DE3602635A1 - Schaltungsanordnung zur umformung einer ein- oder mehrphasigen spannung in eine gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer ein- oder mehrphasigen Spannung mit einer voll- oder halbgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung in eine Gleichspannung, die gegebenenfalls in eine ein- oder mehrphasige Spannung zurückgewandelt wird.

Derartige Schaltungen werden häufig verwendet, um aus den Spannungen eines Wechsel- oder Drehstromnetzes, dessen Frequenz und Spannungswerte vorgegeben sind, eine Gleichspannung einer gewünschten Größe zu erzeugen, aus der dann häufig eine ein­ oder mehrphasige Wechselspannung einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz erzeugt wird. Mit solchen Schaltungen lassen sich Anlagen mit bestimmten Anforderungen an Art, Größe und Frequenz der Betriebsspannung von einem vorhandenen Wechsel- oder Drehstromnetz aus speisen. Bei derartigen Anlagen handelt es sich z. B. um Sender, Computer, Antriebe und dergleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei geringem schaltungstechnischem Aufwand ein möglichst verlustarmer Betrieb der Stromrichterventile in Anschnitt-, Abschnitt- oder Ausschnittarbeitsweise möglich ist, um das Wechsel- oder Drehstromnetz von der Lieferung von Blindleistung zu entlasten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Die Lastströme werden bei der Schaltung gemäß Fig. 1 von den bipolaren Transistoren aufgenommen, die eine niedrige Sättigungsspannung aufweisen und in leitendem Zustand nur geringe Stromwärmeverluste erzeugen. Die Umschaltung der Stromrichterventile vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt beansprucht nur wenig Zeit, so daß auch die Stromwärmeverluste während der Umschaltung nur gering sind. Vorzugsweise sind die bipolaren Transistoren mit den Feldeffekttransistoren in einem Chip integriert. Diese Schaltungen werden als BIPMOS-Schaltungen bezeichnet.

Vorzugsweise ist die Gleichrichterbrückenschaltung mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden, an die ein Wechselrichter angeschlossen ist, dessen ein- und ausschaltbare Stromrichterventile bipolare Transistoren sind, deren Basen jeweils über die Drain-Source-Strecken von MOS- Feldeffekttransistoren an den gleichstromseitigen Eingang des Wechselrichters gelegt sind, wobei die Gate-Elektroden der MOS- Feldeffekttransistoren zur Steuerung der Frequenz der ein- oder mehrphasigen Ausgangsspannung des Wechselrichters mit Ausgängen des Mikrocomputers verbunden sind. Der Wechselrichter hat bei dieser Ausführungsform die gleichen Stromrichterventile und Ansteuerschaltungen wie die Gleichrichterbrückenschaltung, so daß eine wirtschaftliche Fertigung des gesamten Gerätes möglich ist.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist an den Wechselrichter ein Induktionsmotor mit seinen Ständerwicklungen angeschlossen, wobei die Drehzahl des Induktionsmotors über die vom Mikrocomputer an die ein- und ausschaltbaren Stromrichterventile des Wechselrichters gelegten Signale steuerbar oder regelbar ist. Die Spannung und Frequenz des Induktionsmotors kann entsprechend der gewünschten Drehzahl verändert werden.

Während die Frequenz durch Taktimpulse bestimmt wird, die von einem Taktgeber mit auf die Drehzahl einstellbarer Taktfrequenz erzeugt werden, wird die Höhe der Ständerspannung mit einer Anschnitt- und/oder Abschnittsteuerung oder Ausschnittsteuerung verändert.

Die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren sind je über eine galvanische Trennstelle mit dem jeweiligen Ausgang des Mikrocomputers verbunden. Damit werden Störspannungen, die aus dem Netz zur Brückenschaltung gelangen, vom Mikrocomputer ferngehalten.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform sind die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren an Ausgänge von Zweirichtungs-Verstärkern mit einem Paar komplementärer Ausgangstransistoren angeschlossen, die von Signalen des Mikrocomputers steuerbar sind. Mit dieser Anordnung lassen sich steile Flanken erzeugen, so daß geringe Verluste während der Umschaltung der Stromrichterventile vom leitenden in den nichtleitenden Zustand entstehen.

