DE3901034C1 - Inverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, der Gleich­ strom aus einer Gleichstromquelle in einen mindest ein­ phasigen Wechselstrom wandelt, mit zwei Halbleiterschalt­ elementen für jede Phase, die in Reihe zwischen die beiden Pole der Gleichstromquelle geschaltet sind, wobei zu jedem Halbleiterschaltelement eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist, die in Bezug auf die Gleich­ stromquelle in Sperrichtung angeordnet ist, und ein Wech­ selstromausgang zwischen den beiden Halbleiterschalt­ elementen angeordnet ist, und mit einer Steuerschaltung zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente mit einem pulsbreitenmodulierten Ansteuerungssignal, wobei die Steuerschaltung mit dem Ansteuerungssignal nur das Halb­ leiterschaltelement einer Phase in einen Durchgangszu­ stand steuert, das denjenigen Pol der Gleichstromquelle mit dem Wechselstromausgang verbindet, dessen Polarität der Polarität des am Wechselstromausgang fließenden Stroms entspricht, und das andere Halbleiterschaltelement sperrt.

Ein Wechselrichter mit diesen Merkmalen ist durch die US-PS 46 17 622 bekannt, dieser wird mit einem pulsbreitenmodulierten Signal von einer Steuer­ schaltung angesteuert. Das Signal dieser Steuerschaltung kann die logischen Werte Null und Eins annehmen. Beim Wert Eins wird das mit dem Pluspol der Gleichstromquelle verbundene Halbleiterschaltelement in einen leitenden Zustand und das mit dem Minuspol verbundene Halbleiter­ schaltelement in einen gesperrten Zustand gesteuert, beim Wert Null ist es umgekehrt. Die Ansteuerung ge­ schieht dabei über die ansteigende bzw. abfallende Flanke des Ansteuersignals. Das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der Zeitdauer in einer Periode, in der das Signal den Wert Eins hat, zu der gesamten Periodenlänge, bestimmt die Spannung am Wechselstromausgang. Die Span­ nung am Wechselstromausgang, bezogen auf die Spannung am negativen Pol der Gleichstromquelle, entspricht der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Polen der Gleich­ stromquelle multipliziert mit dem Tastverhältnis. Ist beispielsweise die Gleichstromquelle symmetrisch aufge­ baut, d. h. ist die Spannung am negativen Pol betragsmäßig genau so groß wie die Spannung am positiven Pol, ergibt sich bei einem Tastverhältnis von 0,5 am Wechselstrom­ ausgang die Spannung Null. Durch zeitliche Variation des Tastverhältnisses, z. B. in Form einer Sinuskurve, läßt sich eine zeitliche Variation der Ausgangsspannung des Wechselrichters erreichen, vorausgesetzt, daß die Periodendauer der Pulsbreitenmodulation wesentlich kürzer ist als die Periodendauer der Sinuskurve. Mit anderen Worten muß die Modulationsfrequenz wesentlich größer sein als die Wechselstromfrequenz.

Im idealen Fall ist die Wechselrichterausgangsspannung genau proportional zum Tastverhältnis des pulsbreiten­ modulierten Signals. Im realen Fall benötigen jedoch alle steuerbaren Halbleiterschaltelemente eine gewisse Zeit zum Ausschalten. Diese Ausschaltzeit rechnet von dem Zeitpunkt, an dem das Schaltelement durch das An­ steuerungssignal in den abgeschalteten Zustand versetzt werden soll, z. B. durch einen Übergang vom Wert Eins auf den Wert Null, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Stromfluß durch das Schaltelement verschwindet, d. h. das Schaltelement tatsächlich gesperrt ist. Demgegenüber ist die Anschaltzeit, d. h. die Zeit vom Eintreffen des "Ansteuer"-Signals, z. B. durch eine ansteigende Flanke des Ansteuerungssignals vom Wert Null auf den Wert Eins, bis zum Erreichen des vollen Stromflusses bedeutend kür­ zer. Diese Erscheinung ist besonders bei bestimmten Typen von bipolaren Transistoren ausgeprägt.

