DE3518478C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Rückspeisung von Beschaltungsenergie bei Wechselrichtern mit abschaltbaren Leistungshalbleitern, die je minde­ stens einen positiven und einen negativen Zweig bilden, zwischen denen je ein Wechselstromausgang liegt; mit Beschaltungseinrichtungen, die je aus einer Serienschal­ tung eines Beschaltungskondensators mit einer Beschal­ tungsdiode bestehen und die den Zweigen jeweils parallel geschaltet sind; mit einer an die Verbindungspunkte zwi­ schen dem Beschaltungskondensator und der zugehörigen Beschaltungsdiode der Beschaltungseinrichtungen ange­ schlossenen Schaltungsanordnung zum Rückführen der in den Beschaltungskondensatoren gespeicherten Energie in die Gleichspannungsquelle, wobei diese Schaltungsanord­ nung mindestens einen Rückspeisetransformator, minde­ stens einen in Serie mit der Primärwicklung des Rück­ speisetransformators liegenden, abschaltbaren Halblei­ ter, der synchron zu den Leistungshalbleitern in den Zweigen gesteuert wird, sowie eine an die Sekundärwick­ lung des Rückspeisetransformators angeschlossene Gleich­ richterschaltung enthält.

Eine solche Schaltungsanord­ nung ist bereits aus der JP 58 63 076 A bekannt.

Fig. 1 zeigt eine Halbbrückenschaltung eines konventionellen Wechselrich­ ters, in dem abschaltbare Schaltelemente bzw. Leistungshalbleiter in den Stromzweigen vorgesehen sind. Die Schaltungsanordnung enthält positive und negative Anschlüsse P und N einer Gleichspannungsquelle, Schaltelemente 1U und 1X in den Stromzweigen, die als Gate-Abschalt-Thyristoren (gate turn-off thyristors) ausgebildet sind und nachfolgend als GTO-Schaltelemente bezeichnet werden. Die GTO-Schaltelemente empfangen an ihren Gate-Anschlüssen Steuersignale von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) in der Weise, daß sie abwechselnd ein- und ausgeschal­ tet werden. Zwischen den GTO-Schaltelementen 1U und 1X sind Induktivitäten 2U und 2X geschaltet. Außerdem sind Rückführdioden 3U und 3X vorgesehen, die den GTO-Schalt­ elementen 1U und 1X jeweils anti-parallel geschaltet sind. Weiterhin sind Beschaltungseinrichtungen 4U und 4X vorge­ sehen, die je aus einem Beschaltungskondensator 41U bzw. 41X und einer Beschaltungsdiode 42U bzw. 42X bestehen und den GTO-Schaltelementen 1U und 2X parallel geschaltet sind. Weiterhin ist ein geschlossener Stromkreis vorge­ sehen, der eine Diode 5, und die Primärwicklung eines Stromtransformators 6 enthält. Die Kathode der Diode 5 ist mit der Anode der Beschaltungsdiode 42U verbunden, während die Anode mit der Kathode der Beschaltungsdiode 42X verbunden ist. Die Primärwicklung des Stromtransfor­ mators 6 ist in Serie mit der Diode 5 geschaltet, während an die Sekundärwicklung des Transformators (Anschlüsse 6a und 6b) mit dem Wechselstromanschluß einer Gleichrichterbrücke 7 verbunden ist, die aus Dioden 7a, 7b, 7c und 7d besteht. Der Gleichspannungs­ anschluß der Gleichrichterbrücke 7 ist an die Anschlüs­ se P und N der Gleichspannungsquelle angeschlossen.

Als nächstes soll die Arbeitsweise dieses konventionel­ len Wechselrichters in Verbindung mit den Zeitdiagrammen der Fig. 2a und 2b beschrieben werden. In Fig. 2a bezeich­ nen Tu und Tx die zweiten Einschaltzeiten der GTO-Schaltelemente 1U und 1X, Iw den Laststrom-einer z. B. induktiven Last, Iu und Ix die Ströme in den GTO-Schaltelementen 1U und 1X, Iud und Ixd die Ströme in den Rückführdioden 3U und 3X, Vuc und Vxc die Spannungen über den Beschaltungskondensatoren 41U und 41X und I_D den durch die Diode 5 und den Stromtransforma­ tor 6 fließenden Strom. Fig. 2b zeigt die Wellenformen der Spannung und des Stromes des Stromtransformators 6 in einem Zeitraum unmittelbar nach dem Abschalten des GTO-Schaltelementes 1U, wobei VCT die Spannung über der Primärwicklung des Stromtransformators 6 darstellt.

