DE3534570A1

DE3534570A1 - Dc/ac-wandler

Info

Publication number: DE3534570A1
Application number: DE19853534570
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl In Brandstaetter
Original assignee: Schrack Elektronik AG
Current assignee: Schrack Elektronik AG
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1986-04-10
Also published as: GB2166608A; GB8524291D0; GB2166608B; FR2571562B1; ATA317384A; AT383917B; FR2571562A1

Description

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Schrack Elektronik-Aktiengesellschaft

Pottendorferstr. 25-27 A-1120 Wien

DC/AC-Wandler

353A570

Die Erfindung betrifft einen DC/AC-Wandler mit einem Wandlertransformator und zwei steuerbaren Schalteinrichtungen mit überlappenden Kommutierungsbetrieb.

Bei bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art, hat man bei Schalteinrichtungen welche durch Steuerstrom gesteuert werden diese Steuerströme durch einen Widerstand begrenzt. Um trotzdem ein rasches Einschalten der Schalteinrichtungen zu erreichen hat man diesen strombegrenzenden Widerstand durch einen Kondensator überbrückt (speed up-Kondensator).

Für das Ausschalten der Schalteinrichtungen wird bei bekannten Schaltungsanordnungen eine Hilfsspannung benötigt, welche von dem Steuerstrom abgeleitet wird. Dies ist mit zusätzlichen Verlusten in der Ansteuerschaltung verbunden. Weiters wird bei bekannten Schaltungsanordnungen für DC/AC-Wandler mit einem Wandlertransformator bei überlappendem Kommutierungsbetrieb diese Betriebsweise durch je eine Ansteuerquelle für jede der beiden Schalteinrichtungen und überlappender Ansteuerung der beiden Schalteinrichtungen erreicht. Dies bedingt nicht nur einen erhöhten konstruktiven Aufwand, sondern auch erhöhte Verluste durch die größere Steuerenergie bei getrennter Ansteuerung der beiden Schalteinrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Schaltung für einen DC/AC-Wandler mit überlappendem Kommutierungsbetrieb anzugeben, welche mit geringem Aufwand eine gemeinsame Ansteuerung für beide Schalteinrichtungen gestattet und den überlappenden Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen den Steuerelektroden der beiden steuerbaren Schalteinrichtungen eine Wechselspannungsquelle angeordnet ist,

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und daß die Strecke zwischen Steuerelektrode und Bezugselektrode jeder steuerbaren Schaltereinrichtung geshuntet ist.

Durch diese Maßnahmen wird insbesondere der Vorteil erreicht, daß durch die antiserielle Schaltung der beiden Steuerstrecken der steuerbaren Schalteinrichtungen sichergestellt ist, daß mindestens eine der beiden Schalteinrichtungen jeweils leitet, wobei für die gerade nicht leitende Schalteinrichtung durch den Shunt"definierte Potentialverhältnisse für den Ausschaltzustand festgelegt werden. Welche der beiden Schalteinrichtungen gerade leitet kann dabei durch die Polarität der für beide Schalteinrichtungen gemeinsamen Steuerspannung festgelegt werden.

Eine Ausführungsform eines DC/AC-Wandlers kann gemäß der Erfindung darin bestehen, daß der Shunt jeweils durch einen Widerstand gebildet ist. Hiedurch wird insbesondere bei Schalteinrichtungen, welche kapazitives Verhalten der Steuerstrecke aufweisen (MOS-FET) ein weitgehend zeitlich definiertes Schaltverhalten erreicht.

Eine weitere Ausführungsform eines DC/AC-Wandlers kann gemäß der Erfindung darin bestehen, daß der Shunt jeweils durch die Serienschaltung aus einer Diode und einem Widerstand gebildet ist, wobei die Dioden so gepolt sind, daß jeweils die zwischen Steuerelektrode und Bezugselektrode einer leitend geschalteten steuerbaren Schalteinrichtung angeordnete Serienschaltung die Wechselspannungsquelle nicht belastet. Insbesondere in Verbindung mit Bipolartransistoren als steuerbare Schalteinrichtungen kann damit erreicht werden, daß die dem einschaltenden Transistor zugeführte Speicherladung gleich der auszuräumenden Ladung des gerade ausschaltenden Transistors gehalten wird. Dies ermöglicht das optimale Ein- wie Ausschalten von Bipolar-

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transistoren. Eine weitere Vereinfachung der Ansteuerung eines DC/AC-Wandlers kann gemäß der Erfindung dadurch erreicht werden, daß jeweils eine Diode mit einer ihrer Elektroden an eine Steuerelektrode einer steuerbaren Schalteinrichtung angeschlossen ist und die anderen Diodenelektroden miteinander verbunden und über einen gemeinsamen Widerstand gegen Bezugspotential geführt sind.

Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen,beispielsweise beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt, das stark vereinfachte Schaltbild eines erfindungsgemäßen DC/AC-Wandlers.

Die Fig. 2 und 3 zeigen DC/AC-Wandler mit besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der beiden steuerbaren Schalteinrichtungen .

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen DC/AC-Wandlers, welcher vorzugsweise als stromgeführter Gegentaktwandler ausgeführt ist. Der Wandler umfaßt einen Wandlertransformator 1, welcher eine mitten angezapfte Primärwicklung 2 und mindestens eine Sekundärwicklung 3 aufweist. Die Anzapfung der Primärwicklung 2 ist über eine Drossel 4 an eine Versorgungsklemme A geführt. Der Wandler wird von einer Spannungsquelle 5, angeordnet zwischen der Versorgungsklemme A und der Bezugsklemme B, mit Energie gespeist. Dabei kann die Spannungsquelle 5, z. B. durch eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle mit nachgeschaltetem Gleichrichter gebildet werden. Auch die Versorgung des DC/AC-Wandlers mit einer Stromquelle zwischen den Klemmen A und B ist möglich. In diesem Fall kann die Drossel 4 entfallen.. Erfolgt die Versorgung des DC/AC-Wandlers aus einer geschalteten Stromquelle so stellt die Drossel 4 bevorzugt einen Teil dieser Schaltung dar (Buckkonverterschaltung}..

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An den Ausgangsklemmen C,D der Sekundärwicklung ist die Ausgangswechselspannung des DC/AC-Wandlers abgreifbar. Eine Wechselstromlast ist direkt an diese Klemmen anschließbar eine Gleichstromlast wird bevorzugt über eine zwischengeschaltete Gleichrichterschaltung angeschlossen.

Die beiden Enden der Primärwicklung 2 des Wandlertransformators 1 sind jeweils über die Hauptstrecke zwischen den Hauptelektroden K, E je einer steuerbaren Schalteinrichtung 6 bzw. 7 an die Bezugsklemme B geführt. Die Steuereingänge F, G der beiden steuerbaren Schalteinrichtungen 6, 7 sind über eine Wechselspannungsquelle 8 miteinander verbunden. Außerdem ist jeweils der Steuereingang der steuerbaren Schalteinrichtungen 6, 7 über einen Shunt 9, 10 mit der Bezugsklemme B verbunden.

Für die Beschreibung der Funktion einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird angenommen, daß die Klemme F der Wechselspannungsquelle 8 gerade positives Potential führt, wenn davon ausgegangen wird, daß übliche steuerbare Schalteinrichtungen, wie z. B. Bipolarschalttransistoren, abschaltbare Tyristoren (GTO), Leistungs MOS-Feldeffekt Transistoren und dergleichen, im ausgeschalteten Zustand eine hochohmige Steuerstrecke aufweisen, so wird der Steuerstromkreis über die Steuerstrecke der Schalteinrichtung 7,. die Verbindung der Hauptelektrode E dieser Schalteinrichtung mit dem Shunt 9, dem Shunt 9 und die Klemme G der WechselSpannungsquelle geschlossen. Abhängig von der Realisierung der Schalteinrichtungen d. h. je nach dem ob die Steuerstrecke im eingeschalteten Zustand hoch oder niederohmig ist, wird zusätzlich durch den Shunt 10 ein entsprechender Strom fließen. Der gesamte von der Wechselspannungsquelle 8 gelieferte Steuerstrom wird bei Schalterelementen mit statisch hochohmigen Steuerstrecken (wie z. B. MOS Leistungsfeldeffekttransistoren) durch die Serienschaltung der beiden Shunts begrenzt, bei der Verwendung von bi-

polaren Transistoren welche im eingeschalteten Zustand eine sehr niederohmige Charakteristik der durch den Basisemitterübergang gebildeten Steuerstrecke aufweisen, wird der Strom durch den Shunt 9 begrenzt.

Entsprechend dem den Shunt 9 durchfließenden Strom, wird an der Steuerstrecke der Schalteinrichtung 6 eine negative Spannung anliegen, wodurch diese Schalteinrichtung zuverlässig im Ausschaltzustand gehalten wird. Durch den die Steuerstrecke der Schalteinrichtung 7 durchfließenden Strombzw, durch den Spannungsabfall am Shunt 10 wird die Schalteinrichtung 7 im Einschaltzustand gehalten.

