DE3501298A1 - Wechselrichterartig umschaltende energieversorgungsschaltung - Google Patents

Wechselrichterartig umschaltende energieversorgungsschaltung

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DE3501298A1 DE19853501298 DE3501298A DE3501298A1 DE 3501298 A1 DE3501298 A1 DE 3501298A1 DE 19853501298 DE19853501298 DE 19853501298 DE 3501298 A DE3501298 A DE 3501298A DE 3501298 A1 DE3501298 A1 DE 3501298A1
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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine wechselrichterartig schaltende Energieversorgungsschaltung, die dafür geeignet ist, daß ein Transformator, der an die Ausgangsseite eines Wechselrichters angeschlossen ist, klein und leicht gemacht werden kann.
Ein Beispiel der inverterartig umschaltenden Leistungsversorgungsschaltung ist in Figur 1 dargestellt. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Gleichspannungsversorgungsquelle, die Bezugszeichen 2 bis 5 bezeichnen Umschaltelemente; hier werden NPN-artige Transistoren verwendet, die durch Basisströme a, a1, b und b1, die in deren Basen fließen, eingeschaltet werden, 6 und 9 bezeichnen Dioden. In diesem Fall sind das Paar der Transistoren 2 und 3 wie auch das Paar der Transistoren 4 und 5 zwischen die Anschlüsse positiver und negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet, wobei die Transistoren eines jeden Paares in Reihe miteinander geschaltet sind und wobei die Richtung von jedem der Transistoren 2 bis 5 im Hinblick auf die Kollektor-Emitter-Position die gleiche Beziehung bezüglich der Polarität der Gleichspannungsquelle 1 hat. Die Dioden 6 bis 9 sind jeweils zu den Transistoren 2 bis 5 parallelgeschaltet, d.h. jede Diode ist zwischen Kollektor und Emitter des zugeordneten Transistors und in ihrer Polarität entgegengesetzt dazu geschaltet, so daß keine Rückwärtsvorspannung an die Transistoren angelegt wird. Die Transistoren 2 bis 5 und Dioden 6 bis 9 bilden einen Vollweg-Brücken-Inverter (Wechselrichter) INV1.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Transformator, dessen Primärwicklung mit den Ausgangsanschlüssen des vorerwähnten Inverters INV1 verbunden ist, d.h. zwischen den Verbindungspunkt der Transistoren 2 und 3 und den Verbindungspunkt der Transistoren 4 und 5 geschaltet ist. Mit 11 bis 14 sind Dioden bezeichnet, die die Aus-
gangsspannung des Transformators 10 gleichrichten, mit 15 ist ein Glätt-Kondensator zum Glätten des gleichgerichteten Ausgangssignals der Dioden 11 bis 14 bezeichnet, und mit 16 eine Last wie z.B. ein Widerstand u.a. Unter Bezugnahme auf die Figur 2 wird nun das Arbeiten der Schaltung der Figur 1 erläutert. Es wird angenommen, daß die Basisströme a, a1 der Transistoren 2, 5 und die Basisströme b, b1 der Transistoren 3, 4 abwechselnd wie in Figur 2 dargestellt fließen, und daß die Transistoren 2, 5 und die Transistoren 3, 4 abwechselnd eingeschaltet werden. Wenn die Transistoren 2, 5 eingeschaltet werden, so fließt ein Strom entlang dem Weg von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 1 ■*· Transistor 2 ■*■ Primärwicklung des Transformators 10 -*■ Transistor 5 ■+■ Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 1. Wenn die Transistoren 3,4 eingeschaltet sind, so fließt ein Strom in dem Weg von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 1 -*- Transistor 4 ■+ Primärwicklung des Transformators 10 -*■ Transistor 3 -*■ Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 1. Damit wird die über die Primärwicklung des Transformators 10 angelegte Spannung ν in eine Wechselspannung entsprechend der Figur 2 umgeformt. Diese Spannung ν wird zu einer vorgegebenen Spannung herauftransformiert, die von den Sekundärwicklungen des Transformators 10 an die Dioden 11 bis 14 angelegt und dadurch gleichgerichtet, durch den Kondensator 15 geglättet und der Last 16 zugeführt wird.
