DE3714175C2

DE3714175C2 -

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Publication number: DE3714175C2
Application number: DE19873714175
Authority: DE
Inventors: Georg Ing.(Grad.) Beinhold; Bernhard Dr.-Ing. Eggert; Siegfried Ing.(Grad.) 1000 Berlin De Nowak
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1989-02-09
Also published as: DE3714175A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die Veröffentlichung DE 34 90 150 T1 bekannt. Dabei wird der diesem Stand der Technik nicht explizit zu entnehmende Stützkondensator vorausgesetzt, da es sich dort um eine rückspeisefähige Gleichspannungsquelle handelt.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 34 34 126 bekannt.

Gategesteuerte Halbleiter, also solche, die über ihren Steueranschluß ein- und auch wieder ausschaltbar sind, wie z. B. GTO-Thyristoren, müssen vor zu hohen Stromsteilheiten beim Einschaltvorgang und vor zu hohen Spannungssteilheiten beim Ausschaltvorgang geschützt werden, weil sonst in ihnen während dieser Zeiten eine stark den leistungsmäßigen Einsatz mindernde Verlustwärme auftritt. Zu diesem Zweck dienen die den Strom durch den Halbleiter in seiner Anstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Drosselspulen und die die am Halbleiter abfallende Spannung in ihrer Anstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Beschaltungskondensatoren. Durch den Einsatz der Beschaltungskondensatoren bzw. Drosselspulen wird das Problem zum Teil jedoch nur verlagert, denn um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Halbleiter zu gewährleisten, ist es nötig, die in den Reaktanzen gespeicherte Energie wieder abzubauen.

Dazu sind in einer durch die IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-19, Nr. 4, Juli/August 1983, Seiten 554 bis 560 bekannten Schaltung Entmagnetisierungsdioden parallel zu für alle Phasen gemeinsamen Drosselspulen geschaltet und parallel zu den Beschaltungsdioden ohmsche Widerstände vorgesehen, in denen ein großer Teil der Beschaltungsenergie nachteilig in Wärme umgesetzt wird.

Bei der Schaltungsanordnung nach der zuvor bereits erwähnten Veröffentlichung DE 34 90 150 T1, bei der die den Stromanstieg begrenzenden Drosselspulen am Wechselrichterausgang angeordnet sind, wird die in den Reaktanzen gespeicherte Beschaltungsenergie dagegen dadurch in den Gleichspannungskreis zurückgespeist, daß die Verbindungspunkte der beiden den Halbleitern einer Wechselspannungsphase zugeordneten Beschaltungskondensatoren mit den ihnen jeweils zugehörigen Beschaltungsdioden durch die Reihenschaltung einer Diode mit der Primärwicklung eines Stromwandlers verbunden sind und die Sekundärwicklung des Stromwandlers in Serie mit einer Rückspeisediode zwischen den Polen des Gleichspannungskreises liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere, bei allen Arten von Wechselrichtern, aber auch bei anderen Stromrichtern, wie z. B. bei Gleichstromstellern einsetzbare, verlustarme Beschaltung gategesteuerter Halbleiter anzugeben, durch die möglichst viel der in den Drosselspulen und Beschaltungskondensatoren vorhandenen Energie in den Stützkondensator rückgeführt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung entsprechend der durch den Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bei einer Schaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 10 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch den Einsatz nur weniger Dioden und (Rückspeise-) Transformatoren ist es mithin auch mit den Beschaltungsanordnungen nach der Erfindung vorteilhaft möglich, die Energie der Beschaltungsreaktanzen in den Stützkondensator zurückzuspeisen und somit die Erzeugung von Verlustwärme weitestgehend zu vermeiden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 eine verlustarme Beschaltung von gategesteuerten Halbleitern in zwei Phasen eines Wechselrichters,

Fig. 2 den Verlauf von Strömen und Spannungen an Bauelementen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 3 eine materialsparende Schaltungsvariante der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei einer Phase eines mehrphasigen Wechselrichters,

Fig. 4 den Verlauf von Strömen und Spannungen für ausgewählte Bauelemente der in Fig. 3 gezeigten Schaltung,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei einem mit zwei Phasen dargestellten, jedoch in der Regel dreiphasigen Wechselrichters, der lediglich zwei Rückspeisetransformatoren benötigt,

Fig. 6 die Anwendung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei einem Dreipunktwechselrichter,

Fig. 7 die Beschaltung einer Wechselrichterphase mit einer Reihenschaltung von einer Vielzahl von gategesteuerten Halbleitern und

Fig. 8 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung in ihrer Anwendung bei einem Gleichstromsteller.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild des Leistungskreises eines mit zwei Phasen U, V dargestellten Wechselrichters gezeigt, der aus einer Gleichspannungsquelle U _d gespeist wird. Parallel zu der Gleichspannungsquelle U _d ist ein Stützkondensator C _d geschaltet.

