DE3515644A1

DE3515644A1 - Beschaltungsnetzwerk fuer die rueckspeisung der beschaltungsenergie fuer eine reihenschaltung von abschaltbaren halbleitern

Info

Publication number: DE3515644A1
Application number: DE19853515644
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Junge; Yehia Dr Ing Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-04-27
Filing date: 1985-04-27
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3515644C2

Description

Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der
Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern Die Erfindung betrifft ein Beschaltungsnetzwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Beschaltungen für Halbleiterschalter sollen die Strom- und Spannungsbeanspruchung der Halbleiterschalter beim Ein- und Ausschalten reduzieren. Durch eine Drossel, die mit dem Halbleiterschalter in Reihe geschaltet ist, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten begrenzt und durch einen über eine Diode parallel zum Halbleiter angeordneten Kondensator wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Ausschalten begrenzt. Dabei entstehen Verlustleistungen, die durch das Freiwerden der gespeicherten Energien in den Beschaltungselementen Drossel und Kondensator auftreten. Um einen Halbleiterschalter wirksam zu entlasten, müssen sich die betreffenden Beschaltungselemente in einem nahezu energielosen Zustand befinden; das heißt vor dem Einschalten des Halbleiterschalters soll der Drosselstrom Null und vor dem Ausschalten die Kondensatorspannung Null sein. Daher sollte mit jedem Schaltzyklus, der einen Ein- und einen Ausschaltvorgang umfaßt, die gespeicherte Energie der Beschaltungselemente vollständig abgeführt werden. Am einfachsten geschieht dies durch die Umwandlung dieser Energien in Verlustwärme über Widerstände. Hierzu wird üblicherweise ein Widerstand parallel zur Beschaltungsdiode des Kondensatorzweiges und entsprechend ein Widerstand mit einer Diode parallel zur Beschaltungsdrossel geschaltet. Wie dieser Leistungsverlust vermieden und die Energie rückgespeist werden kann, ist in der Patentanmeldung P 35 13 239.6 (Patent .. .. ...) eingehend beschrieben worden.
Auch bei einem Beschaltungsnetzwerk für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Leistungshalbleitern wird zur Abführung der Verlustleistungen für jeden Halbleiterschalter eine Ausschaltentlastungsbeschaltung, bestehend aus einer Diode, einem Widerstand und einem Kondensator und für jede Drossel eine Einschaltentlastungsbeschaltung, bestehend aus einem Widerstand und einer Diode verwendet (Heumann/Stumpe "Thyristoren - Eigenschaften und Anwendungen", 3. Auflage 1974, G.B. Teubner Verlag, Stuttgart). Ein Ersatz dieser Widerstände, welche die Verlustenergie vernichten, ist bisher nicht möglich gewesen.
Die Aufgabe besteht daher darin, ein Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern in einem Wechselrichterzweigpaar anzugeben, das die Beschaltungsenergie nahezu vollständig wieder rückspeist. Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Wie bei Einzelventilen ist auch bei der Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern 1 eine Beschaltung zur Begrenzung des Sperrspannungsanstiegs erforderlich und zwar für jeden Halbleiterschalter eine eigene Beschaltung.
Beim Abschalten der Halbleiter ergeben sich durch unvermeidliche Toleranzen des dynamischen Abschaltverhaltens dadurch ausgelöste, ungleiche Belastungen der in Reihe geschalteten Halbleiter.
Das ungleiche Abschaltverhalten ist hauptsächlich in Toleranzen der Sperrverzugszeit begründet. Während dieser Zeit führen die Halbleiter noch den vollen Strom, obwohl der Steuerstrom schon negativ ist. Erst wenn die 'überschüssigen" Ladungsträger in der Steuerstrecke "ausgeräumt" sind, nimmt der Hauptstrom im Halbleiter steil ab und die Spannung am Halbleiter steigt an.
Eine unterschiedlich lange Sperrverzugszeit in den Halbleitern führt in den aus Schutzgründen parallelgeschalteten Beschaltungskondensatoren 4 zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Spannungsanstiegs. Die Spannungen in den Beschaltungskondensatoren sind die Sperrspannungen der Halbleiter; diese sind demzufolge auch unterschiedlich.
Nach der Erfindung werden zwischen den Wechselrichterzweigen eine mittelangezapfte Drossel 2 und die Primärwicklung eines Transformators 3 angeordnet. Damit läßt sich die in den Beschaltungskondensatoren 4 gespeicherte Energie beim Einschalten der Reihenschaltung wieder zurückgewinnen.
Da es aus Aufwandsgründen nicht zweckmäßig ist, für jeden Beschaltungskondensator einen eigenen Transformator vorzusehen, müssen die Beschaltungskondensatoren eines Ventilzweiges gemeinsam entladen werden. Dazu müssen die Beschaltungsventile 5,6 in die Querzweige gelegt werden, indem parallel zu den abschaltbaren Halbleitern 1 in Reihe Beschaltungskondensatoren 4 und zwischen deren Verbindungspunkten mit den abschaltbaren Halbleitern Dioden 5 sowie zu diesen gegenparallel angeordnete schaltbare Ventile 6 vorgesehen sind. An dem Zündeingang des schaltbaren Ventils liegt während des Sperrens der Halbleiterschaltung ein Zündsignal an. Die Querzweige können nun beim Sperren Strom in beiden Richtungen führen, da der Laststrom sich für jeden Halbleiter unabhängig voneinander auf Kondensator und Ventil verteilt.
Zwischen dem einen Ende der Primärwicklung des Transformators 2 und dem Verzweigungspunkt zum Beschaltungsnetzwerk eines Wechselrichterzweiges kann ein (Halbleiter)-Hilfsschalter 8 mit gegenparalleler Diode 9 angeordnet sein, der durch das öffnen zu geeigneten Zeitpunkten die sekundärseitige Entmagnetisierung des Transformators bewirkt. Bei der Anwendung dieses Beschaltungsnetzwerkes nach der Erfindung in einer Wechselrichterphase können die Drosseln und die Primärwicklungen des Rückspeisetransformators auch zusammengefaßt werden.
Durch das Schaltungsnetzwerk nach der Erfindung werden Beschaltungsverluste praktisch vollkommen vermieden, so daß die Herstellung von Pulswechselrichtern mit gutem Wirkungsgrad möglich ist. Die Beschaltungswiderstände entfallen und damit auch eine Kühlung. Ferner können größere Beschaltungskapazitäten verwendet werden, so daß eine gleichmäßigere dynamische Spannungsaufteilung beim Ein- und Abschalten ermöglicht wird.

