DE3542751A1

DE3542751A1 - Schaltungsanordnung zur reduzierung der verlustleistung bei beschaltungsnetzwerken von halbleiterschaltern

Info

Publication number: DE3542751A1
Application number: DE19853542751
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Ing Putz; Peter Dipl Ing Kaczmarek
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-11-30
Filing date: 1985-11-30
Publication date: 1987-06-04
Also published as: DE3542751C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist durch den Beitrag von Dr. U. Putz "Die Beanspruchung von Thyristoren in selbstgeführten Stromrichtern" Seiten 86 bis 99 der unter dem Titel "Dynamische Probleme der Thyristortechnik" gesammelten Vorträge der Tagung der VDE-Fachgruppe Elektronik in der Energietechnik, Aachen, 15. bis 16. September 1971, herausgegeben von Prof. Dr. M. Depenbrock im VDE- Verlag, Berlin bekannt.

Die Halbleiterschalter, vorzugsweise Thyristoren, werden durch die Stufendrosseln, das sind Drosseln aus hochsättigbarem Magnetmaterial mit einer Z-förmigen Hystereseschleife, von Ein- und Ausschaltverlusten entlastet. Durch die sättigbare Stufendrossel wird beim Einschalten des Halbleiterschalters der Strom zuerst auf einen Stufenstrom (entsprechend der Hysteresebreite des magnetischen Materials) begrenzt, um dann nach der Sättigung der Stufendrossel steil anzusteigen. Beim Ausschalten begrenzt die Stufendrossel den durch den Halbleiterschalter fließenden Rückstrom auf einen negativen Stufenstrom solange, bis der Halbleiterschalter von Ladungsträgern geräumt ist. Dabei muß die Drossel so bemessen sein, daß das Produkt aus Stufenstrom × Stufenzeit größer als die auszuräumende Ladung ist.

Da bei vorgegebener Spannung die Stufenzeit ein Maß für den Flußinhalt der Drossel und damit für ihre Baugröße ist, wird angestrebt, den Rückstrom I _RR groß zu gestalten, was durch den der Drossel parallelgeschalteten ohmschen Widerstand gelingt. Für den ohmschen Widerstand R gilt bei einer anliegenden Spannung U die Beziehung: der Rückstrom I _RR bemißt sich damit zu In Vorwärtsrichtung fließt ein ebenso hoher Stufenstrom.

Durch die Stufenströme treten Verlust auf, die es klein zu halten gilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß die beim Schalten des Halbleiterschalters auftretenden Verluste weiter verringert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch das Einfügen der Diode in das Widerstands-Drosselnetzwerk fließen Stufenströme in Vor- und Rückwärtsrichtung in unterschiedlicher Höhe, wobei der Rückwärtsstrom größer als der Vorwärtsstrom ist. Für das Einschalten genügt nämlich bereits ein Stufenstrom, der nur einen Bruchteil des Rückstromes beträgt, nämlich etwa ein Viertel bis ein Achtel des Rückstromes. Dieser Vorwärtsstrom fließt schon in ausreichender Höhe als Magnetisierungsstrom der Drossel entsprechend der wegen hoher Durchmagnetisierungsgeschwindigkeiten stark aufgeweiteten Hystereseschleife. Aufgrund des geringeren Vorwärtsstufenstromes sind die ingesamt beim Schalten des Halbleiterschalters auftretenden Verluste gemindert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a bis 1c Varianten einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei einer Stufendrossel und

Fig. 2 und 3 Schaltungsanordnungen nach der Erfindung, bei denen die Stufendrosseln mehrerer Strompfade an einem gemeinsamen Potential liegen.

Entsprechend Fig. 1a ist ein als löschbarer Thyristor dargestellter Halbleiterschalter T in Serie mit einer sättigbaren Stufendrossel L geschaltet. Parallel zur Stufendrossel liegt die Reihenschaltung eines ohmschen Wiederstands R ₁ mit einer entgegengesetzt zur Hauptdurchlaßrichtung des Halbleiterschalters T gepolten Diode D. Wegen der in Vorwärtsrichtung des Halbleiterschalters sperrenden Diode D fließt beim Einschalten des Schalters ein Vorwärtsstrom I _vor, der dem Magnetisierungsstrom der Drossel I _µ entspricht (I _vor = I _µ). Dieser Strom ist klein und verursacht im Gegensatz zum Rückstrom I _Rück geringere Verluste. Der Rückstrom I _Rück bestimmt sich bei einer an der Schaltungsanordnung anliegenden Spannung U durch die Beziehung

Fig. 1b zeigt wiederum die Reihenschaltung des HalbleiterschaltersT mit der Stufendrossel L und der dieser parallelgeschalteten Reihenschaltung aus der Diode D und dem ohmschen Widerstand R ₁. Zusätzlich zu der bereits in Fig. 1a dargestellten Anordnung ist hier ein weiterer ohmscher Widerstand R ₂ vorgesehen, der parallel zur Stufendrossel L bzw. der Reihenschaltung aus Diode D und erstem ohmschen Widerstand R1 geschaltet ist. Der Vorwärtsstrom I _vor bestimmt sich bei dieser Schaltungsanordnung nach der Beziehung während sich der Strom in Rückwärtsrichtung, nämlich beim Ausschalten des Halbleiterschalter T nach der Beziehung bemißt.