Die Wechselspannungsphase U weist die Reihenschaltung einer den Stromanstieg begrenzenden Drosselspule L 11 mit zwei gategesteuerten Halbleitern T 1, T 2 zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle U _d auf, wobei der Wechselspannungsphasenanschluß an eine (nicht dargestellte) Last zwischen den beiden Halbleitern T 1, T 2 vorgesehen ist. Den beiden gategesteuerten Halbleitern T 1, T 2, die hier als GTO-Thyristoren ausgebildet sind, ist jeweils eine Freilaufdiode V 1, V 2 antiparallelgeschaltet. Zusätzlich sind die beiden Halbleiter T 1, T 2 jeweils mit der Reihenschaltung eines Beschaltungskondensators C 1, C 2 und einer Beschaltungsdiode B 1, B 2 beschaltet. Der Beschaltungskondensator C 1 bzw. C 2 dient jeweils der Begrenzung des Spannungsanstiegs beim Abschalten des zugehörigen Halbleiters T 1 bzw. T 2.

In gleicher Weise ist die Wechselspannungsphase V aufgebaut, die zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle U _d die Reihenschaltung einer den Stromanstieg begrenzenden Drosselspule L 21 mit zwei gategesteuerten Halbleitern T 5, T 6 aufweist. Auch hier ist der Wechselspannungsphasenanschluß an die (nicht gezeigte) Last zwischen diesen beiden Halbleitern T 5, T 6 vorgesehen. Dem Halbleiter T 5 ist eine Freilaufdiode V 5 antiparallelgeschaltet, und er weist als Beschaltung einen den Spannungsanstieg begrenzenden Beschaltungskondensator C 5 mit einer Beschaltungsdiode B 5 auf. Der Halbleiter T 6 ist mit der Serienschaltung eines Beschaltungskondensators C 6 und einer Beschaltungsdiode B 6 beschaltet. Auch ihm ist eine antiparallelgeschaltete Freilaufdiode V 6 zugeordnet.

Die Drosselspulen L 11 bzw. L 21 dienen zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit und der daraus resultierenden Einschaltverluste der Halbleiter T 1, T 2 bzw. T 5, T 6 sowie der entsprechenden Ausschaltverluste der Freilaufdioden. Die Drosselspule L 11 bildet mit den Beschaltungskondensatoren C 1 und C 2 einen Schwingkreis, dessen Resonanzwiderstand und Schwingstrom maßgeblich von der Drosselspule L 11 bestimmt werden. In gleicher Weise ist bei der Phase V ein Schwingkreis durch die Drosselspule L 21 und die Beschaltungskondensatoren C 5, C 6 gegeben. Die in der Drosselspule L 11 gespeicherte Energie, die u. a. auch vom Wert des Laststromes abhängt, würde an den Beschaltungskondensatoren C 1 bzw. C 2 und die in der Drosselspule L 21 gespeicherte Energie würde an den Beschaltungskondensatoren C 5 bzw. C 6 zu Überspannungen führen, so daß es nötig ist, diese Energie abzuführen. Das geschieht dadurch, daß der Drosselspule L 11 die Reihenschaltung einer Entmagnetisierungsdiode D 11 und die Primärwicklung 1-2 eines ersten Transformators W 11 bzw. der Drosselspule L 21 die Reihenschaltung einer Entmagnetisierungsdiode D 21 und der Primärwicklung eines ersten Transformators W 21 parallelgeschaltet sind. Die Sekundärwicklung 5-6 des ersten Transformators W 11 der Phase U ist in Serie mit einer ersten Rückspeisediode, die in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators C _d gepolt ist, dem Stützkondensator C _d parallelgeschaltet. In gleicher Weise liegt die Sekundärwicklung des ersten Transformators W 21 der Phase V in Reihe mit einer ersten Rückspeisediode D 7, die ebenfalls in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators C _d gepolt ist, diesem Stützkondensator C _d parallel.

Mit Hilfe der ersten Transformatoren W 11, W 21, der Entmagnetisierungsdioden D 11, D 12 und der ersten Rückspeisedioden D 5, D 7 wird die Spannung an den Drosselspulen L 11, L 12 laststromunabhängig begrenzt und die gespeicherte Energie nutzbringend zur Quelle zurückgeführt.

Die ersten Rückspeisedioden D 5, D 7 sind jeweils mit einem ohmschen Widerstand R 5, R 8 und einem Kondensator C 51, C 81 R-C-beschaltet.

Zur Rückspeisung der in den Beschaltungskondensatoren C 1, C 2, C 5, C 6 gespeicherten Energie in den Stützkondensatoren C _d sind bei der Phase U die Verbindungspunkte des Beschaltungskondensators C 1 mit der Beschaltungsdiode B 1 und des Beschaltungskondensators C 2 mit der Beschaltungsdiode B 2 durch die Reihenschaltung einer Entladediode D 31 und der Primärwicklung eines zweiten Transformators W 12 verbunden. In gleicher Weise verbindet bei der Phase V die Reihenschaltung aus einer Entladediode D 41 mit der Primärwicklung eines Transformators W 22 den Verbindungspunkt des Beschaltungskondensators C 5 mit der Beschaltungsdiode B 5 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Beschaltungsdiode B 6 und dem Beschaltungskondensator C 6. Die Sekundärwicklung des zweiten Transformators W 12 der Phase U liegt mit einer in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators C _d gepolten zweiten Rückspeisediode D 6 in Reihe und ist dem Stützkondensator C _d parallelgeschaltet. Entsprechend ist die Sekundärwicklung des zweiten Transformators W 22 der Phase V in Reihe mit einer auf den positiven Pol des Stützkondensators C _d gepolten zweiten Rückspeisediode D 8 dem Stützkondensator C _d parallelgeschaltet.

