DE3521983A1 - Entlastungsschaltung ohne prinzipielle verluste fuer symmetrisch angeordnete elektronische schalter in zweigpaaren - Google Patents

Entlastungsschaltung ohne prinzipielle verluste fuer symmetrisch angeordnete elektronische schalter in zweigpaaren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist z.B. aus der De OS 32 15 589 bekannt.
Für den sicheren Betrieb von Leistungshalbleitern als elektronische Schalter bei hohen Taktfrequenzen (≦λτ 10kHz) in Stromrichterschaltungen, muß dafür gesorgt werden, daß ein hoher Durchlaßstrom und eine hohe Sperrspannung an den Schaltern nicht gleichzeitig auftreten.
Bekanntermaßen sind dazu für den Ausschaltvorgang Netzwerke aus Dioden und Kondensatoren und für den Einschaltvorgang Netzwerke aus Dioden und elektrischen Drosseln geeignet. Bei jedem Entlastungsvorgang nehmen die Kondensatoren bzw. die Drosseln - im folgenden Speicherelemente genannt - elektrische Energie auf, die beim darauffolgenden Entlastungsvorgang aus dem entsprechenden Speicherelement entnommen sein muß, wenn die Anordnungen ihren Zweck erfüllen sollen.
Die meisten bekannten Beschaltungsnetzwerke beziehen sich auf Gleichstromstellerschaltungen, bei denen sich die Richtung des Laststromes nicht umkehren kann. Für diesen Zweck sind zum Beispiel in den DE-OSen 25 11 718, 26 39 589, 26 41 183 (alle Böhringer) Lösungen für Ausschaltentlastungsnetzwerke vorgeschlagen, die ohne prinzipbedingte Verluste arbeiten. In der DE-OS 26 44 715 (Knöll) sind Kombinationen von Ausschaltentlastungen mit Einschaltentlastungen angegeben, wobei die in den Einschaltentlastungsdrosseln gespeicherte Energie in thermische Verluste umgesetzt wird.
Erhebliche Probleme treten auf, wenn durch Zusammenschalten zweier Gleichstromsteller zu einem Zweigpaar die in den erwähnten DE-Osen angegebenen Beschaltungsnetzwerke angewendet werden. Nach DE-OS 26 44 715 Fig. 29 oder DE- OS 31 13 655 bzw. nach Zimmermann R.: Probleme und Grenzen beim Einsatz abschaltbarer Thyristoren, etz-Archiv, Bd.6(1984) H5, S.189-194, Bild 7, sind zur Entkopplung fünf Drossel und eine erhebliche Anzahl von weiteren Bauelementen erforderlich. Zudem ist bei der verlustarm arbeitenden Schaltung ein Brückenkurzschluß über Transistor und Freilaufdiode wegen der sättigbaren Drosseln nicht mehr abschaltbar.
Eine Beschaltung, die ein Zweigpaar vollständig entlastet, die Beschaltungsenergie jedoch in Verlustwärme überführt, ist in der DE-OS 21 28 454 vorgeschlagen. Dieser Nachteil wird durch die Variante in DE-OS 31 01 412.8 (eine zur DE-OS 21 28 454 ähnliche Beschaltung) dadurch vermieden, daß die Energie mit Hilfe eines Sperrschwingers wieder dem Zwischenkreis zugeführt wird. Beide Lösungen (DE-OS 21 28 454 und DE-OS 31 01 412) haben aber den Nachteil, daß erhebliche Umschwingströme über die elektronischen Schalter fließen, und zudem die Spannungsbelastung der elektronischen Schalter vom Laststrom abhängig ist.
In den DE-OS 31 20 469, DE-OS 32 15 583, DE-OS 32 44 623 (Marquardt) sind unsymmetrische Beschaltungen angegeben, welche prinzipbedingte Verluste für Ein- und Ausschaltentlastung zwar vermeiden, die jedoch keine beliebigen Ein- und Ausschaltzeiten zulassen, weil sonst sehr hohe Kreisströme auftreten. Außerdem sind wegen der prinzipiellen Unsymmetrie die elektronischen Schalter unterschiedlich entlastet, was sich insbesondere bei schnellschaltenden elektronischen Schaltern ungünstig auswirkt.