Fig. 1c zeigt die bereits aus Fig. 1a bekannte Schaltung, wobei ein weiterer ohmscher Widerstand R2 lediglich parallel zur Diode D geschaltet ist. Bei dieser Anordnung ist der beim Einschalten des Halbleiterschalters T auftretende Vorwärtsstrom I _vor bestimmt durch

Der Rückwärtsstrom I _Rück ergibt sich zu

In Schaltungsanordnungen, in denen sich die Stufendrosseln mehrerer Strompfade einseitig an einem gemeinsamen Potential befinden, lassen sich die Dioden zweckmäßigerweise zu einer zusammenfassen, was den Aufwand stark reduziert. Eine solche Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Sechs in dreiphasiger Brückenschaltung angeordnete Halbleiterschalter T ₁₁ bis T ₁₆ bilden einen Wechselrichter, der aus einem Gleichstromkreis zwischen den Potentialen + und - einen dreiphasigen Wechselstrom UVW formt. Zur Phasenfolgelöschung der wiederum als Thyristoren ausgebildeten Halbleiterschalter T ₁₁ bis T ₁₆ sind Kondensatoren C ₁₁ bis C ₁₆ zwischen die einzelnen Phasen geschaltet und durch Blockdioden D11 bis D16 vom Wechselspannungsnetz entkoppelt. Zur Verminderung der Schaltverluste der Halbleiterschalter T ₁₁ bis T ₁₆ sind Stufendrosseln L ₁₁ bis L ₁₆ mit den Halbleiterschaltern in Reihe geschaltet. Je drei der an einem gleichen Potential liegenden Stufendrosseln, nämlich L ₁₁ bis L ₁₃ an dem Pluspotential und L ₁₄ bis L ₁₆ an dem Minuspotential weisen die Parallelschaltung ihres ihnen zugeordneten Widerstands R ₁₁ bis R ₁₆ sowie einer gemeinsamen Diode D ₁ bzw. D ₂ auf. Neben dem erwünschten Effekt der unterschiedlichen Stufenströme, der für die Beanspruchung der Halbleiterschalter von Vorteil ist, läßt sich die Verlustleistung und damit auch die Baugröße der Widerstände R ₁₁ bis R ₁₆ auf etwa 62,5%, gemessen an derjenigen ohne Dioden, reduzieren, da die Widerstände R ₁₁ bis R ₁₆ nur noch in Rückwärtsrichtung vom vollen Strom durchflossen werden, in Vorwärtsrichtung jedoch nur von 50% des vollen Stromes.

Statt der einzelnen, parallel zu den Stufendrosseln L ₁₁ bis L ₁₆ liegenden Wiederstände R ₁₁ bis R ₁₆ können auch gemeinsam wirkende, mit den jeweiligen Dioden D1 bis D6 in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände R ₂₁, R ₂₂ vorgesehen sein (Fig. 3).

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verlustleistung in Beschaltungsnetzwerken für Halbleiterschalter, bei der in Serie mit dem Halbleiterschalter eine sättigbare Stufendrossel und zu dieser parallel ein ohmscher Widerstand geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ohmschen Widerstand (R ₁, R ₁₁ . . . R ₁₆) eine entgegengesetzt zur Hauptdurchlaßrichtung des Halbleiterschalter (T, T ₁₁ . . . T ₁₆) gepolte Diode (D, D ₁, D ₂) in Reihe geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer ohmscher Widerstand (R ₂) vorgesehen ist, der parallel zur Diode (D) oder zur der Reihenschaltung aus der Diode (D) und dem (ersten) ohmschen Widerstand (R ₁) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schaltungen, in denen die Stufendrosseln (L ₁₁ . . . L ₁₆) mehrerer Strompfade an einem gemeinsamen Potential (+, -) liegen, nur eine gemeinsame, an dieses Potential (+, -) angeschlossene und jeweils in Reihe mit dem jeder Stufendrossel (L ₁₁ . . . L ₁₆) parallegeschalteten ohmschen Widerstand (R ₁₁ . . . R ₁₆) liegende Diode (D ₁, D ₂) vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der gemeinsamen Diode (D ₁, D ₂) ein gemeinsamer ohmscher Widerstand vorgesehen ist.