Zum Zeitpunkt t1, wenn das leitende GTO-Schaltelement 1U abgeschaltet wird, wird der in dem Schaltelement 1U fließende Strom an den Beschaltungskreis 4U umgeleitet und die Aufladung des Beschaltungskondensators 41U beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wird die in dem Kondensator 41X der Beschaltungseinrichtung 4X gespeicherte Ladung über die Diode 5, den Stromtransformator 6, die Diode 42U, die Indukti­ vität 2U und die Wechselstromausgangsquelle U an die Last (nicht gezeigt) abgegeben. Zum Zeitpunkt t2 ist diese Entladung abgeschlossen und die Rückführdiode 3X wird leitend. Während dieses Zeitraums wird die von der Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 abgegebene Leistung über die Dioden 7a und 7b der Gleichrichter­ brücke 7 an die Gleichstromquelle abgegeben und es wird über der Primärwicklung des Stromtransformators 6 eine Spannung erzeugt, die der Spannung der Gleichstrom­ quelle proportional ist.

Die in der Induktivität 2U gespeicherte Energie wird an­ schließend über einen Stromkreis an die Gleichstrom­ quelle zurückgeführt, die die Induktivitäten 2U und 2X, die Beschaltungsdiode 42X, die Diode 5, den Stromtransfor­ mator 6 und die Beschaltungsdiode 42U einschließt. Der durch die Induktivität 2U und den Stromtransformator 6 fließende Strom nimmt dabei ab. Zu dem Zeitpunkt t3 wenn der Kern des Stromtransformators 6 den Punkt der magnetischen Sättigung erreicht, erzeugt der Stromtrans­ formator 6 kurzzeitig eine hohe Spannung entgegengesetz­ ter Polarität, die Spannung zwischen den Anschlüssen 6a und 6b wird durch die leitenden Dioden 7b und 7c jedoch auf den Wert der Gleichspannungsquelle begrenzt. Obwohl diese Umkehrspannung dazu dient, den Strom durch die Beschaltungsdiode 42U, die Induktivitäten 2U und 2X, die Beschaltungsdiode 42X und die Diode 5 zu erhöhen, ist der Spannungsabfall in diesem Stromkreis jedoch gering, so daß der Stromtransformator 6 auf eine Spannung zurückge­ setzt wird, die diesem Spannungsabfall entspricht. Der durch die Induktivität 2U und den Stromtransformator 6 fließende Strom nimmt ebensosehr langsam ab. Zu dem Zeitpunkt t4, an dem die Polarität des Laststromes sich umkehrt, fließt der Laststrom vom Anschluß U über die Induktivität 2X und das GTO-Schaltelement 1X.

In dieser konventionellen Schaltung mit Beschaltungseinrichtungen erfolgt der Rücksetzvorgang des Stromtrans­ formators 6 in Übereinstimmung mit dem Spannungsabfall in den Beschaltungsdioden 42U und 42X, den Induktivitäten 2U und 2X und der Diode 5, wodurch eine längere Rück­ setzzeit benötigt wird. Ist der Rücksetzvorgang vor dem Zeitpunkt t1 nicht voll abgeschlossen, so tritt der Zeitpunkt t3, an dem der Stromtransformator 6 in den Sättigungspunkt gelangt, früher auf, wodurch der Wir­ kungsgrad der Rückübertragung von Energie aus den Beschaltungseinrichtungen zur Gleichspannungsquelle verschlechtert wird.