Die vom Mikrocomputer aufzubringende Leistung zum Ein- und Ausschalten der Stromrichterventile ist nur gering. Die Zweirichtungsverstärker haben kleine Innenwiderstände. Die Kapazitäten der Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren können jeweils in sehr kurzer Zeit umgeladen werden. Es lassen sich deshalb kurze Übergangszeiten zwischen dem leitenden und nichtleitenden Zustand der Feldeffekttransistoren und damit der Stromrichterventile erreichen. Durch diese kurzen Übergangszeiten ist es möglich, nicht nur eine Anschnitt- und Abschnittsteuerung, sondern auch eine Ausschnittsteuerung je Halbperiode der Netzspannung durchzuführen, falls dies für eine schnelle Anpassung der Spannung an die jeweilige Motordrehzahl erforderlich sein sollte.

Vorzugsweise ist die Basis des jeweiligen bipolaren Transistors weiterhin über einen Widerstand mit dem Emitter verbunden. Sobald der zugeordnete MOS-Feldeffekttransistor in den nicht leitenden Zustand übergeht, herrscht an der Basis des bipolaren Transistors ein Potential, das den Transistor sperrt.

Es ist zweckmäßig, wenn die Basen der komplementären Transistoren des jeweiligen Zweirichtungverstärkers über einen Optokoppler mit dem entsprechenden Ausgang des Mikrocomputers verbunden sind. Zwischen den Stromrichterventilen der halbgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung und den für deren Steuerung benötigten Ausgängen des Mikrocomputers ist hierdurch eine galvanische Trennung vorhanden, so daß der Mikrocomputer vor Störungen aus dem Netz geschützt wird. Derartige Störungen sind z. B. Störspannungen, die der Netzspannung überlagert sind. Durch die Energiespeicherung im Gleichstromzwischenkreis werden derartige Überspannungen, nachdem sie durch die Stromrichterventile gelangt sind, stark gedämpft, so daß sie im Wechselrichter praktisch nicht mehr von Belang sind. Es ist daher nicht notwendig, zwischen den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren des Wechselrichters und den zugeordneten Steuerausgängen des Mikrocomputers eine galvanische Trennung vorzusehen. Falls erforderlich, kann aber auch hier eine galvanische Trennung vorgesehen sein.

Besonders günstig ist es, wenn der bipolare Transistor eines jeden Stromrichterventils der Gleichrichterbrückenschaltung zumindest zusammen mit dem MOS-Feldeffekttransistor in einem Halbleiterkristall integriert ist. Eine solche Vorrichtung hat nur wenige externe Anschlüsse, so daß sie schnell und einfach montiert werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn auch der Basis-Emitterwiderstand des bipolaren Transistors im Halbleiterkristall integriert ist. Damit läßt sich ein Halbleiterkristall mit drei Anschlüssen schaffen, von denen einer für die Verbindung mit dem Netz, der zweite für die Verbindung mit dem Zweirichtungsverstärker und der dritte für die Verbindung mit einem gleichstromseitigen Ausgang der Gleichstrombrückenschaltung bestimmt ist.