Die erfindungsgemäße Entlastungsschaltung hat deshalb die Aufgabe,
  • • beim Ein- und Ausschalten der elektronischen Schalter diese weitgehend von den Schaltverlusten zu entlasten,
  • • die stationäre und dynamische Grenzwerte der elektronischen Schalter einzuhalten,
  • • die in den Ein- und Ausschaltentlastungsnetzwerken gespeicherte Energie ohne prinzipielle Verluste und mit möglichst kleinen Umschwingströmen zurückgewinnen,
  • • daß die unnötige Umladung der Speicherelemente verhindert werden kann, und daß
  • • die Schaltung mit jeder beliebigen Taktfrequenz, insbesondere auch näherungsweise Null, unterhalb der maximal möglichen ohne Beeinträchtigung der Funktionsweise betrieben werden kann.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen dabei
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Zweigpaar.
Fig. 2 eine Schaltungsvariante nach Fig. 1, bei der die Einschaltentlastungsdrosseln L 1 und L 2 an den Polen der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild nach Fig. 2 ohne Entkopplungsdioden D 1 und D 2 aber mit Umschwingthyristoren als Hilfsschalter.
Fig. 4 eine Schaltungsvariante nach Fig. 2 bei der auf die Entkopplungsdioden D 1 und D 2 verzichtet wurde und anstatt der Umschwingdioden D u1 und D u2 elektronische Hilfsschalter Th 1 und Th 2 eingesetzt sind.
Fig. 5 eine Schaltungsvariante nach Fig. 3 bei der die Umschwingdrosseln und die Einschaltentlastungsdioden weggelassen sind.
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild für einen dreiphasigen Umrichter mit zusammengefaßten Spannungsquellen U r1 und U r2.
In Fig. 1 ist eine symmetrisch angeordnete Schaltung nach Anspruch 1 gezeigt, bei der zwischen dem positiven Pol +Uz/2 und dem negativen Pol -Uz/2 die Potentialdifferenz U z besteht. Die Kombination aus Ausschaltentlastungskondensator und Ausschaltentlastungsdiode führen nach dem Ausschalten der elektronischen Schalter kurzzeitig den Laststrom und nehmen dabei Energie auf. Die Entladung der Auschaltentlastungskondensatoren erfolgt beim Wiedereinschalten der elektronischen Schalter über die Umschwingdrosseln, Umschwingdioden, rückspeisefähigen Spannungsquellen und die elektronischen Schalter. Die im Hauptstromkreis angeordneten Entkopplungsdioden D 1 und D 2 verhindern die Entladung der Ausschaltentlastungkondensatoren, wenn der ihnen zugeordnete elektronische Schalter nicht eingeschaltet wird. Dadurch verringert sich die im zeitlichen Mittel zurückgespeiste Energie, und die Strombelastung der elektronischen Schalter. Die Einschaltentlastungsdrosseln L 1 und L 1 sind symmetrisch zwischen den elektronischen Schaltern angeordnet, und begenzen die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes durch die Freilaufdioden und elektronischen Schalter beim Einschalten derselben. Die in den Einschaltentlastungsdrosseln L 1 und L 2 zwischengespeicherte Energie wird über die Einschaltentlastungsdioden D e1 und D e2 ohne prinzipielle Verluste ebenfalls in die Spannungsquellen überführt. Dabei kann die Spannung an den elektronischen Schaltern nur bis zur maximal möglichen Spannung U z +U r1 bzw. U z +U r2 ansteigen, was sich sehr vorteilhaft auf die Beanspruchung der Halbleiterbauelemente auswirkt.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung nach Anspruch 2 bei der die elektronischen Schalter T 1 und T 1 mit den Einschaltentlastungsdrosseln L 1 und L 2 vertauscht sind. Als Umschwinginduktivität ist die Summe (L 1+L u1) bzw. (L 2+L u2) wirksam, was aber die zuvor beschriebene Funktionsweise nicht beeinträchtigt.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante nach Fig. 2, wobei auf die Entkopplungsdioden D 1 und D 2 verzichtet ist. Vorteilhaft können für die Antiparallelschaltung der elektronischen Schalter mit den Freilaufdioden komplette Module eingesetzt werden. Die Umladung der Ausschaltentlastungskondensatoren C a1 und C a2 erfolgt in dieser Variante bei jedem Kommutierungsvorgang, unabhängig vom Einschalten des entsprechenden elektronischen Schalters. Falls dies stört, können die Umschwingdioden D u1 und D u2 gegen steuerbare Hilfsschalter Th 1 und Th 2 ausgetauscht werden (Fig. 4). Die Hilfsschalter werden zusammen mit den elektronischen Schaltern - oder zeitlich kurz danach - eingeschaltet.