Außerdem ist es aus der DE-AS-20 07 567 bekannt, bei einem selbstgeführten Stromrichter den positiven und negativen Zweig der abschaltbaren Leistungshalbleiter über jeweils eine Induktivität mit dem Wechselstromaus­ gang zu verbinden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wechselrichter vorzuschlagen, bei dem die Rückübertragung der gespeicherten Energie aus den Beschaltungseinrichtungen zur Gleichspannungsquelle mit einem besseren Wirkungsgrad erfolgt. Hierzu muß das Rückstel­ len des Stromtransformators der Beschaltungseinrichtung schneller erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß der positive und der negative Zweig jeweils über eine Induktivität mit dem Wechselstromaus­ gang verbunden sind; daß der Rückspeisetransformator ein für die Beschaltungseinrichtungen der beiden Zweige ge­ meinsamer Stromtransformator ist, dessen Primärwicklung über den abschaltbaren Halbleiter an die Verbindungs­ punkte der beiden Beschaltungseinrichtungen angeschlos­ sen ist, wobei der abschaltbare Halbleiter, der Strom­ transformator und die Gleichrichterschaltung so gepolt sind, daß die Rückspeiseströme in der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Stromtransformators gleichzei­ tig fließen; und daß der abschaltbare Halbleiter derart im Verhältnis zu den Leistungshalbleitern kurzzeitig angesteuert wird, daß er gerade lange genug im leitenden Zustand gehalten wird, um die in den Beschaltungsein­ richtungen und in den Induktivitäten gespeicherte Ener­ gie über den Stromtransformator und den Gleichrichter­ kreis im Durchflußbetrieb zurück in die Gleichspannungs­ quelle zu speisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der wesentlichen Teile einer konventionellen Schaltungsanordnung;

Fig. 2a ein Impulsdiagramm für die verschiedenen Signa­ le, Spannungen und Ströme in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1;

Fig. 2b eine Ausschnittsvergrößerung aus einem Teil der Darstellung nach Fig. 2a;

Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Teile der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 4a ein Impulsdiagramm, das die verschiedenen Sig­ nale, Spannungen und Ströme der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 3 zeigt;

Fig. 4b einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Teil der Darstellung nach Fig. 4a und

Fig. 5 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Halbbrücken-Schaltung wie im Falle der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Die Schaltungsanord­ nung enthält jedoch einen abschaltbaren Halbleiter 10 anstelle der Diode nach Fig. 1. Dieser Halbleiter 10 ist im vorliegenden Bei­ spiel ein Gate-Abschalt-Thyristor (gate turn-off thyristor). Die anderen Schaltungskomponenten sind denen der Fig. 1 gleich und sind deshalb mit den glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung wird nach­ folgend in Verbindung mit den Impulsdiagrammen der Fig. 4a und 4b beschrieben. Zum Zeitpunkt t1, wenn das lei­ tende GTO-Schaltelement 1U abgeschaltet wird, wird der durch das GTO-Schaltelement 1U fließende Strom auf die Beschaltungseinrichtung 4U umgeleitet und der Beschaltungskondensa­ tor 41U beginnt, sich aufzuladen. Zur gleichen Zeit er­ hält das GTO-Schaltelement 10 ein Einschaltsignal von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) und wird einge­ schaltet. Die in dem Beschaltungskondensator 41X der Beschaltungseinrichtung 4X gespeicherte Ladung wird in den Last­ kreis (nicht gezeigt) entladen, und zwar über das GTO-Schaltelement 10, den Stromtransformator 6, die Dio­ de 42U, die Induktivität 2U zum Wechselspannungsan­ schluß U. Zum Zeitpunkt t2, wenn die Entladung abge­ schlossen ist, werden die Dioden 42X und die Rückführ­ diode 3X leitend. Der Entladestrom IG, der durch das GTO-Schaltelement fließt und nachfolgend "Rückführstrom" genannt wird, wird durch die Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 gesammelt und über die Gleich­ richterdiodenbrücke 7 in die Gleichspannungsquelle zu­ rückgespeist. Nach dem Zeitpunkt t2 fließt der Strom in der Induktivität 2U durch die Induktivität 2U, die Diode 42X, das GTO-Schaltelement 10, den Stromtransfor­ mator 6 und die Diode 42U und wird in die Gleichspan­ nungsquelle über die Dioden 7a und 7d an der Sekundär­ wicklung des Stromtransformators 6 zurückgespeist. Zum Zeitpunkt t3, wenn der Rückführstrom IG auf null fällt, wird der Strom in der Induktivität 2U ebenfalls gleich null und der Laststrom fließt durch die Diode 3X und die Induktivität 2X. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 erzeugt der Stromtransformator 6 kurzzeitig eine Spannung, die wie bei der bekannten Schaltung nach Fig. 1 auf den Wert der Gleichspannungsquelle begrenzt wird, und anschließend wird der Stromtransformator 6 auf ei­ nen Spannungswert zurückgesetzt, der dem Spannungsab­ fall über der Beschaltungsdiode 42U, den Induktivitäten 2U und 2X, der Beschaltungsdiode 42X und dem GTO-Schaltele­ ment 10 entspricht. Zum Zeitpunkt t4, wenn das GTO-Schaltelement 10 abgeschaltet wird, ist die Primär­ wicklung des Stromtransformators 6 im wesentlichen offen und der Erregerstrom für den Stromtransformator 6 wird über die Dioden 7b und 7c an der Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt. Dies bedeutet ein Zuführen einer Spannung an die Sekundärwicklung des Stromtransforma­ tors 6, deren Wert gleich dem Wert der Gleichspannungs­ quelle ist, jedoch eine entgegengesetzte Polarität hat. Zum Zeitpunkt t5, wenn der Erregerstrom auf null ab­ fällt, fällt die dem Stromtransformator 6 zugeführte Spannung ebenfalls auf den Wert null.