Zum Einstellen der Ausgangsspannung einer solchen inverterartig umschaltenden Leistungsversorgungsschaltung ist ein als Frequenzsteuerverfahren bezeichnetes Verfahren bekannt, bei dem die Einschaltzeit des Inverters INV1 konstant gehalten wird, während dessen Ausschaltzeit geändert wird. Der Name dieses Verfahrens rührt von dem Umstand her, daß gemäß diesem Verfahren die Frequenz des Auftretens des Einschaltzustandes sich ändert. Wenn
die Basisströme a, a1, b und b1 entsprechend der Figur 3 durch die Transistoren 2, 5 und die Transistoren 3/ 4 fließen, so nimmt die Ausgangsspannung ab und die der Last 16 je Zeiteinheit zugeführte Leistung wird kleiner als in dem in Figur 2 dargestellten Fall.
Die Magnetflußdichte B des Transformators 10 wird indessen durch
dargestellt, wobei V die angelegte Spannung, t die Dauer der angelegten Spannung, η die Anzahl der Wicklungen und S die Querschnittsfläche des Eisenkerns bezeichnen. Anhand der Gleichung kann man erkennen, daß B mit V und t anwächst unter der Bedingung, daß η und S konstant sind, und wenn B einen vorgegebenen Wert von B überschreitet, so wird der Magnetkern magnetisch gesättigt, und es fließt ein Über-Erregerstrom. Er zerstört manchmal die Transistoren 2 bis 5. Im Fall der vorerwähnten Frequenzsteuerung, bei der die Einschaltzeit des Inverters INV1 konstant gehalten wird, während seine Ausschaltzeit verändert wird, ist in Betracht gezogen worden, daß die in den Transformator 10 angelegte Spannung eine Wellenform wie z.B. die Wellenform ν besitzt, die in der Figur 3 mit der ausgezogenen Linie dargestellt ist, und daß dementsprechend das Produkt V-t konstant gehalten werden kann.
In Wirklichkeit jedoch hat die tatsächlich an den Transformator 10 angelegte Spannung den durch die gestrichelte Linie ν in Figur 3 dargestellten Verlauf. Dies ist auf den Einfluß der in der Streukapazität des Transformators 10 gespeicherten elektrischen Ladung zurückzuführen. Aufgrund dieser Spannung wird das Produkt
— Q —
aus der angelegten Spannung und der Zeit (V*t) größer als in dem Vergleichsfall, bei dem die Spannung an den Transformator 10 nur in der Einschaltperiode des Inverters INVl angelegt wird. Damit sättigt sich der Eisenkern magnetisch.
Damit der Eisenkern sich nicht sättigt/ selbst wenn die in der Figur 3 durch die gestrichelte Linie ν dargestellte Spannung an den Transformator 10 angelegt wird, ist es gemäß der Gleichung 1 wirkungsvoll, η oder S zu erhöhen. Eine Erhöhung von η oder S macht jedoch den Transformator 10 groß und schwer. In dieser Hinsicht sind Verbesserungen erwünscht.
Die Erfindung ist auf die Lösung der voranstehenden Probleme gerichtet. Es ist Ziel der Erfindung, eine inverterartig umschaltende Energieversorgungsschaltung anzugeben, bei der der Transformator klein und leicht gemacht werden kann, indem das Produkt aus angelegter Spannung und Zeit des Transformators konstant gehalten werden kann, selbst dann, wenn der Wechselrichter frequenzgesteuert ist.
Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen wechselrichterartig umschaltenden Energieversorgungsschaltung gelöst, die die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Merkmale aufweist.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt eine wechselrichterartig umschaltende Energieversorgung einen Wechselrichter (Inverter), der die Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung umformt, einen Transformator, an den der Wechselspannungsausgang des Inverters angelegt wird, einen Gleichrichter, der die Ausgangsspannung des Transformators gleichrichtet, einen Glätt-Kondensator, der das Ausgangssignal des Gleichrichters glättet und es einer Last zuführt.
und eine Transformator-Kurzschlußvorrichtung zum Kurzschließen der Primär- oder auch der Sekundärwicklungen des Transformators in der AUS-Periode des Wechselrichters. Die elektrische Ladung, die in der Streukapazität des Transformators geladen ist, wird während des Verlaufes der AUS-Zeit des Inverters entladen, so daß mit Ausnahme der Einschaltperiode des Wechselrichters keine Spannung an den Transformator angelegt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.