Claims

Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern Patentanspruch Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern (zum Beispiel GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren) in einem Wechselrichterzweigpaar, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen: a) Zwischen den Wechselrichterzweigen sind eine mittelangezapfte Drossel oder zwei getrennte Drosseln (2) und die Primärwicklung eines Transformators (3) angeordnet; b) die mittelangezapfte Sekundärwicklung des Transformators (3) ist über Dioden (7) in Zweiweganordnung mit dem einen Pol der Wechselrichtereingangsspannungsquelle (Ed) und die Mittelanzapfung mit dem anderen Pol der Wechselrichtereingangsspannungsquelle (Ed) verbunden; c) parallel zu den abschaltbaren Halbleitern (1) sind in Reihe Beschaltungskondensatoren (4) und zwischen deren Verbindungspunkten mit den abschaltbaren Halbleitern (l) Dioden (5) sowie zu diesen gegenparallel angeordnete schaltbare Ventile (z.B. Thyristoren) (6) vorgesehen.

d) zwischen dem einen Ende der Primärwicklung des Transformators (2) und dem Verzweigungspunkt zum Beschaltungsnetzwerk eines Wechselrichterzweiges kann ein (Halbleiter)-Hilfsschalter (8) mit gegenparalleler Diode (9) angeordnet sein, der durch das öffnen zu geeigneten Zeitpunkten die sekundärseitige Entmagnetisierung des Transformators bewirkt.