Auf diese Weise wird der Stromtransformator 6 in kurzer Zeit sicher zurückgestellt, so daß die in der Beschaltungs­ einrichtung gespeicherte Energie wirksam in die Gleich­ spannungsquelle zurückgeführt werden kann. Das GTO-Schaltelement 10 hat eine Anoden-Kathoden-Arbeits­ spannung, die mit der Primärspannung des Stromtransfor­ mators 6 vergleichbar ist. Normalerweise ist das Wicklungsverhältnis des Transformators kleiner als eins. Das GTO-Schaltelement 10 hat eine Abschaltcha­ rakteristik, bei der der Strom auf nahezu null reduziert wird, so daß es mit sehr niedrigen Sperranforderungen gegenüber den GTO-Schaltelementen 1U und 1X der Strom­ zweige bemessen werden kann.

Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform GTO-Schalt­ elemente 10 verwendet werden, können auch andere abschaltbare Halbleiter-Schaltelemente verwendet werden, wie z. B. Transistoren, MOS-FET oder SIT. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung eine Beschaltungseinrichtung und eine anti-parallel geschaltete Diode in Verbindung mit dem GTO-Schaltelement 10 nicht erwähnt wurde, kann das GTO-Schaltelement 10 mit solchen Komponenten versehen werden.

Obwohl die Beschreibung der Arbeitsweise in Verbindung mit den Fig. 4a und 4b für eine induktive Last erfolg­ te, arbeitet der erfindungsgemäße Wechselrichter (n) auch bei Schaltungsanordnung kapazitive Lasten zufriedenstellend. Wird das GTO-Schaltelement 1U z. B. abgeschaltet, während ein positiver Strom durch die Last über die Diode 3X und die Induktivität 2X fließt, so wird der Beschaltungskonden­ sator 41U geladen und der Beschaltungskondensator 41X ent­ laden. Auch in diesem Fall wird die in den Beschaltungs­ kreisen gespeicherte Energie über den Stromtransforma­ tor 6 in die Gleichspannungsquelle zurückübertragen. Das Einschalten des GTO-Schaltelementes 10 erfolgt in diesem Fall zur gleichen Zeit wie das Abschalten des GTO-Schaltelementes 1U.

Wegen dieses schnellen Rückstellverhaltens des Strom­ transformators 6 kann die erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung vorteilhafterweise auf einen Wechselrichter ange­ wendet werden, der mit Hochfrequenz-Impulsbreiten-Modu­ lation (PWM) arbeitet.

Obwohl in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die Rückführdioden 3U und 3X parallel zu den GTO-Schaltele­ menten 1U und 1X geschaltet sind, und zwar in entgegen­ gesetzter Polarität, so kann der gleiche Effekt auch durch eine modifizierte Schaltungsanordnung nach Fig. 5 erzielt werden. Bei dieser Schaltung ist die Diode 3U parallel zu eine Serienschaltung gelegt, die aus dem GTO-Schaltelement 1U und den Induktivitäten 2U und 2X besteht, während die Diode 3X parallel zu eine Serien­ schaltung gelegt ist, die aus dem GTO-Schaltelement 1X und den Induktivitäten 2U und 2K besteht.