Figur 1 zeigt in einem Diagramm ein Beispiel einer wechselrichterartig umschaltenden Energieversorgungsschaltung;
Figuren 2+3 sind Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der voranstehenden Schaltung;
Figuren 4A + sind Schaltbilder zur Erläuterung der 4B Streukapazität des Transformators
in Figur 1;
Figur 5 ist ein Ersatzschaltbild für die in
Figur 1 dargestellte Schaltung;
Figur 6 zeigt in einem Diagramm ein Ausführungsbeispiel einer wechselrichterartig
umschaltenden Energieversorgungsschaltung gemäß dieser Erfindung; Figur 7 stellt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung der Figur 6 dar;
Figur 8 ist ein Diagramm, das ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Schaltung gemäß dieser Erfindung zeigt;
Figur 9 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung der Figur 8-
Vor der Erklärung besonderer Ausführungsbeispiele dieser Erfindung wird deren Prinzip erläutert. Bei einer inverterartig umschaltenden Energieversorgungsschaltung wird selbst dann, wenn die Frequenzsteuerung mit einer festen Einschaltperiode des Inverters durchgeführt wird, in der Ausschaltperiode des Inverters noch eine Spannung an den Transformator angelegt, und für den Transformator steigt das Produkt aus angelegter Spannung und Zeit an. Der Grund ist der folgende:
Allgemein sind die Windungen des Transformators selten in einer einzelnen Schicht aufgewickelt. Insbesondere dann, wenn das Transformatorverhältnis groß ist, wächst die Zahl der Spulenschichten an. Wie in Figur 4A dargestellt ist, gibt es zwischen den Schichten eine Streukapazität. Das Ersatzschaltbild der Streukapazitäten kann entsprechend der Figur 4B ausgedrückt werden. Das Ersatzschaltbild der Schaltung der Figur 1 ist in Figur 5 dargestellt. In der Figur 5 bezeichnet 21 ein Ersatzschaltbild einer Wechselstromquelle variabler Frequenz, die aus einer Gleichspannungsquelle und einem Wechselrichter besteht. Mit 22 ist ein Transformator bezeichnet, der durch sein Ersatzschaltbild dargestellt ist; 22a und 22b sind Leck-Induktanzen des Transformators 22, 22c die Erregungsinduktanz, 22d die Streukapazität. Mit 11 bis 16 sind die gleichen Elemente wie in der Figur 1 bezeichnet.
Wenn bei der Schaltung nach der Figur 5 an die Erregungsinduktanz 22c von der Wechselspannungsquelle 21 eine Spannung angelegt wird, die die in der Figur dargestellte Polarität hat, so werden die Streukapazität 22d und der Glättkondensator 14 mit den in der Figur dargestellten Polaritäten geladen. Selbst dann, wenn die von der Wechselspannungsquelle 21 angelegte Spannung danach Null wird, verbleibt die Streukapazität im geladenen Zustand. Daher wird immer noch eine Spannung
an den Transformator 22 angelegt. Dann beginnt die elektrische Ladung in der Streukapazität 22d sich über den Weg der Leck-Induktanz 22b -*- Erregungsinduktanz 22c ->- Streukapazität 22d zu entladen. Auf diesem Weg hat die Erregungsinduktanz 22c einen großen Induktanzwert, so daß die durch die Streukapazität 22d bestimmte Schwingungsperiode lang wird. Demzufolge wird an den Transformator 22 die in der Figur 3 mit der gestrichelten Linie dargestellte Spannung ν angelegt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird daher die elektrische Ladung, die in der Streukapazität 22d gespeichert ist, in der AUS-Periode des Wechselrichters entladen, so daß außer in der Einschaltperiode des Wechselrichters an den Transformator keine Spannung angelegt wird.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 9 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer wechselrichterartig umschaltenden Schaltung gemäß der Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile wie in den Figuren 1 und 5 verwendet werden, 23 bezeichnet eine Basisstrom-Steuer schaltung, die eine Einrichtung zum Kurzschließen der Primär- oder der Sekundärseite, hier der Primärseite, des Transformators 22 in der Ausschaltperiode des Inverters INV1 aufweist, um die Basisströme a, a', b, b1 der Transistoren 2 bis 5 zu steuern.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der vorerwähnten erfindungsgemäßen Schaltung unter Zuhilfenahme der Figur 7 erläutert. Aufgrund der Steuerschaltung 23 ist bereits der Basisstrom a1 des Transistors 5 geflossen, wenn der Basisstrom a des Transistors 2 zu fließen beginnt. Da der Transistor 2 nicht eingeschaltet wird bevor der Basisstrom a fließt, ist jedoch die an den Transformator 22 angelegte Spannung Null. Wenn der Basis-
strom a zu einer Zeit t.. zu fließen beginnt, wird der Transistor 2 eingeschaltet und es fließt ein Strom in Richtung von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 1 ■*- Transistor 2 -»■ Erregungsinduktanz 22c des Transformators 22 ·+ Leckinduktanz 22a des Transformators ·+· Transistor 5 -*■ Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle. An den Transformator 22 wird die Spannung ν angelegt, und der Last 16 wird Leistung zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Streukapazität 22d mit der in der Figur dargestellten Polarität geladen.