Der Kommutierungsvorgang gestaltet sich, unabhängig von der praktischen Ausführung der Schalteinrichtung 6 bzw. 7 ähnlich. Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn die Schalteinrichtungen im eingeschalteten Betriebszustand entweder eine niederohmige Steuerstrecke aufweisen (z. B. Bipolartransistoren) oder im Falle einer hochohmigen Steuerstrecke diese kapazitiven Charakter hat (MOS-FET). Die Kommutierung der Stromleitung zwischen den beiden Schalteinrichtungen wird durch die Umpolung der Wechselspannungsquelle 8 eingeleitet. Der Steuerstromkreis führt während des Umschaltvorganges von der jetzt positiven Klemme G der Wechselspannungsquelle 8 über die Steuerstrecke der Schalteinrichtung 6 zu deren Hauptelektrode; über die Hauptelektrode der Schalteinrichtung 7, deren Steuerstrecke und die Klemme F der Wechselspannungsquelle wird der Steuerstromkreis geschlossen.

Der in diesem Stromkreis fließende Strom dient für die Schalteinrichtung 6 als Einschaltstrom, in der Steuerstrecke der Schalteinrichtung 7 fließt er entgegengesetzt und bewirkt das Ausschalten dieser Schalteinrichtung sobald die in der Steuerstrecke gespeicherte elektrische Ladung abgeführt worden ist.

Unter der üblicherweise gültigen Voraussetzung, daß der Einschaltvorgang einer Schalteinrichtung rascher erfolgt als das Ausschalten, läßt sich auf diese Weise, unabhängig von der praktischen Realisierung der Schalteinrichtungen das überlappen des abwechselnden Stromflusses der beiden Schalteinrichtungen erreichen.

Die Pig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltung bei der die Shunts 9 bzw. 10 aus je einer Serienschaltung eines Ohmschen Widerstandes 11 bzw. 13 und einer Diode 12 bzw. 14 bestehen. Es wird dadurch erreicht, daß der Shunt parallel zur gerade eingeschalteten Schalteinrichtung 6 bzw. 7 aufgrund der dann in Sperrichtung gepolten Diode bzw. 14 stromlos bleibt. Dadurch wird die von der Wechselspannungsquelle 8 gelieferte Steuerleistung verringert. Es muß dabei, z. B. damit die Schalteinrichtung 6 eingeschaltet ist, an der Klemme G der Wechselspannungsquelle positives Potential im Vergleich zur Bezugselektrode B liegen. Der Steuerstromkreis wird dabei durch die Steuerstrecke der Schalteinrichtung 6 dem Shuntwiderstand 13 und der in Durchlassrichtung gepolten Diode 14 gebildet. Die Diode ist dabei in Sperrichtung vorgespannt. Ist die Schalteinrichtung 7 leitend so wird der Steuerstromkreis durch die Steuerstrecke der Schalteinrichtung 7, dem Shuntwiderstand 11 und der Diode 12 gebildet.

Da jeweils nur einer der Shunts stromführend ist und daher auch nur einer der Shuntwiderstände 11 bzw. 13, so läßt sich wie in Fig. 3 angedeutet die .Funktion der Widerstände 11 und 13 durch einen gemeinsamen Widerstand 15 erfüllen, wenn die Anoden der beiden Dioden 12 bzw. 14 verbunden werden und der Widerstand 15 zwischen dem Verbindungspunkt und der Bezugsklemme B angeordnet wird.

Die Fig. 3 zeigt eine DC/AC-Wandlerschaltung unter Verwen-

dung von bipolaren Transistoren 16, 17 als Schalteinrichtungen .

Die Wechselspannungsquelle 8 besteht aus einem Ansteuertransformator 18, dessen Sekundärwicklung zwischen die Basisanschlüsse der Transistoren 16 bzw. 17 geschaltet ist. An die Primärwicklung des Ansteuertransformators 18 ist ein Rechteckgenerator 19 als Steuergenerator angeschlossen.

Die Shunts zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren bzw. 17 und der Bezugsklemme B werden jeweils durch eine Seriendiode 12 bzw. 14, welche mit der Kathode an den Basisanschluß des Transistors 16 bzw. 17 geführt ist und einen gemeinsamen Widerstand 15 gebildet, welcher zwischen der Bezugsklemme B und dem Verbindungspunkt der miteinander verbundenen Anoden der Dioden 12, 14 angeordnet ist.

Durch diese Schaltungsanordnung wird ein besonders vorteilhaftes Schaltverhalten der Bipolartransistoren erreicht.

Angenommen die Steuerspannung Us weist gerade die durch den Spannungspfeil angegebene Polarität auf, so fließt der Basisstrom für den Transistor 16 an der positiven Klemme der Sekundärwicklung des Ansteuertransformators 18 in die Basis des Transistors 16 und vom Emitter über den Widerstand 15 und Diode 14 zur negativen Klemme der Sekundärwicklung des Ansteuertransformators. Der Dauerbasisstrom wird dabei durch den Wert des Widerstandes 15 bestimmt, wobei der Spannungsabfall an diesem Widerstand gleich der Steuerspannung Us vermindert um die Basis-Emitterspannung des Transistors 16 und die Flußspannung der Diode 14 ist.