In Fig. 5 übernehmen die Einschaltentlastungsdrosseln auch noch die Aufgabe der Umschwingdrosseln, wodurch die Einschaltentlastungsdioden und die Umschwingdrosseln eingespart werden können. Dadurch steigt allerdings der Umschwingstrom bei sonst gleichen Bauelementen gegenüber der Variante in Fig. 2 an. Durch den Einsatz von drei Halbleitermodulen m 1, m 2, m 3 und vier Speicherelementen wird der Bauelementeaufwand minimal. Besonders deutlich reduziert sich der Aufwand, wenn mehrere Zweigpaare an derselben Gleichspannungsquelle U z betrieben werden (Fig. 6), weil die rückspeisefähigen Spannungsquellen U r1 und U r2 vorteilhaft gemeinsam benutzt werden können.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung ohne prinzipielle Verluste für symmetrisch angeordnete elektronische Schalter in Zweigpaaren, die in bekannter Weise aus mindestens zwei elektronischen Schaltern (T 1) und T 2) und zwei Freilaufdioden (D f1) und (D f2) gebildet wird. dadurch gekennzeichnet, daß mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (U z ) die Kathode einer ersten Freilaufdiode (D f1), die Anode einer ersten Ausschaltentlastungsdiode (D a1), der negative Pol einer ersten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r1) sowie die Anode des ersten elektronischen Schalters (T 1) verbunden ist, daß symmetrisch dazu, der negative Pol der Gleichspannungsquelle (U z ), die Anode einer zweiten Freilaufdiode (D f2), die Kathode einer zweiten Ausschaltentlastungsdiode (D a2), der positive Pol einer zweiten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r2) sowie die Kathode des zweiten elektronischen Schalters (T 2) verbunden ist, daß weiterhin die Kathode des ersten elektronischen Schalters (T 1) mit der Kathode der ersten Ausschaltentlastungsdiode (Da 1) durch einen ersten Ausschaltentlastungskondensator (Ca 1) verbunden sind, und daß die Anode des zweiten elektronischen Schalters (T 2) mit der Anode der zweiten Ausschaltentlastungsdiode (Da 2) durch einen zweiten Ausschaltentlastungskondensator (Ca 2) verbunden sind, und daß zwischen der Kathode der ersten Ausschaltentlastungsdiode (D a1) und dem positiven Pol der ersten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r1) eine Reihenschaltung aus einer ersten Umschwingdiode (D u1) und einer ersten Umschwingdrossel (L u1) angeschlossen ist, und daß symmetrisch dazu, zwischen der Anode der zweiten Ausschaltentlastungsdiode (D a2) und dem negativen Pol der zweiten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r2) eine Reihenschaltung aus einer zweiten Umschwingdiode (D u2) und einer zweiten Umschwingdrossel (L u2) derart angeschlossen ist, daß Energie nur in die Spannungsquellen geliefert werden kann, und daß zwischen der Kathode des ersten elektronischen Schalters (T 1) und der Anode der ersten Freilaufdiode (D f1) eine erste Entkopplungsdiode (D 1) so angeschlossen ist, daß Strom nur vom elektronischen Schalter (T 1) zur Freilaufdiode (D f1) fließen kann, und daß zwischen der Anode des zweiten elektronischen Schalters (T 2) und der Kathode der zweiten Freilaufdiode (D f2) eine zweite Entkopplungsdiode (D 2) so angeschlossen ist, daß Strom nur von der Freilaufdiode (D f2) zum elektronischen Schalter (T 2) fließen kann, und daß weiterhin eine erste Einschaltentlastungsdrossel (L 1) mit der Anode der ersten Freilaufdiode (D f1) und eine zweite Einschaltentlastungsdrossel (L 2) mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode (D f2) verbunden ist, und daß eine erste Einschaltentlastungsdiode (D e1) den