Um den Inverter INV1 zu einer Zeit t„ abzuschalten, wird nur der Basisstrom a des Transistors 2 abgeschaltet. Wenn der Transistor 2 ausgeschaltet wird, wird die Schaltung, die den Anschluß positiver Polarität der erwähnten Gleichspannungsquelle 1 ->· Transistor 2 ->- Erregungsinduktanz 22c des Transformators 22 -»- Leckinduktanz 22a des Transformators ■*· Transistor 5 -»· Anschluß negativer Polarität der erwähnten Gleichspannungsquelle 1 geöffnet. Damit wird die Energiezufuhr zu der Last 16 gestoppt. Zu der Ziet t2 wird das Fließen des Basisstroms b1 veranlaßt. Die in der Streukapazität 22d gespeicherte elektrische Ladung beginnt dann, in den Weg von der Streukapazität -»- Transistor ■*■ Diode 9 -»- Leckinduktanz 22a des Transformators 22 ->Leckinduktanz 22b des Transformators -*· Streukapazität 22d zu oszillieren. Wenn die Streukapazität 22d umgekehrt geladen ist, so wird der Transistor 5 eingeschaltet gehalten, weil der Basisstrom a1 fortwährend fließt.
Daher tritt in dem Weg von der Streukapazität 22d -*- Leckinduktanz 22b des Transformators 22 ■*■ Leckinduktanz 22a des Transformators ■*■ Transistor 5 -* Diode 7 -»-Streukapazität 22d eine Oszillation auf. Die Schwingungsperiode wird hauptsächlich durch die Resonanzfrequenz der Streukapazität 22d des Transformators 22 und der Leckinduktanzen 22a und 22b bestimmt. Da jedoch die Leck-
induktanzen 22a und 22b viel kleiner sind als die Erregungsinduktanz 22c, ist die Schwingungsperiode kurfc. Weiterhin wird die Oszillation durch eine Widerstandskomponente der Schaltung gedämpft, und man erhält die in Figur 7 mit ν bezeichnete Wellenform.
Sodann wird, um die Spannung ν mit einer umgekehrten Polarität an den Transformator 22 anzulegen, der Transistor 4 zu einem Zeitpunkt t, eingeschaltet.
Zu diesem Zweck wird der Basisstrom b zum Fließen gebracht, aber um den Transistor 5 davor abzuschalten, wird der Basisstrom a1 abgeschaltet. Wenn der Basisstrom b zum Fließen gebracht wird, so wird der Transistor 4 eingeschaltet. Da der Basisstrom b1 schon fließt und der Transistor 3 eingeschaltet ist, fließt ein Strom in den Weg von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 1 -> Transistor 4 -»■ Leckinduktanz 22a des Transformators 22 -> Erregungsinduktanz 22c des Transformators -*- Transistor 3 -> Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 1. Daher hat eine an den Transformator 22 angelegte Spannung ν eine Polarität, die derjenigen des vorhergehenden Falles, bei dem die Basisströme a und a1 zum Fließen gebrächt wurden, entgegengesetzt ist, und es fließt Leistung zu der Last 16. In diesem Fall wird die Streukapazität 22d mit einer Polarität geladen, die der in der Figur dargestellten Polarität entgegengesetzt ist.