Beim Wechselrichter nach US-PS 46 17 622 ist deswegen in der Steuerleitung vor jedem Halbleiterschaltelement eine Verzögerungseinrichtung angeordnet, die das Zünden, d. h. das Öffnen oder Durchschalten, des Halbleiterschalt­ elements um eine Zeit verzögert, die mindestens genau so groß sein muß wie die Ausschaltzeit des anderen Schaltelements. Wäre die Verzögerungszeit kürzer, würde das eine Schaltelement aufgesteuert werden, während das andere noch nicht geschlossen ist und es entstünde bei jedem Schalten ein Kurzschluß zwischen den beiden Polen der Gleichstromquelle. Zur Vermeidung von uner­ wünschten Oberwellen ist ein weiteres Verzögerungsglied in den Signalweg des pulsbreitenmodulierten Ansteuerungs­ signals eingebaut, dessen Verzögerung variabel ist, wobei die Verzögerung proportional zum Belastungsstrom vermindert wird. Dabei erfolgt die Verzögerung bei positivem Strom nur an der abfallenden Flanke und bei negativem Strom nur an der ansteigenden Flanke. Dieses System eignet sich besonders gut dafür, eine lineare Stromabhängigkeit in der Aus­ schaltzeit des Halbleiters auszukompensieren.

Die Ausschaltzeiten der Halbleiterschaltelemente variie­ ren über einen großen Bereich, der von vielen Faktoren abhängt, u. a. vom Typ und dem Fabrikat des Halbleiters, von statistischen Streuungen, d. h. Unterschiede zwischen einzelnen Exemplaren von Halbleitern des gleichen Typs und des gleichen Fabrikats, von Temperaturveränderungen, wobei die Ausschaltzeit mit steigender Temperatur erhöht wird, und vom Belastungsstrom. Außerdem muß eine gewisse Sicherheitsmarke vorhanden sein, wodurch die Zündverzöge­ rung in den meisten Betriebssituationen wesentlich größer ist als die tatsächliche Ausschaltzeit der Halbleitern. Üblicherweise verzögert jede Verzögerungseinrichtung das Ansteuerungssignal um eine Zeit, die drei- bis vier­ mal größer ist als die tatsächliche Ausschaltzeit des Halbleiters.

Durch die zu große Verzögerung wird jedoch bewirkt, daß das tatsächliche Tastverhältnis nicht mehr dem ge­ wünschten Tastverhältnis entspricht. Dementsprechend folgt die Wechselrichterausgangsspannung nicht mehr exakt dem vorgegebenen Verlauf, sondern ist bei positi­ ver Stromrichtung am Wechselstromausgang kleiner, bei negativer Stromrichtung am Wechselstromausgang dagegen größer als gewünscht. Positive Stromrichtung bedeutet dabei, daß der Strom bei geöffnetem bzw. durchgeschal­ tetem Schaltelement aus dem Wechselstromausgang heraus­ fließt, negative Stromrichtung, daß er in den Wechsel­ stromausgang hineinfließt. Bei einer ohmschen Belastung des Wechselrichters, d. h. keiner Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung (cos Φ=1), verringert sich daher die Amplitude der Ausgangswechselspannung gegenüber dem vorgegebenen Wert, während bei einer induk­ tiven Belastung (cos Φ=0) die Amplitude der Ausgangs­ spannung der vorgegebenen Spannung entspricht.

Diese Erscheinung ist besonders beim Betrieb von Asyn­ chronmotoren mit variabler Frequenz von Nachteil. Insbe­ sondere bei niedrigen Frequenzen, wo auch die Amplitude der Spannung der Grundwelle niedrig ist, wird selbst ein kleiner Spannungsverlust als störend empfunden, weil das Drehmoment des Motors bei zu niedriger Span­ nung sehr stark reduziert wird. Bekanntlich ist aber besonders beim Start aus dem Stillstand ein hohes Drehmo­ ment erwünscht. Normalerweise wird das Problem dadurch behoben, daß man das Tastverhältnis des pulsbreitenmodu­ lierten Ansteuerungssignals in der Steuerschaltung korri­ giert, so daß die Spannung erhöht wird. Hierdurch wird zwar das Problem des zu niedrigen Drehmoments behoben, dafür wird aber dem Motor zu hohe Spannung im unbelaste­ ten Zustand zugeführt, da cos Φ abfällt, wenn das Drehmo­ ment reduziert wird. Dies wiederum bewirkt, daß der Motor bei niedriger Frequenz einen unangemessen hohen Leerlaufstrom zieht, wodurch die Gefahr der Überhitzung besteht. Eine herkömmliche IXR-Kompensierung, bei der die Spannung in Abhängigkeit vom Belastungsstrom erhöht wird, löst das Problem nicht, da kein eindeutiger Zusam­ menhang zwischen Strom und cos Φ besteht. Man hat weiter­ hin versucht, die Modulationsfrequenz des pulsbrei­ tenmodulierten Ansteuerungssignal zu vermindern. Dies führt jedoch zu höheren Verlusten und stärkeren Ge­ räuschen im Motor, so daß weiterhin bevorzugt wird, die Modulationsfrequenz so groß wie möglich zu halten.

