DE3515644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschaltungsnetzwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Beschaltungen für Halbleiterschalter sollen die Strom- und Spannungs­ beanspruchung der Halbleiterschalter beim Ein- und Ausschalten redu­ zieren. 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 ange­ ordneten Kondensator wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Ausschalten begrenzt. Dabei entstehen Verlustleistungen, die durch das Freiwerden der gespeicherten Energien in den Beschaltungselemen­ ten Drossel und Kondensator auftreten. Um einen Halbleiterschalter wirksam zu entlasten, müssen sich die betreffenden Beschaltungsele­ mente 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 soll­ te 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 übli­ cherweise ein Widerstand parallel zur Beschaltungsdiode des Kondensa­ torzweiges und entsprechend ein Widerstand mit einer Diode parallel zur Beschaltungsdrossel geschaltet.

Wie dieser Leistungsverlust ver­ mieden und die Energie rückgespeist werden kann, ist in der nachver­ öffentlichten DE 35 13 239 A1 eingehend beschrieben.

Durch die DE 34 90 150 T1 ist ebenfalls ein Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie aus jeweils aus zwei ab­ schaltbaren Halbleitern gebildeten Wechselrichterzweigpaaren bekannt, wobei jedem der beiden abschaltbaren Halbleiter eine Reihenschaltung aus einem Beschaltungskondensator und einer Beschaltungsdiode parallel­ geschaltet ist. Eine mittelangezapfte Drosselspule und die Primärwick­ lung eines (Rückspeise-)Transformators liegt jeweils zwischen den ab­ schaltbaren Halbleitern eines Ventilzweiges. Im Verbindungszweig zwi­ schen den Knotenpunkten der Beschaltungskondensatoren und der Beschal­ tungsdioden ist eine Diode angeordnet. Die Sekundärwicklung des (Rück­ speise-)Transformators ist über eine weitere Diode mit der Spannungs­ quelle am Wechselrichtereingang verbunden.

Abweichend von diesem Stand der Technik bezieht sich die Erfindung auf die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern in jedem Zweig des Wechselrichterzweig­ paares.

Bei einem Beschaltungsnetzwerk für eine Reihenschaltung von abschalt­ baren Leistungshalbleitern wird zur Abführung der Verlustleistung für jeden Halbleiterschalter eine Ausschaltentlastungsbeschaltung, beste­ hend 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 Beschaltungs­ energie bei Reihenschaltungen abschaltbarer Halbleiter in Wärme umset­ zen, ist bisher nicht möglich gewesen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Be­ schaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern in einem Wechsel­ richterzweigpaar anzugeben, das die Beschaltungsenergie nahezu vollständig wieder rückspeist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch an­ gegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung an einem Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert.

Wie bei Einzelventilen ist auch bei der Reihenschaltung von abschaltba­ ren Halbleitern 1 eine Beschaltung zur Begrenzung des Sperrspannungsan­ stiegs erforderlich, und zwar für jeden Halbleiterschalter eine eigene Beschaltung.

Beim Beschalten der Halbleiter ergeben sich durch unvermeidliche Tole­ ranzen des dynamischen Abschaltverhaltens dadurch ausgelöste, unglei­ che 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 "ausge­ räumt" sind, nimmt der Hauptstrom im Halbleiter steil ab und die Span­ nung am Halbleiter steigt an.

Eine unterschiedlich lange Sperrverzugszeit in den Halbleitern führt in den aus Schutzgründen parallelgeschalteten Beschaltungskondensato­ ren 4 zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Spannungsanstiegs. Die Span­ nungen in den Beschaltungskondensatoren sind die Sperrspannungen der Halbleiter; diese sind demzufolge auch unterschiedlich.

Nach der Erfindung werden zwischen den Wechselrichterzweigen eine mit­ telangezapfte Drossel 2 und die Primärwicklung eines Transformators 3 angeordnet. Damit läßt sich die in den Beschaltungskondensatoren 4 ge­ speicherte Energie beim Einschalten der Reihenschaltung wieder zurück­ gewinnen.