Die zweiten Rückspeisedioden D 6 bzw. D 8 benötigen ebenfalls für eine sichere Funktion eine R-C-Beschaltung in Form der ohmschen Widerstände R 6, R 8 und der Kondensatoren C 61, C 81.

Die Rückspeisung der in den Beschaltungskondensatoren C 1, C 2, C 5, C 6 gespeicherten Energie erfolgt in den Stützkondensator C _d wie folgt:

Es sei der Beschaltungskondensator C 1 entladen und der Beschaltungskondensator C 2 auf die positive Spannung +U _d der speisenden Quelle aufgeladen. Bei eingeschaltetem Halbleiter T 1 fließt der Laststrom in den Wechselrichterphasenanschluß U und über die Freilaufdiode V 1. Nach dem Ausschalten des Halbleiters T 1 bleibt die Diode V 1 weiter leitend.

Wenn der Halbleiter T 2 eingeschaltet wird, beginnt der Laststrom von der Diode V 1 auf den Halbleiter T 2 zu kommutieren. Gleichzeitig entlädt sich der Beschaltungskondensator C 2 über die Entladediode D 31, die Primärwicklung des zweiten Transformators W 12, die Beschaltungsdiode B 1 und den Halbleiter T 2. Die auf der Sekundärseite des zweiten Transformators W 12 induzierte Spannung führt zu einem Stromfluß durch die zweite Rückspeisediode D 6 und damit zu einer Ladung des Stützkondensators C _d. Dieser Strom stimmt mit dem Transformatorprimärstrom, vermindert um das Übersetzungsverhältnis ü, überein. Der zeitliche Verlauf des Stromes wird von der Kapazität des Beschaltungskondensators C 2 und der Transformatorstreuinduktivität (L-C- Reihenschwingkreis) bestimmt.

Der zeitliche Verlauf der Spannung U _{C 1} am Beschaltungskondensator C 1 und des Stromes durch die Entladediode D 31 sowie des Magnetisierungsstromes i _μ des zweiten Transformators W 12 ist in Fig. 2 gezeigt. Zum Zeitpunkt t₁ ist der Beschaltungskondensator C 2 entladen und der Beschaltungsstrom wird von der Transformatorstreuinduktivität über die Beschaltungsdiode B 1, die Beschaltungsdiode B 2 und die Entladediode D 31 weitergetrieben. Die in der Streuinduktivität des zweiten Transformators W 12 gespeicherte Energie wird gegen eine Spannung abgebaut, die der Spannung am Stützkondensator C _d mal dem Übersetzungsverhältnis ü entspricht. Zum Zeitpunkt t₂ hört der Transformatorsekundärstrom auf zu fließen und nun beginnt die Abmagnetisierung der Transformatorhauptinduktivität über die Beschaltungsdiode B 1, die Beschaltungsdiode B 2 und die Entladediode D 31. Die Abmagnetisierungszeit wird von der während der Spannungszeitfläche zwischen den Zeitpunkten t₀ bis t₂ aufgenommenen Spannungszeitfläche und der Spannung am Transformator ab dem Zeitpunkt t₂ bestimmt. Diese Zeit kann verkleinert werden, wenn zu der Entladediode D 31 noch mehr Dioden in Reihe geschaltet werden. Damit sinkt dann allerdings der Rückspeisewirkungsgrad.

Die Rückspeiseschaltung arbeitet auch beim Abschalten des Halbleiters und bewirkt eine zeitweise Parallelschaltung der Beschaltungskondensatoren C 1 und C 2.

Zur Erläuterung der Funktion der Rückspeiseschaltung bei den den Stromanstieg begrenzenden Drosselspulen, also z. B. bei der Drosselspule L 11 der Phase U in Fig. 1 wird wiederum angenommen, daß die Freilaufdiode V 1 laststromführend ist, der Halbleiter T 1 ausgeschaltet und der Beschaltungskondensator C 1 entladen ist. Wird nun der Halbleiter T 2 eingeschaltet, kommutiert der Laststrom I _Last von der Freilaufdiode V 1 auf den Halbleiter T 2. Die Stromsteilheit di/dt wird von der Drosselspule L 11 und von der speisenden Gleichspannung U _d bestimmt: di/dt = U _d L 11. Gleichzeitig wird der Beschaltungskondensator C 1 über die Drosselspule L 11 aufgeladen und bildet mit dieser einen Schwingkreis, dessen Schwingkreisstrom i₀ ebenfalls durch die Drosselspule L 11 und die Spannung U _d beeinflußt wird. Der maximale Schwingkreisstrom î₀ ergibt sich damit zu

Der zeitliche Verlauf für den Strom I _{V 1} durch die Freilaufdiode V 1, den Strom I _{T 2} durch den Halbleiter T 2, den Strom I _{C 1} über den Beschaltungskondensator C 1, die Spannung U _{C 1} an diesem Kondensator, den Strom I _{L 11} durch die Drosselspule L 11, die Spannung U _{L 11} an der Drosselspule L 11 sowie der Strom I _{W 11 (5-6)} und die Spannung U _{W 11 (5-6)} an der Sekundärwicklung des ersten Transformators W 11 sind in Fig. 4 dargestellt.