Es ist deswegen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wechselrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der unabhängig von dem durch die Last vorgegebenen cos Φ und unabhängig von der Stromrichtung die vorgegebenen Ausgangsspannung erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung Sperreinrichtungen aufweist, die von einer Steuerlogik in Abhängigkeit von der Polarität des Stromes am Wechselstromausgang entweder zum Durch­ steuern des Ansteuerungssignals an das Halbleiterschalt­ element freizugeben oder gesperrt werden, unabhängig von dem Ansteuerungssignal.

Erfindungsgemäß können also keine Kurzschlüsse mehr zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Gleich­ stromquelle auftreten. Dementsprechend können die Halb­ leiterschaltelemente ohne Berücksichtigung einer mög­ licherweise auftretenden Kurzschlußsituation gesteuert werden. Es ist deswegen nicht notwendig, eine das Tast­ verhältnis verändernde übermäßig lange Verzögerung in den Signalpfad des Ansteuerungssignals einzubauen, wo­ durch die Ausgangsspannung genaueer dem gewünschten Ver­ lauf folgen kann. Da keine Spannungsverluste entstehen, gibt es auch keine Abhängigkeit dieser Verluste vom cos Φ oder von der Stromrichtung. Wenn eine Sperreinrich­ tung freigegeben wird, öffnet sie einen Signalpfad für das Ansteuerungssignal, das dann die Steuerelektrode des Halbleiterschaltelements beaufschlagen kann. Durch diese Ausführungsform läßt sich eine sehr einfache Steuerung der Wechselrichterschaltung realisieren. Das Ansteuerungssignal kann erzeugt werden, wie bisher auch. Es sind keine komplizierten Änderungen am Ansteuerungs­ signalgenerator notwendig. Das Ansteuerungssignal wird, falls dies aufgrund des Betriebszustandes der Schaltung nicht erwünscht ist, einfach nicht zum Halbleiterschalt­ element durchgelassen.

Vorteilhafterweise sind die Sperreinrichtungen als UND- Gatter ausgebildet, deren Ausgang jeweils mit der Steuer­ elektrode des zugeordneten Halbleiterschaltelements in Verbindung steht, deren einer Eingang von dem Ansteue­ rungssignal für das zugeordnete Halbleiterschaltelement und deren anderer Eingang von einem Ausgangssignal der Steuerlogik beaufschlagt ist. UND-Gatter lassen sich besonders einfach als Sperreinrichtungen verwenden. Solange der eine Eingang mit einem entsprechenden Signal beaufschlagt ist, beispielsweise einer logischen Eins, erscheint am Ausgang der Signalverlauf am anderen Ein­ gang. Wird dem UND-Gatter dagegen am ersten Eingang der logische Wert Null zugeführt, erscheint auch am Ausgang der Wert Null, unabhängig vom Signalverlauf am anderen Eingang.

Mit Vorteil ist zwischen jeder Sperreinrichtung und dem zugeordneten Halbleiterschaltelement jeweils eine Verzögerungseinrichtung angeordnet, die den Teil des Ansteuerungssignals, der das Aufsteuern des Halbleiter­ schaltelements bewirkt, um eine vorbestimmte Verzöge­ rungszeit verzögert. Der Teil des Ansteuerungssignals, der das Aufsteuern des Halbleiterschaltelements bewirkt, ist bei dem Halbleiterschaltelement, der den positiven Pol der Gleichstromquelle mit dem Wechselstromausgang verbindet, beispielsweise die ansteigende Flanke, bei dem anderen Halbleiterschaltelement, der den negativen Pol der Gleichstromquelle mit dem Wechselstromausgang verbindet, beispielsweise die abfallende Flanke des Ansteuerungssignal. Diese Ausgestaltung hat den folgen­ den Vorteil: Wenn die Einschaltzeit, d. h. die Zeit vom Eintreffen der betreffenden Flanke des Ansteuerungssig­ nals bis zum vollen Stromfluß, wesentlich kürzer ist, als die Ausschaltzeit, würde das Tastverhältnis größer werden als gewünscht mit der Folge, daß eine zu hohe Ausgangsspannung am Wechselrichterausgang anstehen würde. Durch das Einbauen einer Verzögerungszeit kann diese Erscheinung weitgehend kompensiert werden.