Da es aus Aufwandsgründen nicht zweckmäßig ist, für jeden Beschaltungs­ kondensator einen eigenen Transformator vorzusehen, müssen die Beschal­ tungskondensatoren eines Ventilzweiges gemeinsam entladen werden. Dazu müssen die Beschaltungsventile 5, 6 in die Querzweige gelegt werden, in­ dem parallel zu den abschaltbaren Halbleitern 1 in Reihe Beschaltungs­ kondensatoren 4 und zwischen deren Verbindungspunkten mit den abschalt­ baren Halbleitern Dioden 5 sowie zu diesen gegenparallel angeordnete schaltbare Ventile 6 vorgesehen sind. An dem Zündeingang des schaltba­ ren Ventils liegt während des Sperrens der Reihenschaltung der Halbleiter 1 ein Zündsignal an. Die Querzweige können nun beim Sperren Strom in beiden Richtungen führen, da der Laststrom sich für jeden Halbleiter unabhän­ gig voneinander auf Kondensator und Ventil verteilt.

Zwischen dem einen Ende der Primärwicklung des Transformators 2 und dem Verzweigungspunkt zum Beschaltungsnetzwerk eines Wechselrichter­ zweiges kann ein (Halbleiter)-Hilfsschalter 8 mit gegenparalleler Diode 9 angeordnet sein, der durch das Öffnen zu geeigneten Zeitpunk­ ten die sekundärseitige Entmagnetisierung des Transformators bewirkt.

Bei der Anwendung dieses Beschaltungsnetzwerkes nach der Erfindung in einer Wechselrichterphase können die Drosseln und die Primärwicklun­ gen des Rückspeisetransformators auch zusammengefaßt werden.

Durch das Schaltungsnetzwerk nach der Erfindung werden Beschaltungsver­ luste praktisch vollkommen vermieden, so daß die Herstellung von Puls­ wechselrichtern mit gutem Wirkungsgrad möglich ist. Die Beschaltungs­ widerstände für die dynamische Spannungsaufteilung entfallen und da­ mit auch eine Kühlung. Ferner können größere Beschaltungskapazitäten verwendet werden, so daß die dynamische Spannungsaufteilung beim Ein- und Abschalten vergleichmäßigt wird.

Obwohl infolge der Erfindung für die dynamische Spannungsaufteilung Beschaltungswiderstände nicht mehr benötigt werden, sind für die sta­ tische Spannungsaufteilung Widerstände parallel zu jedem abschaltba­ ren Halbleiter vorzusehen. Diese in der Zeichnungsfigur nicht näher bezeichneten Widerstände weisen jedoch aufgrund ihrer Dimensionierung einen sehr geringen, praktisch nicht ins Gewicht fallenden Energieum­ satz auf.

Claims (1)

1. Beschaltungsnetzwerk für die Rückspeisung der Beschaltungsenergie für eine Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleitern (zum Bei­ spiel GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren) in einem Wechselrich­ terzweigpaar, mit folgenden 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 Wech­ selrichtereingangsspannungsquelle (E _d ) und die Mittelanzapfung mit dem anderen Pol der Wechselrichtereingangsspannungsquelle (E _d ) verbunden;
• c) parallel zu den abschaltbaren Halbleitern (1) sind in Reihe Be­ schaltungskondensatoren (4) und zwischen deren Verbindungspunk­ ten mit den abschaltbaren Halbleitern (1) Dioden (5) sowie zu diesen gegenparallel angeordnete schaltbare Ventile (z. B. Thyri­ storen) (6) vorgesehen;
• d) zwischen dem einen Ende der Primärwicklung des Transformators (3) und dem Verzweigungspunkt zum Beschaltungsnetzwerk eines Wechsel­ richterzweiges kann ein (Halbleiter-)Hilfsschalter (8) mit gegen­ paralleler Diode (9) angeordnet sein, der durch das Öffnen zu ge­ eigneten Zeitpunkten die sekundärseitige Entmagnetisierung des Transformators bewirkt.