Erreicht die Spannung U _{C 1} am Beschaltungskondensator C 1 den Wert U _d, kehrt sich die Spannung U _{L 11} an der Drosselspule L 11 um. Diese Spannung liegt dann wegen der leitenden Entmagnetisierungsdiode D 11 an der Primärseite 1-2 des ersten TransformatorsW 11. Überschreitet die Spannung U _{L 11} schließlich den ü-fachen Wert (ü = Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators W 11, z. B. ü = 1 : 3) der speisenden Gleichspannung U _d, kommutiert der Drosselstrom I _{L 11} vom Beschaltungskondensator C 1 in den Entmagnetisierungskreis mit der Entmagnetisierungsdiode D 11 und der Primärwicklung 1-2 des ersten Transformators W 11. Damit wird die in der Drosselspule L 11 gespeicherte Energie von der Sekundärseite 5-6 des ersten Tansformators W 11 über die erste Rückspeisediode D 5 in den Stützkondensator C _d zurückgespeist. Somit wird die Spannung am Beschaltungskondensator C 1 und damit auch am Halbleiter T 1 auf den Wert U _d + ü · U _d begrenzt.

Die Streuinduktivität des ersten Transformators W 11 bestimmt die Zeit der Kommutierung des Drosselstromes vom Beschaltungskondensator C 1 auf den ersten Transformator W 11, wobei die zugehörige Energie zunächst vom Beschaltungskondensator C 1 aufgenommen wird.

Während der Entmagnetisierungszeit der Drosselspule L 11 fließt der Strom entsprechend dem Übersetzungsverhältnis ü des ersten Transformators W 11 in den Stützkondensator C _d. Nachdem Spannung und Strom der Drosselspule L 11 zu Null geworden sind, entlädt sich der Beschaltungskondensator C 1 über den zweiten Transformator W 12 auf den Wert der speisenden Spannung U _d.

Betrachtet man die Funktion des ersten Transformators W 11 beim Abschalten des Halbleiters T 1, wenn T 1 vorher vom Laststrom I _Last durchflossen wurde, so wird sich wiederum der Beschaltungskondensator C 1 auf eine Spannung U _d + ü · U _d aufladen, um dann den Drosselstrom I _{L 11} über die Primärwicklung des ersten Transformators W 11 zu leiten, so daß damit die Energie mittels der Sekundärwicklung des ersten Transformators W 12 in den Stützkondensator C _d zurückgespeist wird.

In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Beschaltung lediglich für die Phase U eines Wechselrichters entsprechend Fig. 1 aufgezeigt, bei der der Stützkondensator parallel zur speisenden Gleichspannungsquelle U _d durch zwei Kondensatoren C _{d 11} und C _{d 12} mit jeweils halber Kapazität aufgeteilt ist.

Der erste Transformator W 11 und der zweite Transformator W 12 sind jeweils mit zwei sekundären Wicklungen kleiner Streuung ausgebildet. Dabei liegt bei dem ersten Transformator W 11 die erste Sekundärwicklung 5-6 in Reihe mit einer ersten Rückspeisediode D 51 parallel zu dem Stützkondensator C _{d 11}, während die zweite Sekundärwicklung 7-8 in Reihe mit einer ersten Rückspeisediode D 52 parallel zu dem Stützkondensator C _{d 12} angeordnet ist. Jede der beiden Rückspeisedioden D 51, D 52 ist mit einer R-C-Beschaltung versehen.

Beim zweiten Transformator W 12 liegt die eine Sekundärwicklung in Reihe mit der zweiten Rückspeisediode D 61 dem Stützkondensator C _{d 11} parallel und die zweite Sekundärwicklung in Reihe mit der zweiten Rückspeisediode D 62 dem Stützkondensator C _{d 12} parallel. Auch hier sind wiederum beide Rückspeisedioden mit einer R-C-Beschaltung versehen. Diese Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung hat den Vorteil einer sehr geringen Streuung bei den ersten und zweiten Transformatoren und erzwingt außerdem die Symmetrie der beiden in Reihe geschalteten Stützkondensatoren durch die Verwendung der jeweils beiden Sekundärwicklungen bei den Tansformatoren W 11 und W 12.

Gemäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 gehört zu jeder Phase U, V eines mehrphasigen Wechselrichters eine eigene den Stromanstieg begrenzende Drosselspule L 11, L 21. Kann man aufgrund der Zünd- und Löschbefehle für die Halbleiter T 1, T 2, T 5, T 6 in den Phasen U, V gewährleisten, daß die Drosselspule jeweils entmagnetisiert ist, bevor ein neuer Schaltbefehl erteilt wird, ist es möglich die Drosselspule zentral für alle Phasen gemeinsam in der Phasenzuleitung anzuordnen. Eine derartige Ausbildung der Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Die gemeinsame Drosselspule ist mit L 10 bezeichnet, der die Reihenschaltung einer Entmagnetisierungsdiode D 10 mit der Primärwicklung eines ersten Transformators W 10 parallelgeschaltet ist. Die Sekundärwicklung des ersten Transformators W 10 liegt wiederum in Reihe mit einer ersten Rückspeisediode D 50, die in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators C _d gepolt ist, diesem Stützkondensator C _d parallel. Die Rückspeisediode D 50 weist eine R-C-Beschaltung mit einem ohmschen Widerstand R 50 und einem Kondensator C 50 auf.

Die Funktion der zentralen Drosselspule L 10 entspricht voll den Funktionen der einzelnen Drosselspulen L 11, L 21 der Schaltung nach Fig. 1. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich hierbei jedoch, daß sich durch die Parallelschaltung der Beschaltungskondensatoren C 1, C 2 bzw. C 5, C 6 eine noch bessere Spitzenspannungsbegrenzung erreichen läßt, da sich die Energie der Streuinduktivität der Drossel L 10 nun auf mehrere Kondensatoren aufteilt.

Ist für die Entmagnetisierung der Drosselspule L 10 nur ein erster Transformator W 10 notwendig, wird der Aufwand an Transformatoren weiter verringert, wenn die zweiten Transformatoren W 12 für alle Phasen gemeinsam angeordnet sind. Dieses ist ebenfalls in Fig. 5 gezeigt, wobei den einzelnen Primärwicklungen des Transformators W 12 eine einzige gemeinsame Sekundärwicklung zugeordnet ist.

Werden zwei Zwei-Punktwechselrichter entsprechend Fig. 5 in Reihe geschaltet und verknüpft man die bisherigen Wechselspannungsphasenanschlüsse über Verbindungsdioden VD 1, VD 2, VD 3, VD 4 mit dem Mittelpunkt der speisenden beiden Gleichspannungsquellen U _{d 1}, U _{d 2}, ist es möglich, drei Spannungsniveaus am neuen Wechselspannungsphasenausgang jeweils einzustellen (Drei-Punkt- Wechselrichter). Eine Ausbildung eines derartigen Drei-Punkt-Wechselrichters ist in Fig. 6 gezeigt.

Dabei ist den beiden hintereinandergeschalteten Gleichspannungsquellen U _{d 1}, U _{d 2} jeweils ein Stützkondensator C _{d 1}, C _{d 2} parallelgeschaltet. Je Phase U, V sind vier Halbleiter T 1 bis T 4, T 5 bis T 8 an die Reihenschaltung der beiden Spannungsquellen U _{d 1}, U _{d 2} angeschlossen, wobei diesen Halbleitern T 1 bis T 8 jeweils wie üblich eine Freilaufdiode V 1 bis V 8 antiparallel und ein in Serie mit einer Beschaltungsdiode B 1 . . . B 8 liegender Beschaltungskondensator C 1 bis C 8 parallelgeschaltet sind. Je Phase ist der Verbindungspunkt eines Halbleiterpaares T 1, T 2 bzw. T 3, T 4 bzw. T 5, T 6 bzw. T 7, T 8 über die in Richtung auf den positiven Pol des zugeordneten Stützkondensators C _{d 1}, C _{d 2} gepolte Verbindungsdiode VD 1 bzw. VD 2 bzw. VD 3 bzw. VD 4 mit dem Verbindungspunkt der Stützkondensatoren C _{d 1}, C _{d 2} als Nullpunkt verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Halbleiterpaaren jeder Phase ist als Wechselspannungsphasenanschluß für die (wiederum nicht gezeigte) Last ausgebildet. In den Plus- bzw. Minuspolzuleitungen zu den Phasen U, V ist jeweils eine einem der Stützkondensatoren C _{d 1}, C _{d 2} zugeordnete, den Stromanstieg begrenzende Drosselspule L 10, L 20 vorgesehen, der jeweils die Reihenschaltung der Primärwicklung des ersten Transformators W 10, W 20 mit der Entmagnetisierungsdiode D 10, D 20 parallelgeschaltet ist. Die Sekundärwicklung jedes ersten Transformators W 10, W 20 liegt in Reihe mit der in Richtung auf den positiven Pol des jeweils zugeordneten Stützkondensators C _{d 1}, C _{d 2} gepolten ersten Rückspeisediode D 501, D 502 dem jeweiligen Stützkondensator C _{d 1}, C _{d 2} parallel. Die Verbindungspunkte zwischen den Beschaltungsdioden B 1 bis B 8 und den Beschaltungskondensatoren C 1 bis C 8 benachbarter Halbleiter T 1, T 2; T 3, T 4; T 5, T 6; T 7, T 8 sind paarweise durch die Reihenschaltung einer Entladediode D 31, D 32, D 41, D 42 mit je einer Primärwicklung 1-2 bzw. 3-4 des zweiten Transformators W 12, W 22 verbunden. Je Phase U, V weist dieser zweite Transformator W 12, W 22 eine einzige Sekundärwicklung 5-6 auf, die in Reihe mit der zweiten Rückspeisediode D 6, D 8 parallel zu der Reihenschaltung der beiden Stützkondensatoren C _{d 1}, C _{d 2} geschaltet ist.