Vorteilhafterweise sind die Verzögerungseinrichtungen zwischen einer kürzeren und einer längeren Verzögerungs­ zeit umschaltbar. Wie oben bereits angeführt, hängt die Ausschaltzeit u. a. von der Stromstärke ab. Je nach Belastung kann dann beispielsweise eine kürzere oder eine längere Verzögerungszeit als Ausschaltkompensie­ rungszeit gewählt werden, wenn die Abhängigkeit der Ausschaltzeit von unterschiedlichen Stromstärken in Betracht gezogen werden soll.

Besonders bevorzugt ist aber, daß die Umschaltung durch die Steuerlogik in Abhängigkeit von der Polarität des Stromes am Wechselstromausgang erfolgt, wobei die Verzö­ gerungseinrichtung des in den Durchgangszustand zu steuernden Halbleiterschaltelements auf die kürzere Verzögerungszeit umgeschaltet wird. Hierdurch wird er­ reicht, daß immer das Schaltelement, das augenblicklich leiten soll, mit der kürzeren Verzögerungszeit beauf­ schlagt wird. Sollte durch einen Fehler das andere Halb­ leiterschaltelement beim nächsten Wechsel des Pegels des Ansteuerungssignals, also bei einer ansteigenden oder abfallenden Flanke, durchgeschaltet werden, so erfolgt die Durchschaltung dort über eine entsprechende längere Verzögerungszeit, so daß auch hier eine Kurz­ schlußsituation zuverlässig vermieden werden kann.

In einem engen Strombereich um Null ist es oft schwer festzustellen, welche Polarität der Strom hat. Aus diesem Grund ergibt die Steuerlogik bei einem Strombetrag des Wechselstroms in einen vorgegebenen Bereich oberhalb und unterhalb von Null die Sperreinrichtungen beider Halbleiterschaltelemente frei. Folglich werden beide Schaltelemente mit Ansteuerungssignalen versorgt. Ver­ luste sind hierbei nicht zu befürchten, da der Strom praktisch gleich Null ist.

Dabei ist von Vorteil, daß die Steuerlogik die Verzöge­ rungseinrichtungen auf die längere Verzögerungszeit umschaltet, wenn beide Sperreinrichtungen freigegeben werden. Aus Sicherheitsgründen kann dann das eine Halb­ leiterschaltelement erst dann durchzünden, wenn das andere zuverlässig geschlossen ist. Die Verluste, die dabei entstehen können, spielen aber, wie oben gesagt, ohnehin keine Rolle, da praktisch kein Strom fließt.

Mit Vorteil weist die Steuerlogik eine Einrichtung zum Erfassen von Richtung und Betrag des am Wechselstromaus­ gang fließenden Stroms und eine Vergleichseinrichtung auf, die für eine der beiden Sperreinrichtungen ein Freigabesignal erzeugt, wenn der Strom nicht kleiner als Null ist, und für die andere Sperreinrichtung ein Freigabesignal erzeugt, wenn der Strom nicht größer als Null ist. Beide Signale werden also erzeugt, wenn der Strom etwa gleich Null ist. Dadurch wird auf einfache Weise erreicht, daß in dem engen Bereich des Strombetra­ ges um Null herum beide Halbleiterschaltelemente schal­ ten.

Bevorzugterweise schaltet dabei das Freigabesignal für die Sperreinrichtung des einen Halbleiterschaltelements die Verzögerungseinrichtung des anderen Halbleiterschalt­ elements von der kürzeren auf die längere Verzögerungs­ zeit um. Dies hat zur Folge, daß in dem Augenblick, wo beide Halbleiterschaltelemente mit Ansteuerungssig­ nalen versorgt werden können, da beide Sperreinrichtun­ gen freigegeben sind, auch immer die längere Verzöge­ rungszeit eingeschaltet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Wechsel­ richter einen dreiphasigen Wechselstrom, dessen Phasen jeweils um 120° elektrisch verschoben sind. Diese Ausführungsform läßt sich besonders vorteilhaft bei 3-phasigen Drehstrommotoren, insbesondere Asynchronma­ schinen, verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur darin zeigt einen ein­ phasigen Wechselrichter.

Der Wechselrichter weist zwei Halbleiterschaltelemente 1, 2 auf, die zwischen die beiden Pole U ₊, U _- einer Gleichstromquelle in Reihe geschaltet sind. Parallel zu jedem Halbleiterelement 1, 2 ist jeweils eine Freilaufdiode 3, 4 angeordnet. Beide Freilaufdioden 3, 4 sind in Bezug auf die Spannungsrichtung der Gleich­ stromquelle in Sperrichtung gepolt. Zwischen den beiden Halbleiterschaltelementen kann ein Wechselstrom am Wech­ selstromausgang 5 abgenommen werden.

