungsschaltung 8 eine Reihenschaltung aus einer Freilaufdiode 11 und einer Kommutierungsdrosselspule 12 parallel zum Verbraucher

3. Ein Entladewiderstand 13 für den Kondensator 9 ist einerseits zwischen Kondensator 9 und Diode 10 und andererseits zwischen Freilaufdiode 11 und Kommutierungsdrosselspule 12 angeschlossen. Außerdem liegt parallel zur Schaltstrecke die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators 14 und einer zweiten Diode 15, deren Verbindung über einen zweiten ohmschen Widerstand 16 mit dem dem Schaltelement 7 nicht zunächst liegenden Pol der Gleichspannungsquelle 1, hier dem Minuspol (-), verbunden ist. Sodann liegt parallel zur Kommutierungsdrosselspule 12 eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 17 und einer weiteren Freilaufdiode 18.

Der Verbraucher 3 enthält eine Spule 19, z.B. eines Elektromotors, in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 20, der auch die Verluste der Spule 19 darstellen kann. Zwischen dem Schaltelement 7 und dem Verbraucher 3 kann

ferner eine Glättungsdrosselspule 21 angeordnet sein.

Die Verbindungsleitungen zwischen der Gleichspannungsquelle 1 und der Schaltvorrichtung 2 haben eine Eigeninduktivität, die als Spule 22 dargestellt ist. Diese Spule 22 kann auch die Induktivitäten eventuell in der Gleichspannungsquelle 1 enthaltener Transformatorwicklungen und Drosselspulen sowie deren Streuinduktivitäten darstellen.
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Die Steuerstufe 4 wird ebenfalls aus der Gleichspannungsquelle 1 mit Betriebsstrom versorgt.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 näher erläutert.

Solange der Transistor 7 eingeschaltet ist, fließt ein Strom über seine Kollektor-Emitter-Strecke zum Verbraucher 3. Sobald der den Transistor 7 eingeschaltet haltende Steuerimpuls der Steuerstufe 4 verschwindet, nimmt der über die Kollektor-Emitter-Strecke fließende Strom etwa linear ab. Gleichzeitig beginnt die Spule 19 sich über die Freilaufdiode 11 und die Kommutierungsdrosselspule sowie über den Widerstand 17 und die Freilaufdiode 18 zu entladen. Der Kondensator 9 hatte sich während des eingeschalteten Zustands des Transistors 7 über diesen, die Kommutierungsdrosselspule 12 und den Widerstand 13 entladen und beginnt jetzt, sich über die Diode 10 und den Widerstand 13 auf die Betriebsspannung U aufzuladen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 7 nur allmählich ansteigt und eine Überlastung des Transistors 7 verhindert wird, solange der Kollektor-Emitter-Strom noch nicht abgeklungen ist. Der Kondensator 14 ist noch bis auf die Betriebsspannung U aufgeladen, da er ständig über den Widerstand 16 an der Gleichspannungsquelle 1 liegt, so daß er sich auch bei eingeschaltetem Tran-

sistor 7 nicht unter die Betriebsspannung U über den Transistor 7 entladen kann. Der Kondensator 14 erhöht die Gesamtkapazität der Umschaltentlastungsschaltung 8. Dies gewährleistet, daß auch die Spannung am Kondensator 9 und damit an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7 die Betriebsspannung U nicht nennenswert übersteigen kann. Denn ohne den Kondensator 14, die Diode 15 und den Widerstand 16 würde der die Induktivität 22 und den Kondensator 9 aufweisende Schwingkreis eine verhältnismäßig hohe Überspannung am Kondensator 9 entstehen lassen. Diese Überspannung könnte zwar durch Erhöhung der Kapazität des Kondensators 9 vermindert werden, jedoch würde dann bei jedem Ladevorgang eine entsprechend höhere Energie im Kondensator gespeichert und beim Entladen im Widerstand 13 nutzlos verbraucht. Der Kondensator 14 wird dagegen nur um den Betrag einer etwaigen Überspannung von der Betriebsspannung U aus nachgeladen und wieder bis zur Betriebsspannung U entladen, und es läßt sich zeigen, daß die dadurch im Widerstand 16 umgesetzte Verlustleistung geringer ist, als die im Widerstand 13 zusätzlich umgesetzte Verlustleistung, wenn die Bauelemente 14 bis 16 weggelassen und die Kapazität des Kondensators 9 um einen Betrag erhöht wird, bei dem die Überspannung den gleichen niedrigen Betrag aufweist, wie wenn die Bauelemente 14 bis 16 vorgesehen sind.

Nachdem der Kondensator 9 aufgeladen ist, wird der Transistor 7 durch den nächsten Steuerimpuls der Steuerstufe 4 wieder eingeschaltet. Wenn der Entladestrom des Verbrauchers 3 bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht abgeklungen ist, d.h. noch ein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode 11 fließt, könnte ohne die Kommutierungsdrosselspule 12 während der Sperrverzögerungszeit der Freilaufdiode 11 über diese ein verhältnismäßig hoher Sperrverzöge rungsst rom in Sperrichtung fließen, der zu einer zusätzlichen Belastung und gegebenenfalls Überlastung

des Transistors 7 führen würde. Die Kommutierungsdrosselspule 12 ist daher vorgesehen, um einen derartigen Sperrverzögerungsstrom zu drosseln und für eine entsprechend weiche Kommutierung des Verbraucherstroms von der Freilaufdiode 11 auf den Transistor 7 zu sorgen.