Auch der als Totem-Pole-Schaltung bezeichnete Zweirichtungsverstärker eignet sich für eine Integration mit zumindest dem MOS-Feldeffekttransistor. Eine Integration der Totem-Pole-Schaltung und des MOS-Feldeffekttransistors, z. B. in einem Chip oder zusammen mit den entsprechenden Elementen der anderen Brückenzweige ist besonders vorteilhaft, da sie für Stromrichterventile unterschiedlicher Leistung eingesetzt werden kann. Die Anzahl der Ausgänge eines solchen Halbleiterkristalls ist gering, da die gleichstromseitigen Ausgänge der Totem-Pole- Schaltungen an einen gemeinsamen Anschluß gelegt werden können. Ebenso ist es möglich, die Basis-Emitterwiderstände für die bipolaren Transistoren in den Halbleiterkristall zu integrieren, um die Anzahl der erforderlichen Anschlüsse noch stärker zu reduzieren. Durch die Verwendung eines bipolaren Transistors als separates Bauelement läßt sich eine unerwünschte Erwärmung der integrierten Schaltung vermeiden. Darüber hinaus kann das Stromrichterventil besser gekühlt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Mikrocomputer einen 8-BlT-Mikroprozessor, einen Programmspeicher, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, mindestens einen Ereigniszähler bzw. internen Zeitgeber und Eingabe-, Ausgabeschaltungen für den Anschluß an die Stromrichterventile der Gleichrichterbrückenschaltung an die Feldeffekttransistoren des Wechselrichters und an eine Netzstrommeßeinrichtung sowie an eine Netzspannungsmeßeinrichtung, wobei ein Befehlszyklus von 5 bis 10 µsec vorgesehen ist. Mit einem derartigen Mikrocomputer ist es möglich, die Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung oder die Ausschnittsteuerung unter Anpassung an die Drehzahl und die Drehzahlsteuerung innerhalb der durch die Periode der Netzfrequenz vorgegebenen Zeit durchzuführen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl eines Induktionsmotors,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Strangs einer Gleichstrombrückenschaltung oder Wechselrichterschaltung mit der Ansteuerschaltung für ein Stromrichterventil,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Teils einer Gleichstrombrückenschaltung mit einer anderen Ausführungsform einer Ansteuerschaltung,

Fig. 4 ein Schaltbild mit verschiedenen galvanischen Trennstufen für die Ansteuerung von Stromrichterventilen,

Fig. 5 nähere Einzelheiten einer Kopplung mit Piezo- Zündkopplern,

Fig. 6 nähere Einzelheiten einer Kopplung mit einem Optokoppler.

Eine Anordnung zur Steuerung oder Regelung eines lnduktionsmotors (1), dessen drei Phasenwicklungen (2, 3, 4) in Fig. 1 dargestellt sind, enthält einen Wechselrichter (5) und einen Gleichrichterkreis (6) mit einer symmetrisch halbgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung (7) und einer an diese angeschlossenen Energiespeichereinrichtung (8). Es handelt sich bei dem Induktionsmotor (1) um einen Dreiphasenmotor. Der Wechselrichter (5) enthält daher sechs Stromrichterventile, die z.B. als Leistungs-Feldeffekttransistoren (9, 10, 11, 12, 13, 14) ausgebildet sind. Es handelt sich um n-Kanal- Sperrschichtfeldeffekttransistoren. Parallel zu jedem Feldeffekttransistor (9 bis 14) ist eine Freilaufdiode (15) geschaltet. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (9 bis 14) sind jeweils mit nicht näher bezeichneten Anschlüssen eines Mikrocomputers (16) verbunden. Der Mikrocomputer (16) gibt periodische Ansteuersignale als Spannungsblöcke an die Feldeffekttransistoren (9 bis 14) aus. Die Frequenz der Ansteuersignale bestimmt die Drehzahl des lnduktionsmotors (1). Die Energiespeichereinrichtung (8) des Gleichstromzwischenkreises, der den Wechselrichter (5) speist, enthält eine Drossel (17) und zwei Kondensatoren (18, 19), die je parallel zum Eingang und zum Ausgang der Energiespeichereinrichtung (8) geschaltet sind. Damit wird die Gleichspannung geglättet.

Die Gleichrichterbrückenschaltung (7) enthält in drei zueinander parallelen Brückenkreisen je eine Diode (20, 21, 22) und ein ein- und ausschaltbares Stromrichterventil, das als bipolarer Transistor (23, 24, 25) ausgebildet ist. Die drei Brückenkreise sind je an den Verbindungsstellen zwischen den Anoden der Dioden (20, 21, 22) und der Transistoren (23, 24, 25) über Klemmen (26, 27, 28) an die Phasen R, S, T bzw. L 1, L 2, L 3 eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die Transistoren (23, 24, 25) sind jeweils mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken an die Klemmen (26, 27, 28) und einen gleichstromseitigen Ausgang (29) (- Leitung) angeschlossen. Die Dioden (20, 21, 22) sind mit ihren Kathoden an den anderen gleichstromseitigen Ausgang (30) (+ Leitung) der Gleichrichterbrückenschaltung (7) angeschlossen.