Jedes Halbleiterschaltelement 1, 2 wird über eine Steuer­ schaltung 6 mit einem Ansteuerungssignal versorgt. Die Steuerschaltung 6 weist einen Ansteuerungssignalgenerator 7 auf, der das Ansteuerungssignal 11 erzeugt. Dieses Ansteuerungssignal ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit zwei logischen Werten Null und Eins. Das eine Halb­ leiterschaltelement 1, das den positiven Pol U ₊ der Gleichstromquelle mit dem Wechselstromausgang 5 verbin­ det, wird durch einen Wechsel des Ansteurungssignals vom Pegel Null auf den Pegel Eins in einen leitenden Zustand versetzt, d. h. gezündet oder durchgesteuert, während das andere Halbleiterschaltelement 2, das den negativen Pol U _- der Gleichstromquelle mit dem Wechsel­ stromausgang 5 verbindet, von einem Wechsel des Pegels von Eins auf Null gezündet oder durchgesteuert wird. Nach dem Zünden bleibt das gesteuerte Halbleiterschalt­ element 1, 2 solange für Strom durchgängig oder geöff­ net, bis das Ansteuerungssignal erneut den Pegel wech­ selt, d. h. beim Halbleiterschaltelement 1 vom Wert Eins auf den Wert Null zurückkehrt bzw. beim Halbleiterschalt­ element 2 vom Wert Null auf den Wert Eins zurückkehrt. Um jeweils gleiche Halbleiterschaltelemente verwenden zu können, wird das Ansteuerungssignal für das Halblei­ terschaltelement 2 durch einen Inverter 19 invertiert. Die abfallende bzw. ansteigende Flanke sperrt das jewei­ lige Halbleiterschaltelement 1, 2 aber nicht unmittelbar, sondern leitet erst die Sperrung ein. Vom Auftreten dieser Flanke bis zum tatsächlichen Sperren, d. h. dem Aufhören jeglichen Stromflusses durch das jeweilige Halbleiterelement, vergeht die sogenannte "Ausschalt­ zeit".

Das Ansteuerungssignal 11 wird nicht direkt an die elektroden der Halbleiterschaltelemente angelegt. Jedem Halbleiterschaltelement ist eine Zündverzögerungseinrich­ tung 12, 13 zugeordnet, die mit der Steuerelektrode des jeweiligen Halbleiterschaltelements 1, 2 verbunden ist. Die Zündverzögerungseinrichtung 12, 13 empfängt ihr Eingangssignal von Sperreinrichtung 8, 9, die als UND-Gatter ausgebildet sind. Jedes Gatter hat zwei Ein­ gänge, von denen einer mit dem Ansteuersignal 11 aus dem Ansteuersignal des Generators 7 versorgt wird. Der andere Eingang der Sperreinrichtungen 8, 9 ist mit einer Steuerlogik 10 verbunden. Die Steuerlogik 10 erzeugt auf einem Ausgang 17 ein Signal mit dem Wert logisch Eins, wenn der Strom nicht kleiner als Null ist, d. h. größer oder gleich Null. Dieses Signal wird dem anderen Eingang der Sperreinrichtung 8 für den mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbundenen Halbleiterschalt­ element 1 zugeführt. Der andere Ausgang der Steuerlogik 10 führt ein Signal logisch Eins, wenn der Strom nicht größer als Null ist, d. h. kleiner oder gleich Null. Dieses Signal wird der Sperreinrichtung 9 für den mit dem negativen Pol in der Gleichstromquelle verbundenen Halbleiterschaltelement 2 zugeführt. Wenn die Ausgänge 17, 18 nicht den Wert logisch Eins führen, führen sie dem Wert logisch Null. Zur Erzeugung der Signale auf den Ausgängen 17 und 18 weist die Steuerlogik 10 einen Stromwandler 14 auf, der am Wechselstromausgang 5 die Stärke und die Polarität des Wechselstromes erfaßt. Das durch den Stromwandler 14 gewonnene Signal wird einem schematisch dargestellten Komperator 15 zugeführt, der feststellt, ob der Strom kleiner oder gleich Null ist, und einem ebenfalls schematisch dargestellten Kompe­ rator 16, der feststellt ob der Strom größer oder gleich Null ist. Beide Komperatoren 15, 16 erzeugen einen Sig­ nalpegel logisch Eins, wenn der erwähnte Vergleich posi­ tiv ausfällt, d. h. die Bedingung erfüllt ist, andernfalls einen Signalpegel logisch Null.