Die Anordnung der den Stromanstieg begrenzenden Drosselspulen L 10, L 20 in den gemeinsamen Phasenzuleitungen ermöglicht die Anwendung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei Drei-Punkt-Wechselrichtern auf vorteilhafte Weise, da der Aufwand hier besonders gering gehalten werden kann. Außerdem wird die Spannungsbelastung der Halbleiter T 1 bis T 8 auf etwa U _d/2+ü · U _d/2 begrenzt.

Fig. 7 zeigt die Ausbildung einer Wechselrichterphase U, bei der wegen einer verhältnismäßig hohen anliegenden Gleichspannung U _d mehrere Halbleiter T 11 bis T 23 in Reihe geschaltet werden müssen. Den Halbleitern T 11 bis T 23 liegen wie üblich Freilaufdioden V 11 bis V 23 parallel, wobei jeder Halbleiter T 11 bis T 23 mit der Reihenschaltung eines Beschaltungskondensators C 11 bis C 23 und einer Beschaltungsdiode B 11 bis B 23 beschaltet ist. Zur sinnvollen Abfuhr der in den Schaltungskondensatoren C 11 bis C 23 gespeicherten Beschaltungsenergie in die Reihenschaltung der der Spannungsquelle U _d parallelgeschalteten Stützkondensatoren C _{d 11} und C _{d 12} sind die Verbindungspunkte zwischen den Beschaltungsdioden B 11 bis B 23 und den Beschaltungskondensatoren C 11 bis C 23 jeweils paarweise durch die Reihenschaltung einer Entladediode D 30, D 31, D 32 mit einer Primärwicklung des zweiten Transformators W 12 verbunden. Für den zweiten Transformator W 12 ist dann lediglich eine gemeinsame Sekundärwicklung vorgesehen, die in Reihe mit einer zweiten Rückspeisediode D 6 der Reihenschaltung der beiden Stützkondensatoren C _{d 11} und C _{d 12} parallel liegt.

Ist es zur Symmetrierung der Ein- und Ausschaltvorgänge notwendig, je eine den Stromanstieg begrenzende Drosselspule L 11 bzw. L 12 in die Plus- und Minuszuleitung jeder Phase zu legen, so kann die Entmagnetisierung dieser Drosseln mit einem ersten Transformator W 11 realisiert werden, dessen Primärseiten 1-2 bzw. 3-4 über Entmagnetisierungsdioden D 11 bis D 12 parallel zu den Drosselspulen L 11 bis L 12 liegen, der jedoch je Stützkondensator C _{d 11} bzw. C _{d 12} lediglich eine Sekundärwicklung 5-6 bzw. 7-8 besitzt, die über die ersten Rückspeisedioden D 51 bis D 52 die Energie der Drosseln in die Stützkondensatoren C _{d 11} bzw. C _{d 12} zurückliefern.

In Fig. 8 ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einem Gleichstromsteller gezeigt. Der Gleichstromsteller weist einen gategesteuerten Halbleiter T 9 auf, der den Strom für eine aus einer Gleichspannungsquelle U _d gespeisten Last M stellt. Die Last M ist durch eine Freilaufdiode V 9 überbrückt. In die Zuleitung zu der Last ist eine den Stromanstieg begrenzende Drosselspule L 90 geschaltet. Zur Rückspeisung der in dieser Drosselspule L 90 gespeicherten Beschaltungsenergie ist der Drosselspule die Reihenschaltung einer Entmagnetisierungsdiode D 90 mit der Primärwicklung eines ersten Transformators W 91 parallelgeschaltet. Die Sekundärwicklung dieses ersten Transformators W 91 liegt in Reihe mit einer ersten Rückspeisediode D 93, die in Richtung auf den positiven Pol eines Stützkondensators C _d gepolt ist, diesem Stützkondensator parallel.

Der Halbleiter T 9 ist wiederum mit einer Beschaltungsdiode B 9 und einem in Reihe mit dieser liegenden Beschaltungskondensator C 9 beschaltet. Zur Abfuhr der Beschaltungsenergie des den Spannungsanstieg über dem Halbleiter T 9 begrenzenden Schaltungskondensator C 9 ist die Primärwicklung eines zweiten Transformators W 92 in Reihe mit Entladedioden D 91, D 92 der Beschaltungsdiode B 9 antiparallelgeschaltet. Die Sekundärwicklung des zweiten Transformators W 92 ist dem Stützkondensator C _d in Reihe mit einer zweiten Rückspeisediode D 94 parallelgeschaltet. Die Rückspeisedioden D 93 bzw. D 94 weisen jeweils R-C-Beschaltungen aus den ohmschen Widerständen R 93, R 94 und den Kondensatoren C 93, C 94 auf.