Die bipolaren Transistoren (23, 24, 25) weisen jeweils gleich ausgebildete Ansteuerschaltungen auf, von denen in Fig. 1 eine Ansteuerschaltung mit (31) bezeichnet ist. Es wird deshalb im folgenden nur eine Ansteuerschaltung eingehend erläutert.

Die Basis des jeweiligen Transistors (23, 24, 25) ist mit der Source-Elektrode eines MOS-Feldeffekttransistors (32) verbunden, dessen Drain-Elektrode an den Kollektor des jeweiligen Transistors (23, 24, 25) angeschlossen ist. Der jeweilige Transistor (23, 24, 25) bildet mit dem zugehörigen Feldeffekttransistor (32) eine Darlington-Schaltung. Weiterhin ist die Basis jedes Transistors (23, 24, 25) über einen Widerstand (33) mit dem Emitter verbunden. Es handelt sich bei den in Fig. 1 gezeigten Transistoren (23, 24, 25) um npn-Transistoren. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (32) ist mit dem Ausgang eines Zweirichtungsverstärkers (34) verbunden, einer Anordnung, die zwei zueinander komplementäre Transistoren (35, 36) an ihrem Ausgang enthält. Der Zweirichtungsverstärker ist nach Art einer Gegentaktschaltung ausgebildet. Die Transistorgegentaktstufe enthält die Transistoren (35, 36), deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe angeordnet sind. In Reihe mit dem npn-Transistor (35) ist in dessen Kollektorkreis ein Widerstand (37) angeordnet. Der zweite Anschluß des Widerstandes (37) wird von einer positiven Betriebsspannung, z. B. 15 V, gespeist. Der Emitter des pnp-Transistors (36) ist mit dem Ausgang (29) verbunden, der gegenüber dem Widerstand (37) negativ ist. Der Emitter des Transistors (35) ist mit dem Emitter des Transistors (36) verbunden. Die gemeinsame Verbindungsstelle bildet den Ausgang der Totem-Pole-Schaltung. Die Basen der beiden Transistoren (35, 36) sind miteinander verbunden und an den Emitter eines Phototransistors (38) in einem Optokoppler (39) angeschlossen. Der Kollektor des Transistors (38) ist an das positive Potential der Betriebsspannungsquelle, z. B. 15 V, gelegt. Zwischen der Basis des Phototransistors (38) und dem Emitter ist ein Widerstand (40) angeordnet. Ein weiterer Widerstand (41) ist zwischen den Basen der Transistoren (35) und (36) und dem Ausgang (29) angeordnet. Die Lumineszenzdiode (42) des Optokopplers (39) ist zwischen Bezugspotential von 0 V und einem Ausgang des Mikrocomputers (16) angeordnet.

Wenn der Ausgang des Mikrocomputers (16) ein niedriges Potential abgibt, ist der Phototransistor (38) nichtleitend. Der Transistor (36) ist leitend, während der Transistor (35) nichtleitend ist. Der n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (32) wird mit einem negativen Gate-Potential beaufschlagt und sperrt daher. Der Transistor (23) sperrt ebenfalls. Beaufschlagt der Mikrocomputer (16) die Lumineszenzdiode (42) mit hohem Potential, dann steuert diese den Phototransistor (38) leitend, wodurch die Basen der Transistoren (35, 36) positives Potential erhalten. Hierdurch wird der Transistor (36) nichtleitend, während der Transistor (35) leitend gesteuert wird. Über den Transistor (35) gelangt positives Potential zur Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors (32), der somit leitend gesteuert wird. Über den Feldeffekttransistor (32) wird der Basis des Transistors (23) ein so hoher Basisstrom zugeführt, daß der Transistor (23) leitend wird und den Strom im Brückenkreis übernimmt.

Der Zweirichtungsverstärker (34) hat sowohl bei hohem als auch bei niedrigem Ausgangspotential einen niedrigen lnnenwiderstand. Daher kann die Kapazität der Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors (32) sehr schnell umgeladen werden. Dies bedeutet, daß der Feldeffekttransistor (32) schnell vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und entsprechend vom nichtleitenden in den leitenden Zustand umgesteuert werden kann. Entsprechend schnell wird der Transistor (23) leitend bzw. nichtleitend gesteuert. je Halbperiode der Netzspannung ist deshalb eine Anschnitt- und Abschnittsteuerung oder eine Ausschnittsteuerung möglich.