Um den Inverter INV1 zu einem Zeitpunkt t4 auszuschalten, wird .nur der Basisstrom b abgeschaltet, um den Transistor auszuschalten. Sodann wird der oben erwähnte Stromweg geöffnet und die Energieversorgung der Last 16 wird angehalten. Simultan dazu wird, um die elektrische Ladung in der Streukapazität 22d zu entladen, der Basisstrom a1 zum Fließen gebracht und der Transistor 5 eingeschaltet. Auf diese Weise
werden ein geschlossener Weg von der Streukapazität 22d ■*- Leckinduktanz 22b des Transformators 22 -*■ Leckinduktanz 22a des Transformators ■*■ Transistor 5 ·*■ Diode 7 -* Streukapazität 22d und ein geschlossener Weg von der Streukapazität 22d ·*■ Transistor 3 ■*■ Diode 9 -*■ Leckinduktanz 22a des Transformators 22 ->- Leckinduktanz 22b des Transformators -*■ Streukapazität 22d gebildet. Die elektrische Ladung in der Streukapazität 22d verursacht eine gedämpfte Schwingung in diesen geschlossenen Kreisen und wir zu Null.
Wie voran beschrieben, wird die Primärwicklung des Transformators 22 kurzgeschlossen, indem die Transistoren 3 und 5 des Inverters INV1 in der AUS-Periode des Inverters INV1 eingeschaltet werden, wodurch die restliehe elektrische Ladung in der Streukapazität 22d des Transformators 22 gezwungen wird, eine gedämpfte Schwingung auszuführen. Demzufolge wird eine Wellenform wie die, die in der Figur 3 durch die gestrichelte Linie ν dargestellt ist, nicht an den Transformator in der AUS-Periode des Inverters INV1 angelegt. Das Produkt aus angelegter Spannung und Zeit des Transformators 22 wird konstant. Auf diese Weise kann der Transformator 22 klein und leicht gemacht werden.
Die Figur 8 zeigt in einem Diagramm ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.
Bei der Figur 8 sind die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder ähnlichen Teile wie in der Figur 6 verwendet. Mit 31 und 32 sind Schaltelemente bezeichnet; hierfür werden NPN-Transistoren verwendet, die eingeschaltet werden, wenn die Basisströme a und-b fließen. Mit 33 und 34 sind Dioden bezeichnet, die zwischen den Kollektor und den Emitter eines jeden der Transistoren 31 und 32 parallel und mit entgegengesetzter Polarität zu diesen geschaltet sind, um keine Rückwärtsspannung an diese Transistoren anzulegen. Ein Gegentaktinverter INV2 ist aus diesen Transistoren und Dioden aufgebaut. 35 ist ein
Transformator, dessen Primärwindung 35a eine Mittelanzapfung besitzt, hier ist dies ein Hochspannungs-Transformator, 35b bezeichnet die Sekundärwicklung und 35c die Streukapazität des Transformators 35. Die Punkte bezeichnen die gleiche Polarität. In diesem Fall sind beide Enden der Primärwicklung 35a an die negative Elektrode der Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen, das eine Ende über den Kollektor und den Emitter des Transistors 31, das andere Ende dagegen über den Kollektor und den Emitter des Transistors 32. Die Mittelanzapfung ist an die positive Elektrode der Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen.
Mit 36 ist eine Vollweg-Gleichrichterschaltung bezeichnet, die zwischen die beiden Enden der Primärwicklung 35a des Transformators 35 zwischengeschaltet ist, und die aus den Dioden 36a bis 36d aufgebaut ist. Mit 37 ist ein Schaltelement bezeichnet; hier ist dies ein NCN-Transistor, der die Gleichstromseite der Gleichrichterschaltung 36 kurzschließt, indem ein Basisstrom c fließt. Die Ausgangsanschlüsse a, b und c der Basisstrom'steuerschaltung 23' sind jeweils an die Basis der Schaltelemente 31, 32 bzw. 37 angeschlossen.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die Figur 9 die Arbeitsweise der voranstehend beschriebenen Schaltung gemäß der Erfindung beschrieben. Wenn der Transistor oder der Transistor 32 durch die Steuerschaltung 23' abgeschaltet werden, so wird ein Basisstrom c zum Fließen gebracht, um den Transistor 37 einzuschalten. Zu einem Zeitpunkt t.. wird das Fließen eines Basisstromes a veranlaßt, um den Transistor 31 auszuschalten. Zu diesem Zeitpunkt, wird der Basisstrom c abgeschaltet, um den Transistor 37 auszuschalten. Es fließt dann ein Strom in den Weg von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichstromquelle 1 -*■ Primärwicklung 35a des Transformators 3 ■* Transistor 31 -*■ Anschluß negativer Polarität der Gleichstromquelle 1. Eine Spannung ν wird an die Primärwicklung
35a des Transformators 35 angelegt, dessen Windung an dem gestrichelt dargestellten Ende positiv ist, . und es wird der Last 16 Leistung zugeführt.