negativen Pol der zweiten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r2) mit der Anode der ersten Freilaufdiode (D f1) und eine zweite Einschaltentlastungsdiode (D e2) den positiven Pol der ersten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r1) mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode (D f2) derart verbindet, daß Energie nur in die rückspeisefähigen Spannungsquellen (U r1) und (U r2) eingespeist werden kann, und daß weiterhin eine erste Einschaltentlastungsdrossel (L 1) mit der Anode der ersten Freilaufdiode (D f1) und eine zweite Einschaltentlastungsdrossel (L 2) mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode (D f2) verbunden ist, und daß die verbleibenden zwei Elektroden der Einschaltentlastungsdrosseln (L 1) und L 2) miteinander verbunden den Ausgang des Zweigpaares bilden.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einschaltentlastungsdrosseln (L 1) und (L 2) sowie die beiden Einschaltentlastungsdioden (D e1) und (D e2) unter Beibehaltung der anderen Anordnung derart umgruppiert werden, daß die Kathode der ersten Freilaufdiode (D f1), die Anode des ersten elektronischen Schalters und die Anode der ersten Auschaltentlastungsdiode (D a1) gemeinsam über die erste Einschaltentlastungsdrossel (L 1) am positiven Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß die Anode der zweiten Freilaufdiode (D f2), die Kathode des zweiten elektronischen Schalters und die Kathode der zweiten Auschaltentlastungsdiode (D a2) gemeinsam über die zweite Einschaltentlastungsdrossel (L 2) am negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß die verbleibenden freien Elektroden der Kathode der ersten Freilaufdiode (D f1), die Anode der ersten Entkopplungsdiode (D 1), die Kathode der zweiten Freilaufdiode (D f2) und die Anode der zweiten Entkopplungsdiode (D 1) miteinander verbunden sind, und den Ausgang des Zweigpaares darstellen, und daß weiterhin die erste Einschaltentlastungsdiode (D e1) mit ihrer Kathode am positiven Pol der ersten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r1) und mit ihrer Anode mit der Anode des ersten elektronischen Schalters (T 1); die zweite Einschaltentlastungsdiode (D e2) mit ihrer Anode am negativen Pol der zweiten rückspeisefähigen Spannungsquelle (U r2) und mit ihrer Kathode mit der Kathode des zweiten elektronischen Schalters (T 2) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Entkopplungsdioden D 1 und D 2 für sich kurzgeschlossen sind und daher aus der Schaltung entfernt sind (Fig. 3).
4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umschwingdioden (D u1) und (D u2) durch elektronische Hilfsschalter (Th 1) und (Th 2) ersetzt sind (Fig. 4).
5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umschwingdrosseln (L u1) und (L u2) durch je eine induktivitätsarme elektrische Verbindung ersetzt und die Einschaltentlastungsdioden D e1 und D e2 nicht vorhanden sind (Fig. 5).
6. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als einem Zweigpaar die rückspeisefähigen Spannungsquellen (U r1) und (U r2) gemeinsam für alle Zweigpaare genutzt werden (Fig. 6).
7. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden rückspeisefähigen Spannungsquellen durch eine einzige mit einer Spannung größer als die Spannung der Gleichspannungsquelle (U z ) ersetzt wird.
8. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (U r1) und / oder (U r2) durch ohmsche Widerstände oder andere elektrische Verbraucher ersetzt werden.
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