An der Basis-Emitterstrecke des Transistors 17 liegt die Steuerspannung Us vermindert um den Basis-Emitterspannungsabfall des Transistors 16 als negative Spannung an, wodurch der Transistor 17 sicher im Sperrbetrieb gehalten wird. Dieser Zustand stellt einen der beiden möglichen stationären

Zustände dar, in denen jeweils ein Transistor leitend und der zweite gesperrt ist.

Für den Umschaltvorgang ist folgendes Funktionsverhalten von Bipolartransistoren maßgebend:

Soll ein gesperrter Bipolartransistor eingeschaltet werden, so verläuft dieser Einschaltvorgang besonders verlustarm, wenn für kurze Zeit der Basisstrom auf ein Mehrfaches des zum vollständigen leitendschalten des Transistors erforderlichen Wertes erhöht wird. Es wird dabei die Basiszone mit Ladungsträgern überschwemmt und dieser übersteuerte Zustand in der Folge durch den fließenden Dauerbasisstrom beibehalten.

Um einen leitenden Bipolartransistor auszuschalten, muß vorerst die in der Basiszone gespeicherte Ladung durch einen negativen Basisausräumstrom abgeführt werden. Erst wenn diese Ladung abgebaut wurde, kann der Transistor sperren und die Basis-Emitterstrecke, wie auch die Kollektor-Emitterstrecke wird hochohmig.

Der Kommutierungsvorgang von dem noch leitenden Transistor 16 zum vorgesperrten Transistor 17 wird durch die Umpolung der Steuerspannung Us eingeleitet. Da die Basis-Emitterstrecke des leitenden Transistors 16 niederohmig ist wird dem Transistor 17 ein Basisstromimpuls zugeführt, dessen Amplitude nur durch die Serienschaltung der jetzt niederohmigen Basis-Emitterstrecken der leitenden Transistoren 16 bzw. 17 und den auf die Sekundärseite transformierten Innenwiderstand des Steuergenerators 19 begrenzt wird.

Beide Dioden 12 wie 14 sind stromlos und die Ladung des Transistors 16 wird durch den großen fließenden Ausräumstrom rasch abgebaut. Etwa dieselbe Ladungsmenge wird dabei der Basiszone des Transistors 17 zugeführt, sobald die

Basisladung des Transistors 16 gänzlich abgebaut ist, sperrt dieser Transistor wobei seine Basis-Emitterstrecke hochohmig wird. Der Basisstromkreis für den jetzt leitenden Transistor 17 wird dabei über den-Widerstand 15 und Diode 12 geschlossen. Durch den Widerstand 15 wird der Dauerbasisstrom für den Transistor 17 auf einen relativ niedrigeren Wert begrenzt, womit der Kommutierungsvorgang abgeschlossen ist. Die Zeitdauer für den Abbau der Basisspeicherladung stellt die Überlappungszeit für den Stromfluß der beiden Transistoren dar. Für die Anwendung dieser Schaltung als DC/AC-Wandler werden diese Kommutierungsvorgänge in durch den Steuergenerator 19 vorgegebenen regelmäßigen Zeitabständen wiederholt.Bei dem Steuergenerator 19 kann es sich z. B. um den Baustein TDB 0555 der Firma Thomson handeln.

Claims

Schrack Elektronik-Aktiengesellschaft Pottendorferstr. 2 5-27 A- 1120 Wien DC/AC - WANDLER Patentansprüche

1. DC/AC Wandler mit einem Wandlertransformator und zwei steuerbaren Schalteinrichtungen mit überlappenden¹ Konimutierungsbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Steuerelektroden der beiden steuerbaren Schalteinrichtungen eine Wechselspannungsquelle angeordnet ist, und daß die Strecke zwischen Steuerelektrode und Bezugselektrode jeder steuerbaren Schaltereinrichtung geshuntet ist.

2. DC/AC Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt jeweils durch einen Widerstand gebildet ist

3. DC/AC Wandler nach Anspruch 1 oder 2,. dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt jeweils durch die Serienschaltung aus einer Diode und einem Widerstand gebildet ist, wobei die Dioden so gepolt sind, daß jeweils die zwischen Steuerelektrode und Bezugselektrode einer leitend geschalteten steuerbaren Schalteinrichtung angeordnete Serienschaltung die Wechselspannungsquelle nicht belastet.

4. DC/AC Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Diode mit einer ihrer Elektroden an eine Steuerelektrode einer steuerbaren Schalteinrichtung angeschlossen ist, und die anderen Diodenelektroden miteinander verbunden und über einen gemeinsamen Widerstand gegen Bezugspotential geführt sind.