Die Ansteuersignale für die Lumineszenzdioden (42) werden vom Mikrocomputer (16) so vorgegeben, daß über die Anschnitt- und Abschnittsteuerung oder Ausschnittsteuerung der Transistoren (23, 24, 25) einerseits die Spannung am Wechselrichter (5) an die Drehzahl des Induktionsmotors (1) angepaßt wird und andererseits die vom Netz gelieferte Blindleistung möglichst gering ist. Die Blindleistung wird durch den gesteuerten Brückengleichrichter (7) und durch die Drossel (17) im Gleichstromzwischenkreis beeinflußt, so daß die dem Netz entnommene Blindleistung sehr gering ist. Für die an die Drehzahl angepaßte Spannung kann eine Tabelle im Mikrocomputer (16) enthalten sein, die den Zusammenhang zwischen der Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl des lnduktionsmotors (1) angibt. Beispielsweise wird die Höhe der Spannung über die Anschnitte der Halbperioden der Netzspannung gesteuert. Für die Reduzierung der Blindleistung ist ein Regelvorgang vorgesehen. Je eine Meßeinrichtung (43) und (44)

für den Netzstrom und die Netzspannung sind an den Mikrocomputer (16) angeschlossen, in dem die Istphasenverschiebung zwischen Strom und Spannung festgestellt und mit einer Sollphasenverschiebung verglichen wird. Über eine An- und Abschnittsteuerung oder eine Ausschnittsteuerung der Halbperioden der Netzspannung wird dann der Blindleistungsbezug auf einen möglichst kleinen Wert geregelt.

Mit dem Mikrocomputer (16) kann ein weiterer Istwertgeber (59) für die Motordrehzahl verbunden sein, um eine Drehzahlregelung zu ermöglichen.

Der Mikrocomputer (16) enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor, der über einen Bus mit einem Programmspeicher, einem Speicher für wahlfreien Zugriff, mindestens einem Ereigniszähler bzw. Zeitgeber und mit Ein-, Ausgabeschaltungen verbunden ist. Eine Zykluszeit für die Befehlausführung von etwa 5 µsec bis etwa maximal 10 µsec reicht aus, um eine schnelle Regelung der Spannung zur Anpassung an die Drehzahl und zur Blindleistungsreduzierung zu erzielen. Es kann beispielsweise ein Ein-Chip-Mikrocomputer mit 8-BIT der Type 8748 der Firma lNTEL verwendet werden. Über die Eingabe-/ Ausgabeschaltungen ist der Mikrocomputer (16) mit den Leistungs-Feldeffekttransistoren (9 bis 14) über die drei Lumineszenzdioden (42) verbunden, die den Ansteuerschaltungen (31) vorgeschaltet sind.

Zur Geräuschdämpfung, insbesondere bei Induktionsmotoren (1), die Pumpen antreiben, werden die Feldeffekttransistoren (9 bis 14) zweckmäßigerweise asymmetrisch angesteuert. Dies bedeutet, daß zwar die Perioden der Spannungen für die drei Phasenwicklungen (2, 3, 4) gleich sind, nicht jedoch das Impulsdauer-/Impulspausenverhältnis. Auf diese Weise wird in die Oberwellenbildung derart eingegriffen, daß Resonanzanregungen der mechanischen Teile des Induktionsmotors (1) und der von diesem angetriebenen Teile vermieden werden. Die Impulsdauer-/Impulspausenverhältnisse für die Phasenwicklungen (2, 3, 4) sind in Form von Tabellen abgespeichert und werden für die verschiedenen Drehzahlen des Induktionsmotors (1) abgerufen.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansteuerschaltung (31) für einen als ein- und ausschaltbares Stromrichterventil verwendeten bipolaren Transistor (23), der als npn-Transistor ausgebildet ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 und den Schaltungen der Fig. 3 bis 6 mit gleichen Bezugsziffern versehen. In gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung enthält der Optokoppler (39) eine Lumineszenzdiode (42) und einen Phototransistor (38), der an der Basis mit dem Widerstand (40) und am Emitter mit dem Widerstand (41) angeschlossen ist. Die Transistoren (35, 36) sind in gleicher Weise wie bei der Schaltung gemäß Fig. 1 miteinander sowie mit dem Widerstand (37) und dem Phototransistor (38) verbunden. Die Emitter der Transistoren (35, 36) sind über einen Widerstand an die Gate-Elektrode des IG- Feldeffekttransistors (32) angeschlossen. Zwischen der Gate- Elektrode des Feldeffekttransistors (32) und der Source-Elektrode kann eine Zener-Diode (46) als Schutz vor zu hohen Gate- Spannungen angeordnet sein. Die Gleichspannung von z. B. 15 V gegen den Ausgang (29) zum Ansteuern des Gates wird mit einer Graetz-Schaltung (47) aus einer Wechselspannung erzeugt, deren Quelle nicht dargestellt ist. Parallel zu den gleichstromseitigen Ausgängen der Graetz-Schaltung (47) ist ein Kondensator (48) angeordnet.