Die Verzögerungseinrichtungen 12, 13 lassen sich zwischen zwei unterschiedlich langen Verzögerungszeiten umschal­ ten. Diese Umschaltung erfolgt in Abhängigkeit von Signa­ len auf den Ausgangsleitungen 17, 18 der Steuerlogik 10. Stellt der Komperator 15 fest, daß der Strom kleiner oder gleich Null ist, wird die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung 12 auf einen langen Wert einge­ stellt. Wird festgestellt, daß die Bedingung des Kompera­ tors 15 nicht erfüllt ist, d. h. daß der Strom größer als Null ist, wird die Verzögerungseinrichtung 12 auf eine kurze Verzögerungszeit eingestellt. Die Verzöge­ rungseinrichtung 13 wird auf einen langen Verzö­ gerungswert eingestellt, wenn der Komperator 16 fest­ stellt, daß der Strom größer oder gleich Null ist. Die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung 13 wird dagegen auf einen kurzen Wert eingestellt, wenn der Komperator 16 feststellt, daß der Wert kleiner als Null ist.

Es sei angenommen, daß der Wechselrichter zur Erzeugung eines etwa sinusförmigen Wechselstroms am Wechselstrom­ ausgang 5 eingesetzt werden soll. Der Ansteuersignalgene­ rator 7 erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Ansteuerungs­ signal 11, das den beiden Sperreinrichtungen 8, 9 zuge­ führt wird. Die dem Halbleiterschaltelement 1, das den positiven Pol U ₊ der Gleichstromquelle mit dem Wechsel­ stromausgang 5 verbindet, zugeordnete Sperreinrichtung 8 wird nur dann freigegeben, wenn die Steuerlogik 10 feststellt, daß der Strom am Wechselstromausgang 5 größer oder gleich Null ist. In diesem Fall kann das Ansteue­ rungssignal 11 durch die Verzögerungseinrichtung 12 an die Steuerelektrode des Halbleiterschaltelementes 1 gelangen, wodurch das Halbleiterschaltelement aufge­ steuert wird. Strom kann damit vom positiven Pol der U ₊ der Gleichstromquelle zum Wechselstromausgang 5 fließen. Es entsteht dort ein positiver Strom, d. h. ein Strom der aus dem Wechselrichter herausfließt. Je nach Dauer des Aufsteuerimpulses des Ansteuersignals 11 wird das Halbleiterschaltelement 1 nach einer vorgege­ benen Zeit wieder geschlossen. Etwas später, nämlich nach dem die Ausschaltzeit verstrichen ist, hört der Stromfluß vom positiven Pol U ₊ der Gleichstromquelle zum Wechselstromausgang 5 auf. Bei einer ohmschen Be­ lastung, bei der Strom und Spannung in Phase sind, hört der Stromfluß damit überhaupt auf. Bei einer induktiven Belastung am Wechselstromausgang 5 hat jedoch der Strom die Tendenz weiter zu fließen. Solange das obere Halblei­ terelement 1 geschlossen ist, wird dementsprechend ein Strom aus dem negativen Pol U _- der Gleichstromquelle über die Freilaufdiode 4 in den Wechselstromausgang 5 fließen. Das untere Halbleiterschaltelement 2 bleibt die ganze Zeit geschlossen, solange ein positiver Strom am Wechselstromausgang 5 fließt. Das Tastverhältnis des Ansteuerungssignals 11 wird etwa sinusförmig va­ riiert. Dementsprechend sind in der positiven Halbwelle die Impulse, die das obere Halbleiterschaltelement 1 aufsteuern, länger als die Pausenzeiten zwischen den Impulsen. Die Spannung am Wechselstromausgang 5 variiert folglich ebenfalls sinusförmig. Solange sich der Strom am Wechselstromausgang 5 in der positiven Halbwelle befin­ det, wird lediglich das Halbleiterschaltelement 1 aufge­ steuert. Das Halbleiterschaltelement 2 bleibt permanent gesperrt. Damit kann in keinem Fall ein Kurzschluß zwi­ schen dem positiven Pol U ₊ und dem negativen Pol U _- der Gleichstromquelle erfolgen.