Neben der nutzbringenden Rückspeisung der Beschaltungsenergie und damit bedingt, der Verbesserung des Wirkungsgrades und der möglichen Erhöhung der Schaltfrequenz, ist, wie in den Beispielen zuvor gezeigt wurde, durch den Einsatz der Schaltung nach der Erfindung eine Verringerung des Aufwands und damit gekoppelt eine Verringerung des Bauvolumens, insbesondere bei Wechselrichtern und Choppern, möglich, wenn Transformatorwicklungen und/oder Drosselspulen für mehrere Phasen zusammengefaßt sind. Entsprechend erhöht sich die Zuverlässigkeit.

Claims

1. Schaltungsanordnung für gategesteuerte Halbleiter eines aus einer mit einem Stützkondensator versehenen Gleichspannungsquelle gespeisten ein- oder mehrphasigen Wechselrichters mit den Stromanstieg begrenzenden Drosselspulen, bei dem

- je Wechselspannungsphase zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle zumindest zwei Halbleiter hintereinandergeschaltet sind und zwischen ihnen der Wechselspannungsphasenanschluß vorgesehen ist,
- den Halbleitern jeweils eine Freilaufdiode antiparallel und ein den Spannungsanstieg begrenzender Beschaltungskondensator in Reihe mit einer am Wechselspannungsphasenanschluß angeschlossenen Beschaltungsdiode parallelgeschaltet sind,
- die Verbindungspunkte zwischen dem Beschaltungskondensator und der Beschaltungsdiode der Halbleiter durch die Reihenschaltung einer Entladediode mit der Primärwicklung eines zweiten Transformators verbunden sind und
- die Sekundärwicklung des zweiten Transformators in Reihe mit einer zweiten in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators gepolten Rückspeisediode dem Stützkondensator parallelgeschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die den Stromanstieg begrenzenden Drosselspulen (11, 21) zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter angeordnet sind und daß je Wechselspannungsphase (U, V)

- jeder den Stromanstieg begrenzenden Drosselspule (L 11, L 21) die Reihenschaltung der Primärwicklung eines ersten Transformators (W 11, W 21) mit einer Entmagnetisierungsdiode (D 11, (D 21) paralellgeschaltet ist,
- die Sekundärwicklung des ersten Transformators (W 11, W 21) in Reihe mit einer in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators (C _d) gepolten ersten Rückspeisediode (D 5, D 7) dem Stützkondensator (C _d) parallelgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den ersten und zweiten Rückspeisedioden (D 5, D 7; D 6, D 8) jeweils die Reihenschaltung eines Kondensators (C 51 . . . C 81) und eines ohmschen Widerstands (R 5 . . . R 8) parallelgeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ersten und/oder zweiten Rückspeisedioden (D 5, D 6, D 7, D 8) und/oder den Entladedioden (D 31, D 41) jeweils zumindest eine weitere Diode in Reihe geschaltet ist (Fig. 1).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine allen Wechselspannungsphasen (U, V) gemeinsame den Stromanstieg begrenzende Drosselspule (L 10) in die gemeinsame Verbindung zwischen Stützkondensator (C _d) und den Wechselspannungsphasen gelegt ist,
daß dieser Drosselspule (L 10) die Reihenschaltung der Primärwicklung eines Transformators (W 10) und einer Entmagnetisierungsdiode (D 10) parallelgeschaltet ist und
daß die Sekundärwicklung dieses Transformators (W 10) in Serie mit einer in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators (C _d) gepolten Rückspeisediode (D 50) dem Stützkondensator (C _d) parallelgeschaltet ist (Fig. 5).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung zweier, parallel zur Gleichspannungsquelle (U _d) in Reihe geschalteter Stützkondensatoren (C _{d 11}, C _{d 12}) der erste und/oder der zweite Transformator (W 11, W 12) jeder Wechselspannungsphase mit zwei Sekundärwicklungen (5-6, 7-8) ausgestattet ist, die jeweils in Reihe mit einer in Richtung auf den positiven Pol des jeweiligen Stützkondensators (C _{d 11}, C _{d 12}) gepolten Rückspeisediode (D 51, D 52; D 61, D 62) einem der Stützkondensatoren (C _{d 11}, C _{d 12}) parallelgeschaltet sind (Fig. 3).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (W 12) jeweils für alle Wechselspannungsphasen (U, V) mit einer gemeinsamen Sekundärwicklung ausgebildet sind (Fig. 5).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wechselrichter mit drei Schaltzuständen (3-Punkt-Wechselrichter) bei dem