Um den Inverter INV2 zu dem Zeitpunkt t~ auszuschalten, wird der Basisstrom a abgeschaltet, um den Transistor 31 abzuschalten. Dann öffnet sich ein Schaltkreis, der aus dem Anschluß positiver Polarität der erwähnten Gleichspannungsquelle 1 -*■ Primärwicklung 35a des Transformators 35 -*· Transistor 31 -*- Anschluß der negativen Polarität der Gleichspannungsquelle 1 besteht, und die Energiezufuhr zu der Last 16 wird angehalten. Da die Streukapazität 35c mit der in der Figur dargestellten Polarität geladen ist, wird zu diesem Zeitpunkt der Basisstrom c zum Zeitpunkt t~ zum Fließen gebracht, um den Transistor 37 anzuschalten. Demzufolge wird ein geschlossener Schaltkreis aus der Primärwicklung 35a -*- Diode 36b -»■ Transistor 37 -*■ Diode 36c -»- Primärwicklung 35a gebildet, und die elektrische Ladung der Streukapazität 35c beginnt zu oszillieren. Diese Schwingung ist auf die Streukapazität 35c und die Leckinduktanz des Transformators 35 zurückzuführen. Da die Leckinduktanz gewöhnlich klein ist, ist die Schwingungsperiode kurz. Weiterhin wird die Schwingung durch den Widerstand in der Schaltung gedämpft, und man erhält die in Figur 9 mit ν bezeichnete Wellenform.
Ebenso wie in dem Fall, bei dem der Transistor 31 eingeschaltet wird, wird.der Transistor 32 dann, wenn der Transistor 37 abgeschaltet wird, durch das Fließen des Basisstromes b zu einem Zeitpunkt t3 eingeschaltet.
Es fließt dann ein Strom in einen Weg von dem Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 1 -*· Primärwicklung 35a des Transformators 35 -*- Transistor 32 ·*■ Anschluß der negativen Polarität der Gleichspannungsquelle. Eine Spannung ν wird an die Primärwicklung 35a des Transformators 35 angelegt, wobei die negative Polarität an der gestrichelten Seite erscheint, und der Last 16 wird Energie zugeführt.
Um zu einem Zeitpunkt t^ den Inverter INV2 abzuschalten, wird der Basisstrom b abgeschaltet, um den Transistor 32 abzuschalten. Sodann wird ein Schaltkreis von dem Anschluß positiver Polarität der vorerwähnten Gleichspannungsquelle 1 ·*■ Primärwicklung 35a des Transformators 35 -*- Transistor 32 ■*■ Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 1 geöffnet, und die Energiezufuhr zu der Last 16 wird abgebrochen. Da die Streukapazität 35c mit einer Polarität geladen ist, die der in der Figur dargestellten entgegengesetzt ist, wird dabei ein Basisstrom c zu dem Zeitpunkt t, hervorgerufen, um den Transistor 37 einzuschalten. Demzufolge wird eine geschlossene Schaltung von der Primärwicklung 35a des Transformators 35 -*■ Diode 36d ■*■ Transistor 37 -*■ Diode 36a -*■ Primärwicklung 35a gebildet. Die in der Streukapazität 35c befindliche elektrische Ladung verursacht die in der Figur 5 mit ν dargestellte gedämpfte Schwingung und wird auf Null entladen.