Zu der Kollektor-Emitter-Strecke des bipolaren Transistors (23) sind eine Freilaufdiode (49) und ein Kondensator (50) parallel geschaltet, die Rückwirkungen vom Induktionsmotor kompensieren.

Es ist günstig, die in Fig. 2 dargestellte Anordnung als integrierte Schaltung unter Ausnahme des Optokopplers (39) auszubilden. Eine solche integrierte Schaltung enthält insofern mehr als die in Fig. 2 dargestellten elektronischen Bauteile, als die Ansteuerschaltungen für zwei oder mehr bipolare Transistoren ebenfalls Bestandteile sind. Die Gleichrichterbrücken- bzw. Graetz-Schaltung (47) ist für alle Ansteuerschaltungen nur einmal vorhanden. Um einen integrierten Baustein für verschiedene Leistungen verwenden zu können, ist es unter Umständen zweckmäßig, den bipolaren Transistor (23) nicht in den Halbleiterkristall zu integrieren. Ein solcher Baustein läßt sich für einen gewissen Leistungsbereich einsetzen. Es können bipolare Transistoren (23) mit verschiedenen Nennströmen verwendet werden. Außerdem wird hierdurch vermieden, daß die Verlustwärme der bipolaren Transistoren (23) die anderen Schaltungsteile beeinträchtigt. Überdies läßt sich die Verlustwärme aus einem diskreten bipolaren Transistor (23) einfacher, z. B. mit einem entsprechend dimensionierten Kühlkörper ableiten. Da der vorstehend beschriebene Halbleiterkristall einen n-Kanal-MOSFET und bipolare Transistoren enthält, wird eine Technik geschaffen, die sich als BIPMOS bezeichnen läßt.

Ein Halbleiterkristall muß nicht alle oben erwähnten Bauelemente enthalten. Es kann z. B. günstig sein, für jeden bipolaren Transistor (23, 24, 25) eine gesonderte integrierte Schaltung vorzusehen, die sich dann universell für verschiedene Arten von Gleichrichterbrückenschaltungen einsetzen läßt.

Die Fig. 3 zeigt in vereinfachter Form eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung mit drei Dioden (51, 52, 53) je in einem Brückenkreis. Die Ansteuerschaltung enthält die beiden Transistoren (35, 36) in Gegentaktanordnung, deren Ausgang über den Widerstand (45) mit der Gate-Elektrode des MOS- Feldeffekttransistors (32) verbunden ist. Die Transistoren (35) und (36) sind je mit den Kollektoren an die Pole einer Betriebsspannungsquelle gelegt. Die beiden Basen der Transistoren (35, 36) sind mit einem Anschluß (54) verbunden, der von unterschiedlichen Schaltungen aus angesteuert werden kann. Beispielsweise ist nicht in allen Anwendungsfällen ein Optokoppler notwendig. Die in Fig. 3 innerhalb der strichpunktierten Linie (55) liegenden Bauteile (23, 32, 33, 35, 36, 45, 46) können Bestandteil einer integrierten Schaltung sein, die den Anschluß (54) und nur drei weitere Anschlüsse (56, 57, 58) hat. In Fig. 3 sind die über die Dioden (51, 52, 53) fließenden Ströme mit i ₁′, i ₂′ und i ₃′ bezeichnet. Die Gleichspannung ist mit U _d bezeichnet. Parallel zum Kondensator (18) ist die Reihenschaltung eines Widerstandes und einer lnduktivität angeordnet. Diese elektrischen Bauteile sind nicht näher bezeichnet. Es handelt sich um eine Verbraucherersatzschaltung eines induktiven Verbrauchers.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung ist ein Netztransformator (60) sekundärseitig an eine Stromversorungsschaltung (61) angeschlossen, die die Betriebsspannung für den Mikrocomputer (16) erzeugt. Der Netztransformator (60) enthält eine zweite Sekundärwicklung, die mit einer Hilfsstromversorgung (62) verbunden ist, die einen Optokoppler (63) mit Betriebsspannung versorgt. Der Optokoppler (63) ist zwischen Ausgängen des Mikrocomputers (16) und einem MOS-Feldeffektransistor (64) angeordnet, der auf die in Fig. 1 gezeigte Art mit einem bipolaren, nicht dargestellten Transistor verbunden ist. Die Last des MOS-Feldeffektransistors (64) ist mit R _L bezeichnet.