a) zwei Spannungsquellen (U _{d 1}, U _{d 2}) mit jeweils einem parallelgeschalteten Stützkondensator (C _{d 1}, C _{d 2}) in Reihe geschaltet sind,
b) je Phase (U, V) vier Halbleiter (T 1 . . . T 8) an die Reihenschaltung der beiden Spannungsquellen (U _{d 1}, U _{d 2}) angeschlossen sind, diesen Halbleitern (T 1 . . . T 8) jeweils eine Freilaufdiode (V 1 . . . V 8) antiparallel und ein in Serie mit einer Beschaltungsdiode (B 1 . . . B 8) liegender Beschaltungskondensator (C 1 . . . C 8) parallelgeschaltet sind,
c) je Phase der Verbindungspunkt eines Halbleiterpaares (T 1, T 2; T 3, T 4; T 5, T 6; T 7, T 8) über eine in Richtung auf den positiven Pol des zugeordneten Stützkondensators (C _{d 1}, C _{d 2}) gepolte Verbindungsdiode (VD 1; VD 2; VD 3; VD 4) mit dem Verbindungspunkt der Stützkondensatoren (C _{d 1}, C _{d 2}) als Nullpunkt verbunden ist und
d) der Verbindungspunkt zwischen den beiden Halbleiterpaaren als Wechselspannungsphasenanschluß (U, V) ausgebildet ist,
- - eine je einem der Stützkondensatoren (C _{d 1}, C _{d 2}) zugeordnete, den Stromanstieg begrenzende Drosselspule (L 10, L 20) in den Plus- bzw. Minuspolzuleitungen zu den Phasen (U, V) vorgesehen ist, der jeweils die Reihenschaltung der Primärwicklung des ersten Transformators (W 10, W 20) mit der Entmagnetisierungsdiode (D 10, D 20) parallelgeschaltet ist,
- - die Sekundärwicklung jedes ersten Transformators (W 10, W 20) in Reihe mit der in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators (C _{d 1} bzw. C _{d 2}) gepolten ersten Rückspeisediode (D 501, D 502) dem jeweiligen Stützkondensator (C _{d 1} , C _{d 2}) parallelgeschaltet ist,
- - je Phase (U, V) paarweise die Verbindungspunkte zwischen den Beschaltungsdioden (B 1 . . . B 8) und den Beschaltungskondensatoren (C 1 . . . C 8) benachbarter Halbleiter (T 1, T 2; T 3, T 4; T 5, T 6; T 7, T 8) durch die Reihenschaltung einer Entladediode (D 31, D 32, D 41, D 42) mit je einer Primärwicklung (1-2; 3-4) des zweiten Transformators (W 12, W 22) verbunden sind und
- - je Phase (U, V) dieser zweite Transformator (W 12, W 22) eine einzige Sekundärwicklung (5-6) aufweist, die in Reihe mit der zweiten Rückspeisediode (D 6, D 8) parallel zu der Reihenschaltung der beiden Stützkondensatoren (C _{d 1} , C _{d 2}) geschaltet ist (Fig. 6).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung je einer den Stromanstieg begrenzenden Drosselspule (L 11, L 21) in der Plus- bzw. Minuspolzuleitung zu jeder Phase (U, V) eine gemeinsame Sekundärwicklung zu den den Drosselspulen (L 11, L 21) jeweils in Serie mit einer ersten Entladediode (D 11, D 21) parallelgeschalteten Primärwicklungen des ersten Transformators (W 11) vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung für gategesteuerte Halbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reihenschaltung mehrerer Halbleiter (Fig. 7) die Energie von jeweils zwei Beschaltungskondensatoren (C 11 . . . C 13 C 21 . . . C 23) über jeweils eine Primärwicklung eines Transformators (W 12) mit gemeinsamer Sekundärwicklung in den Stützkondensator bzw. in die Stützkondensatoren (C _{d 11}, C _{d 12}) rückspeisbar ist.

10. Schaltungsanordnung für gategesteuerte Halbleiter bei Verwendung in einem Gleichstromsteller, der mit einer mit einem Stützkondensator versehenen Gleichspannungsquelle verbunden ist und über eine den Stromanstieg begrenzende Drosselspule eine Last speist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Drosselspule (L 90) die Reihenschaltung der Primärwicklung eines esten Transformators (W 91) mit einer Entmagnetisierungsdiode (D 90) parallelgeschaltet ist,
- die Sekundärwicklung des ersten Transformator (W 91) in Reihe mit einer in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators (C _d) gepolten ersten Rückspeisediode (D 93) dem Stützkondensator (C _d) parallelgeschaltet ist,
- einer in Reihe mit einem Beschaltungskondensator (C 9) parallel zu dem den Strom stellenden Halbleiter (T 9) liegenden Beschaltungsdiode (B 9) antiparallel die Reihenschaltung einer Primärwicklung eines zweiten Transformators (W 92) mit einer oder mehreren Entladedioden (D 91, D 92) geschaltet ist und
- die Sekundärwicklung des zweiten Transformators (W 90) in Serie mit einer in Richtung auf den positiven Pol des Stützkondensators (C _d) gepolten zweiten Rückspeisediode (D 94) parallel zum Stützkondensator (C _d) angeordnet ist (Fig. 8).