Obwohl eine Schaltungsanordnung und der Betrieb einer Halbbrücken-Schaltung beschrieben wurde, können die gleichen Wirkungen auch bei einem Mehrphasen-Wechselrichter erzielt werden, der aus der Parallelschaltung einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterzweigen besteht.

Auch wenn die Benutzung von GTO-Schaltelementen als abschaltbare Halbleiter beschrieben wurde, so können auch andere abschaltbare Halbleiter benutzt werden, wie z. B. Transistoren, SIT und SITH.

Auch ist es möglich, die in den Beschaltungseinrichtung gespei­ cherte und durch den Rückführ-Stromtransformator rückge­ wonnene Energie einer getrennten Betriebsspannungsquel­ le zuzuführen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält also einen abschaltbaren Halbleiter 10, das an der Primärwicklung des Stromtransformators 6 ange­ schlossen ist, so daß der Rücksetzvorgang für den Strom­ transformator 6 durch die Sekundärwicklung dieses Trans­ formators durchgeführt wird, wobei der Stromtransforma­ tor 6 in einer kurzen Zeit sicher zurückgesetzt werden kann. Der Stromtransformator 6 kann also sehr klein aus­ gebildet sein, so daß die Schaltfrequenz des Wechselrichters erhöht werden kann.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Rückspeisung von Beschal­ tungsenergie bei Wechselrichtern mit abschaltbaren Lei­ stungshalbleitern, die je mindestens einen positiven und einen negativen Zweig bilden, zwischen denen je ein Wechselstromausgang liegt,
mit Beschaltungseinrichtungen, die je aus einer Serien­ schaltung eines Beschaltungskondensators mit einer Be­ schaltungsdiode bestehen und die den Zweigen jeweils parallel geschaltet sind;
mit einer an die Verbindungspunkte zwischen dem Beschal­ tungskondensator und der zugehörigen Beschaltungsdiode der Beschaltungseinrichtungen angeschlossenen Schal­ tungsanordnung zum Rückführen der in den Beschaltungs­ kondensatoren gespeicherten Energie in die Gleichspan­ nungsquelle, wobei diese Schaltungsanordnung mindestens einen Rückspeisetransformator, mindestens einen in Serie mit der Primärwicklung des Rückspeisetransformators lie­ genden, abschaltbaren Halbleiter, der synchron zu den Leistungshalbleitern in den Zweigen gesteuert wird, so­ wie eine an die Sekundärwicklung des Rückspeisetransfor­ mators angeschlossene Gleichrichterschaltung enthält, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der positive und der negative Zweig jeweils über eine Induktivität (2U, 2X) mit dem Wechselstromausgang (U) verbunden sind;
• - daß der Rückspeisetransformator ein für die Beschal­ tungseinrichtungen (4U, 4X) der beiden Zweige gemeinsa­ mer Stromtransformator (6) ist, dessen Primärwicklung über den abschaltbaren Halbleiter (10) an die Verbin­ dungspunkte der beiden Beschaltungseinrichtungen (4U, 4X) angeschlossen ist, wobei der abschaltbare Halbleiter (10), der Stromtransformator (6) und die Gleichrichter­ schaltung (7) so gepolt sind, daß die Rückspeiseströme in der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Stromtransformators (6) gleichzeitig fließen; und
• - daß der abschaltbare Halbleiter (10) derart im Ver­ hältnis zu den Leistungshalbleitern (1U, 1X) kurzzeitig angesteuert wird, daß er gerade lange genug im leitenden Zustand gehalten wird, um die in den Beschaltungsein­ richtungen (4U, 4X) und in den Induktivitäten (2U, 2X) gespeicherte Energie über den Stromtransformator (6) und den Gleichrichterkreis (7) im Durchflußbetrieb zurück in die Gleichspannungsquelle (P, N) zu speisen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare(n) Halblei­ ter (10) ein Gate-Abschalt-Thyristor (GTO) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare(n) Halblei­ ter (10) ein Transistor, MOS-FET oder SIT ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Zweige (1U, 1X) eine Diode (3U, 3X) anti-parallel geschaltet ist (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienschaltung des ei­ nen Zweiges (1U) mit den Induktivitäten (2U, 2X) und der Serienschaltung des anderen Zweiges (1X) mit den Induk­ tivitäten (2U, 2X) jeweils eine Diode (3X, 3U) anti­ parallel geschaltet ist (Fig. 5).