Wie voran beschrieben, ist in dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel eine Schaltung zum Kurzschließen der Primärseite des Transformator« 35 parallel zu dem Gegentakt-Wechselrichter INV2 vorgesehen. Diese Schaltung führt dazu, daß die restliche elektrische Ladung in dem Hochspannungstransformator 35 eine gedämpfte Schwingung in der AUS-Periode des Wechselrichters INV2 ausführt. Daher wird eine in der Figur 3 mit der gestrichelten Linie ν gezeigte Spannung in der AUS-Periode des Wechselrichters INV2 nicht an den Transformator 22 angelegt. Das Produkt aus angelegter Spannung und Zeit des Transformators 22 wird konstant, und der Transformator 22 kann klein und leicht ausgeführt werden.
Ein dem oben beschriebenen ähnlicher Effekt kann erreicht werden, wenn auf der Sekundärseite des Transformators 35 die Kurzschlußschaltung vorgesehen wird, die aus der oben erwähnten Vollweg-Gleichrichterschaltung 36 und dem Transistor besteht. Weiterhin kann diese
Kurzschlußschaltung auf den Gegentakttypf den Vollweg-Brückentyp und andere Arten ähnlicher Gestalt wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit ähnlicher Wirkung angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für einen Fall nützlich, bei dem das Übertragerverhältnis des Transformators groß, die Sekundärspannung hoch und der Einfluß der Streukapazität groß ist. Wenn die Sekundärspannung hoch ist, so wird die oben erwähnte Kurζschlußschaltung auf der Primärseite des Transformators vorgesehen.
Wie voran beschrieben worden ist, kann gemäß der Erfindung das Produkt aus angelegter Spannung und Zeit konstant werden, weil der Transformator in der AUS-Periode des Wechselrichters kurzgeschlossen wird. Damit ist die Erfindung in der Lage, den Transformator klein und leicht zu gestalten,
Als Beispiel wird nun ein experimentelles Ergebnis für ein Anwendungsbeispiel eines Hochfrequenz-Wechselrichters mit einer Ausgangsleistung von 2kW, einer Steuerfrequenz von 200 Hz bis 2 kHz und einer Einschaltperiode des Wechselrichters von 200 \is beschrieben. Unter der Voraussetzung, daß die Magnetflußdichte des Eisenkerns bei der Steuerfrequenz von 2 kHz 1 ist, wird die Magnetflußdichte zu etwa 3,7 indem während der AUS-Periode des Wechselrichters eine Spannung mit einer Steuerfrequenz von etwa 300 Hz angelegt wird. Daher ist es nötig, daß die Querschnittsfläche des Eisenkerns so ausgewählt wird, daß der Kern sich bei der Steuerfrequenz von 300 Hz nicht magnetisch sättigt. Weil in der AUS-Periode des Wechselrichters keine Spannung an den Hochspannungstransformator angelegt wird,'kann gemäß der Erfindung die Magnetflußdichte des Eisenkerns ohne Rücksicht auf die Steuerfrequenz konstant gehalten werden.
Daher kann die Querschnittsfläche des Eisenkerns so ausgewählt werden, daß der Kern sich bei der Steuerfre-
quenz von 2 kHz nicht magnetisch sättigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Verlgeich mit einem Eisenkern ohne Anwendung der Erfindung die Querschnittsfläche des Eisenkernes um einen Faktor von etwa 1/3,7 erniedrigt werden. Dementsprechend kann die Größe des Transformators auch weniger als die Hälfte herabgesetzt werden und damit kann das Gewicht auf ungefähr 1/4 erniedrigt werden.

Claims (9)

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3501298 PATENTANWÄLTE WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 HITACHI MEDICAL CORPORATION DEA-27 003 16. Januar 1985 Wechselrichterartig umschaltende Energieversorgungsschaltung PATENTANSPRÜCHE:
1. / Wechselrichterartig umschaltende Energieversorgungsschaltung, J?' gekennzeichnet durch ^
einen Wechselrichter (INV1) zum Umwandeln einer Gleichspannung einer Gleichspannungisquelle (1) in eine Wechselspannung, einen Transformator (22), dem der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters zugeführt wird,
einen Gleichrichter (11, 12, 13, 14) zum Gleichrichten des Ausgangssignals des Transformators,
einen Glätt-Kondensator (15), um das Ausgangssignal des Gleichrichters (11 - 14) zu glätten, und es einer Last (16) zuzuführen, und durch *
eine Transformator-Kurzschluß-Vorrichtung (23) zum Kurzschließen entweder der Primärseite oder der Sekundärseite des Transformators in der AUS-Periode des Wechselrichters.