Mit einem Zündtransformator (65), der über eine Treiberstufe (66) an den Mikrocomputer (16) angeschlossen ist, kann eine andersartige galvanische Trennung erreicht werden. Die Sekundärseite des Zündtransformators (65) ist über eine Diode (66) an die Gate-Elektrode eines MOS-Feldeffekttransistors (64) angeschlossen, der im übrigen wie oben beschrieben mit einem bipolaren Transistor in einem Brückengleichrichter oder Wechselrichter verbunden ist.

Eine dritte Möglichkeit zur galvanisch getrennten Ankopplung nutzt einen Piezo-Zündkoppler (67) aus, der über einen vom Mikrocomputer (16) ein- und ausschaltbaren astabilen Multivibrator (68) mit dem Mikrocomputer (16) verbunden ist. Senkundärseitig ist der Piezo-Zündkoppler (67) über die Diode (66) mit der Gate-Elektrode eines MOS-Feldeffekttransistors (64) verbunden der einen bipolaren Transistor im Brückengleichrichter oder Wechselrichter speist. Parallel zu den sekundären Elektroden des Piezo-Zündkopplers (67) ist eine Diode (69) angeordnet.

Die Fig. 5 zeigt im Detail zwei mit den Drain-Source-Strecken in Reihe angeordnete Ausgangs-Feldeffekttransistoren des Mikrocomputers. An die gemeinsame Verbindungsstelle der nicht näher bezeichneten Ausgangs-Feldeffekttransistoren ist ein Steuereingang (70) des astabilen Multivibrators (68) angeschlossen, der aus einem durch einen äußeren RC-Kreis beschalteten integrierten Schaltkreis besteht. Die Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors (64) ist mit der Source-Elektrode über einen Widerstand (71) verbunden. Parallel zu der Drain- Source-Strecke ist die Reihenschaltung eines Widerstands (71) und eines Kondensators (72) gelegt. Im Source-Kreis befindet sich eine Last (73).

Die Fig. 6 zeigt im Detail die Optokopplerverbindung. Der Transistor des Optokopplers (63) wird von einer Gleichrichterschaltung (74) mit nachgeschalteter Zener-Diode (75) über einen Widerstand (76) mit Betriebsspannung versorgt. Der Kollektor des Transistors des Optokopplers (63) ist über invertierende Verstärkerstufen (78) mit der Gate-Elektrode eines MOS-Feldeffekttransistors (64) verbunden, in dessen Drain-Kreis eine Last (79) angeordnet ist.

Statt der Feldeffekttransistoren (9) bis (15) können bipolare Transistoren in Verbindung mit MOS-Feldeffekttransistoren verwendet werden, wie dies bei der Gleichrichterbrückenschaltung eingehend beschrieben ist.