Ferner kann sich der Kondensator 9 erst dann entladen, wenn der zum Teil über die Kommutierungsdrosselspule 12 fließende Entladestrom des Verbrauchers 3 im wesentliehen oder vollständig abgeklungen ist, da der Entladestrom des Kondensators 9 bestrebt ist, über die Kommutierungsdrosselspule 12 entgegengesetzt zum Entladestrom des Verbrauchers 3 zu fließen.

Dies bedeutet, daß der Entladestrom des Kondensators 9 erst dann einsetzt, wenn der über die Freilaufdiode 11 fließende Entladestrom des Verbrauchers 3 weitgehend abgeklungen und der Transistor 7 vollständig leitend ist. Eine Überlastung des Transistors 7 während seines Übergangs vom gesperrten in den vollständig leitenden Zustand durch einen zusätzlichen Entladestrom des Kondensators 9 wird daher ebenfalls vermieden.

Sobald der Kondensator 9 über die Kommutierungsdrosselspule 12 entladen ist, wird die in der Kommutierungsdrosselspule 12 gespeicherte Energie im wesentlichen über die Freilaufdiode 18 und den Widerstand 17 abgebaut, da der Widerstandswert des Widerstands 13 wesentlich höher als der des Widerstands 17 ist. 30

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die Umschaltentlastungsschaltung 8¹ der Schaltvorrichtung 2' anstelle des Widerstands 17 eine mit der Kommutierungsdrosselspule 12 magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung 23 aufweist, die über die jetzt als Gleichrichter wirkende

Diode 18 mit der Gleichspannungsquelle 1 verbunden ist, so daß die Entladeenergie des Kondensators 9 zur Stromversorgung verwendet wird.

Es ist aber auch möglich, die Energie der Kommutierungsdrosselspule direkt über eine Diode in einen Speicherkondensator zu übertragen, dessen Ladung im wesentlichen allein zur Stromversorgung einer Schaltung, z.B. der Steuerstufe 4, verwendet wird. Hierbei braucht lediglich bei Betriebsbeginn durch eine entsprechende Anlaufschaltung für eine Anfangsladung des Speicherkondensators gesorgt zu werden. Danach erfolgt die Stromversorgung weiterhin durch die Entladeenergie der Kommutierungsdrosselspule.

Die Schaltvorrichtungen 2 und 2' können in mehrfacher Ausführung auch in einem Mehrphasen-Wechselrichter verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

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Elektronische Schaltvorrichtung mit wenigstens einem als Schaltelement betriebenen Halbleiter zum abwechselnden Ein- und Ausschalten eines aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten induktiven Verbrauchers
und mit einer Umschalt-Entlastungsschaltung, die
einen ersten Kondensator in Reihe mit einer ersten
Diode, die parallel zur Schaltstrecke des Schaltelements liegt, so daß die Diode und das Schaltelement
die gleiche Durchlaßrichtung haben, und einen Entladewiderstand für den Kondensator aufweist, und mit
einer vorzugsweise parallel zum Verbraucher liegenden Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsetzen des Entladestroms des ersten Kondensators
(9) so lange verzögert wird, bis der Einschaltvorgang des Schaltelements (7) und die Kommutierung des Verbraucherstroms von der Freilaufdiode (11) auf das
Schaltelement (7) weitgehend beendet sind.

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Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Freilaufdiode (11)
wenigstens eine Kommutierungsdrosselspule (12) liegt und der Entladewiderstand (13) einerseits zwischen
der Kommutierungsdrosselspule (12) und der Freilaufdiode (11) und andererseits zwischen dem ersten Kondensator (9) und der ersten Diode (10) angeschlossen ist.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Schaltstrecke des Schaltelements (7) eine weitere Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator (14) und einer zweiten Diode (15) liegt und der zweite Kondensator (14)

aus einer Ladespannungsquelle stets wenigstens bis zu einer vorbestimmten Spannung aufgeladen gehalten und nach dem Ausschalten des Schaltelements (7) wieder bis auf diese Spannung entladen wird. 10

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Ladespannungsquelle gleich der Betriebsspannung (U) des Verbrauchers (3) ist.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von zweitem Kondensator (14) und zweiter Diode (15) über einen zweiten Widerstand (16) mit demjenigen Pol (-) der Gleichspannungsquelle (1) verbunden ist, der dem Schaltelement (7) nicht zunächst liegt.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kommutierungsdrosselspule (12) gespeicherte Energie über eine dritte Diode (18) zur Stromversorgung herangezogen wird.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (1) über die dritte Diode (18) mit einer Sekundärwicklung (23) der Kommutierungsdrosselspule (12) verbunden ist.

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherkondensator einer Stromversorgungseinrichtung über die dritte Diode (18)

mit der Katode der Freilaufdiode (11) verbunden ist.