2. "Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß der Wechselrichter (INVl) eine konstante Einschaltperiode und eine variable Frequenz besitzt.
3. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz eichnet, daß der Wechselrichter vom Vollweg-Brückentyp ist und aufweist:
eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement (2), das an den Anschluß positiver Polarität der Gleich-Spannungsquelle angeschlossen ist, und einem zweiten Schaltelement (3), das an den Anschluß negativer Polaritat der Gleichspannurigsquelle angeschlossen ist;
erste (6) und zweite (7) Dioden, die parallel und mit entgegengesetzter Polarität zu den ersten und zweiten Schaltelementen der Reihenschaltung jeweils geschaltet sind;
eine Reihenschaltung aus einem dritten Schaltelement (4) , das an den Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und einem vierten Schaltelement (5), das an den Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist;
dritte (8) und vierte (9) Dioden, die parallel und mit entgegengesetzter Polarität zu den dritten und vierten Schaltelementen der Reihenschaltung jeweils geschaltet sind, wobei die Primärseite des Transformators (35) zwischen den Verbindungspunkt der ersten und der zweiten Schaltelemente
und den Verbindungspunkt der dritten und der vierten Schaltelemente geschaltet ist, und wobei die Transformator-Kur ζ Schlußvorrichtung eine Vorrichtung umfaßt, um simultan entweder die ersten und dritten Schaltelemente oder die zweiten und vierten Schaltelemente einzuschalten.
4. Energieversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformator-Kurzschlußvorrichtung eine Vollweg-Gleichrichterschaltung (36), die an entweder die beiden Seiten der Primärseite oder die beiden Seiten der Sekundärseite des Transformators (35) angeschlossen ist, und ein fünftes Schaltelement (37) aufweist, um die Gleichstromseite der Vollweg-Gleichrichterschaltung kurzzuschließen.
5. Energieversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz eichnet, daß die Last eine Röntgenröhre ist, und daß die Transformator-Kur ζ Schlußvorrichtung eine Vorrichtung zum Kurzschließen der Primärseite des Transformators umfaßt.
6. Energieversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennz eichnet, daß der Wechselrichter ein Vollweg-Brückenwechselrichter ist und aufweist:
eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement
(2), das an den Anschluß positiver Polarität der Gleich-Spannungsquelle angeschlossen ist, und aus einem zweiten
Schaltelement (3), das an den Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist;
erste (6) und zweite Dioden (7), die parallel zu und mit entgegengesetzter Polarität zu jenen der ersten und zweiten Schaltelemente der Reihenschaltung jeweils geschaltet sind;
eine Reihenschaltung aus einem dritten Schaltelement (4), das an den Anschluß positiver Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und aus einem vierten Schaltelement (5), das an den Anschluß negativer Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist; und
dritte (8) und vierte (9) Dioden, die parallel und mit entgegengesetzter Polarität zu jenen dritten und vierten Schaltelementen der Reihenschaltung jeweils geschaltet sind, wobei die Primärseite des Transformators (35) zwischen den Verbindungspunkt der ersten und zweiten Schaltelemente (2, 3) und den Verbindungspunkt der dritten und vierten Schaltelemente (4, 5) geschaltet ist, und wobei die Transformator-Kurzschlußvorrichtung-eine Einrichtung umfaßt, um entweder das erste und das dritte Schaltelement oder das zweite und das vierte Schaltelement simultan einzuschalten.
7. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine Röntgenstrahlröhre ist und daß die Transformator-Kurz Schlußvorrichtung eine Einrichtung zum Kurzschließen der Primärseite des Transformators aufweist.
8. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformator--Kurzschlußvorrichtung eine Vollweg-Gleichrichterschaltung aufweist, die entweder an beide Seiten der Primärwicklung oder an beide Seiten der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, und ein fünftes Schaltelement (37) aufweist, um die Gleichstromseite der Vollweg-Gleichrichterschaltung kurzzuschließen.
9. Energieversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine Röntgenstrahlröhre ist, und daß die Transformator-Kurz Schlußvorrichtung eine Einrichtung zum Kurzschließen der Primärseite des Transformators aufweist.
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