Am Ende der positiven Halbwelle nähert sich der Strom am Wechselstromausgang dem Wert Null. In diesem Bereich kann der Stromwandler 14 nicht mehr zuverlässig fest­ stellen, ob der Strom eine positive oder eine negative Richtung hat. Dementsprechend erzeugt die Steuerlogik auf ihren beiden Ausgängen 17, 18 ein Signal mit dem Wert logisch Eins. Folglich werden beide Sperreinrichtun­ gen 8, 9 für das Ansteuersignal durchgängig gemacht. Das Ansteuersignal 11 gelangt über die Verzögerungs­ einrichtungen 12, 13, die nun beide auf eine lange Verzö­ gerungszeit geschaltet sind, an die Steuerelektroden der beiden Halbleiterschaltelemente 1, 2. Diese werden nun für eine kurze Zeit, d. h. für die Zeit, die der Strom benötigt, um in negativer Richtung wieder aus dem engen Bereich um den Wert Null herauszutreten, beide wie herkömmlich angesteuert. Im weiteren Verlauf kann dann der Stromwandler 14 wieder zuverlässig feststellen, daß nur ein negativer Strom am Wechselstromausgang 5 fließt, d. h. der Strom fließt aus der Last in den Wech­ selrichter hinein. In der negativen Halbwelle ist die Sperreinrichtung 8 für das obere Halbleiterschaltelement 1 gesperrt und das Ansteuersignal 11 gelangt über die Sperreinrichtung 9 und die Verzögerungseinrichtung 13 nur noch zum Halbleiterschaltelement 2. Beide Halblei­ terschaltelemente 1, 2 werden auch dann wechselweise angesteuert, wenn der Effektivwert des Stromes am Wech­ selstromausgang etwa gleich Null ist.

Bei einer induktiven Belastung existiert eine Phasenver­ schiebung zwischen Strom und Spannung. In diesem Fall kann es vorkommen, daß eine positive Spannung an der Last anliegt, während ein negativer Strom fließt. So­ lange ein negativer Strom fließt, ist es ohnehin unerheb­ lich, ob das Halbleiterschaltelement 1 durchgesteuert werden kann oder nicht, da in diesem Betriebszustand kein Strom über das Halbleiterschaltelement 1 fließen kann. Der benötigte Strom wird in diesem Fall über die Freilaufdiode 4, die parallel zum unteren Halbleiter­ schaltelement 2 geschaltet ist, geführt. Für den umge­ kehrten Fall, nämlich negativer Spannung bei positivem Strom, ist die Stromverteilung genau umgekehrt, d. h. die obere Freilaufdiode 3 führt den Strom, während es unerheblich ist, ob das untere Halbleiterschaltelement 2 durchgesteuert werden kann oder nicht. Erst wenn der Strom wieder positiv geworden ist, d. h. das Halbleiter­ schaltelement 1 auch Strom führen könnte, wird es mit dem Ansteuersignal 11 versorgt, um intermittierend eine leitende Verbindung zwischen dem positiven Pol der Gleichstromquelle U ₊ und dem Wechselstromausgang 5 herzu­ stellen.

Die Verzögerungseinrichtungen 12, 13 könnten im Prinzip auch entfallen. Da die Ausschaltzeit aber in den meisten Fällen größer ist als die Einschaltzeit, würde das Tast­ verhältnis und damit die Ausgangsspannung des Wechsel­ richters größer werden als erwünscht. Aus diesem Grund haben die Verzögerungseinrichtungen 12, 13 etwa eine Verzögerung, die der Ausschaltzeit der Halbleiterschalt­ elemente 1, 2 entspricht. Die Verzögerungszeit muß je­ doch nicht größer gewählt werden, wodurch überschüssige Totzeiten vermieden werden. Eine Ausnahme wird in dem Bereich gemacht, in dem der Strom einen Betrag hat, der ungefähr dem Wert Null entspricht. In diesem Bereich ist es für den Stromwandler 14 schwierig, zuverlässig festzustellen, ob der Strom eine positive oder eine negative Polarität hat. Deswegen werden bei Sperreinrich­ tungen 8, 9 freigegeben und das Ansteuerungssignal 11 auf beide Halbleiterschaltelemente 1, 2 weitergegeben. Um auch in diesem Betriebszustand einen Kurzschluß zwi­ schen den beiden Polen U ₊ und U _- der Gleichstromquelle zu verhindern, werden die Verzögerungseinrichtungen 12, 13 auf eine lange Verzögerungszeit umgeschaltet, d. h. eine Verzögerungszeit, die ein mehrfaches der Aus­ schaltzeit der Halbleiterschaltelemente 1, 2 beträgt. Da die Verzögerungseinrichtungen immer in Abhängigkeit von dem Zustand der jeweils dem anderen Halbleiterschalt­ elemente 1, 2 zugeordneten Sperreinrichtung geschaltet werden, ist sichergestellt, daß auf jeden Fall dann eine lange Verzögerungszeit für beide Verzögerungsein­ richtungen 12, 13 eingestellt ist, wenn auch beide Sperr­ einrichtungen 8, 9 das Ansteuersignal 11 zu dem Halbleiterschaltelementen 1, 2 durchschalten.