Claims (15)

1. Schaltungsanordnung zur Umformung einer ein- oder mehrphasigen Spannung mit einer voll- oder halbgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung in eine Gleichspannung, die gegebenenfalls in eine ein- oder mehrphasige Spannung zurückgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ein- und ausschaltbaren Stromrichterventile in der Gleichrichterbrückenschaltung (7) bipolare Transistoren (23, 24, 25) sind, deren Basen jeweils über die Drain-Source- Strecken von MOS-Feldeffekttransistoren (32) an den netzseitigen Eingang der Gleichrichterbrückenschaltung (7) gelegt sind, und daß die Gate-Elektroden der MOS- Feldeffekttransistoren (32) zur Anschnitt- und/oder Abschnittsteuerung oder Ausschnittsteuerung mit Ausgängen eines Mikrocomputers (16) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterbrückenschaltung mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden ist, an die ein Wechselrichter (5) angeschlossen ist, dessen ein- und ausschaltbare Stromrichterventile bipolare Transistoren sind, deren Basen jeweils über die Drain-Source-Strecken von MOS-Feldeffekttransistoren an den gleichstromseitigen Eingang des Wechselrichters (5) gelegt sind, und daß die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren zur Steuerung der Frequenz der ein- oder mehrphasigen Ausgangsspannung des Wechselrichters (5) mit Ausgängen des Mikrocomputers (16) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wechselrichter (5) ein Induktionsmotor (1) mit seinen Ständerwicklungen angeschlossen ist und daß die Drehzahl des Induktionsmotors (1) über die vom Mikrocomputer an die ein- und ausschaltbaren Stromrichterventile des Wechselrichters (5) gelegten Signale steuerbar oder regelbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren (64) je über eine galvanische Trennstelle mit dem jeweiligen Ausgang des Mikrocomputers (16) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren (32) an Ausgänge von Zweirichtungs-Verstärkern (34) mit einem Paar komplementärer Ausgangstransistoren angeschlossen sind, die von Signalen des Mikrocomputers (16) steuerbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des jeweiligen bipolaren Transistors (23, 24, 25) weiterhin über einen Widerstand (33) mit dem Emitter verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe geschalteten Transistoren (35, 36) des jeweiligen Zweirichtungs-Verstärkers (34) über einen Optokoppler (39) mit dem entsprechenden Ausgang des Mikrocomputers (16) verbunden sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolaren Transistoren (23, 24, 25) eines jeden Stromrichterventils der Gleichrichterbrückenschaltung (7) zumindest zusammen mit dem MOS-Feldeffekttransistor (32) in einem Halbleiterkristall integriert sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Zweirichtungs-Verstärker (34) zusammen mit dem MOS-Feldeffekttransistor (32) für jede Ansteuerschaltung (31) eines bipolaren Transistors (23, 24, 25) in einem Halbleiterkristall integriert sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Ansteuerschaltungen für zwei oder drei bipolare Transistoren (23, 24, 25) in einem Halbleiterkristall zusammen mit einer Graetz-Schaltung (47) integriert sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffektransistoren (64) je über einen Gleichrichter (66) mit einem Zündtransformator (65) verbunden sind, der vom Mikrocomputer (16) über eine Treiberstufe (66) gespeist wird.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden der MOS-Feldeffektransistoren je über einen Gleichrichter (66) mit einem Piezo-Zündkoppler (67) verbunden sind, der vom Mikrocomputer (16) über einen Multivibrator (68) gespeist wird.

13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (16) einen 8-BIT-Mikroprozessor, einen Programmspeicher, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, mindestens einen Ereigniszähler bzw. internen Zeitgeber und Eingabe-, Ausgabeschaltungen für den Anschluß an die Stromrichterventile der Gleichrichterbrückenschaltung und des Wechselrichters (5) und an eine Netzstrommeßeinrichtung (43) sowie an eine Netzspannungsmeßeinrichtung (44) enthält, wobei ein Befehlszyklus von 5 bis 10 µsec vorgesehen ist.

14. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Wechselrichters (5) durch Anschnittsteuerung auf die für die Drehzahl des lnduktionsmotors ausgewählte Spannung anpaßbar ist und daß die Blindleistungsverminderung durch Phasenan- und Phasenabschnittsteuerung oder Phasenausschnittsteuerung regelbar ist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwicklungen (2, 3, 4) des Induktionsmotors (1) innerhalb gleicher Periodendauern durch unterschiedlich lange Impulse in den drei aufeinanderfolgenden Phasen ansteuerbar sind.