Selbstverständlich kann das Tastverhältnis des Ansteue­ rungssignal 11 auch mit jedem anderen zeitlichen Ver­ lauf variieren, um eine Wechselrichterausgangsspannung zu erzeugen, die mit gleichem Verlauf zeitlich variiert. In jedem Fall wird sichergestellt, daß unter Vermeidung einer Kurzschlußsituation zwischen den beiden Polen der Gleichstromquelle eine Wechselrichterausgangsspan­ nung erzeugt wird, die im wesentlichen der Sollspannung entspricht.

Claims (10)

1. Wechselrichter, der Gleichstrom aus einer Gleichstrom­ quelle in einen mindest einphasigen Wechselstrom wandelt, mit zwei Halbleiterschaltelementen (1, 2) für jede Phase, die in Reihe zwischen die beiden Pole der Gleichstromquelle geschaltet sind, wobei zu jedem Halbleiterschaltelement (1, 2) eine Freilauf­ diode (3, 4) parallel geschaltet ist, die in Bezug auf die Gleichstromquelle in Sperrichtung angeordnet ist, und ein Wechselstromausgang (5) zwischen den beiden Halbleiterschaltelementen (1, 2) angeordnet ist, und mit einer Steuerschaltung (6) zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente (1, 2) mit einem puls­ breitenmodulierten Ansteuerungssignal (11), wobei die Steuerschaltung (6) mit dem Ansteuerungssignal (11) nur das Halbleiterschaltelement (1, 2) einer Phase in einen Durchgangszustand steuert, das den­ jenigen Pol der Gleichstromquelle mit dem Wechsel­ stromausgang (5) verbindet, dessen Polarität der Polarität des am Wechselstromausgang (5) fließenden Stromes entspricht, und das andere Halbleiterschalt­ element (2, 1) sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung Sperreinrichtungen (8, 9) auf­ weist, die von einer Steuerlogik (10) in Abhängigkeit von der Polarität des Stromes am Wechselstromausgang (5) entweder zum Durchschalten des Ansteuerungssignals (11) an das Halbleiterschaltelement (1, 2) freigegeben oder gesperrt werden, unabhängig von dem Ansteuerungs­ signal (11).

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtungen (8, 9) als UND-Gatter ausgebildet sind, deren Ausgang jeweils mit einer Steuerelektrode des zugeordneten Halbleiterschaltele­ ments (1, 2) in Verbindung steht, deren einer Eingang von dem Ansteuerungssignal (11) für das zugeordnete Halbleiterschaltelement (1, 2) und deren anderer Eingang von einem Ausgangssignal der Steuerlogik (10) beaufschlagt ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen jeder Sperreinrichtung (8, 9) und dem zugeordneten Halbleiterschaltelement (1, 2) jeweils eine Verzögerungseinrichtung (12, 13) angeordnet ist, die den Teil des Ansteuerungssignals (11), der das Aufsteuern des Halbleiterschaltelements bewirkt, um eine vorbestimmte Verzögerungszeit ver­ zögert.

4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtungen (12, 13) zwi­ schen einer kürzeren und einer längeren Verzögerungs­ zeit umschaltbar sind.

5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung durch die Steuerlogik (10) in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms am Wech­ selstromausgang (5) erfolgt, wobei die Verzögerungs­ einrichtung (12, 13) des in den Durchgangszustand zu steuernden Halbleiterschaltelements (1, 2) auf die kürzere Verzögerungszeit umgeschaltet wird.

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Strombetrag des Wechselstroms in einem vorgegebenen Bereich oberhalb und unterhalb von Null die Steuerlogik (10) die Sperreinrichtungen (8, 9) beider Halbleiter­ schaltelemente freigeben.

7. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (10) die Verzögerungsein­ richtungen (12, 13) auf die längere Verzögerungszeit umschaltet, wenn beide Sperreinrichtungen (8, 9) freigegeben werden.

8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (10) eine Einrichtung (14) zum Erfassen der Richtung und des Betrags des am Wechselstromausgang (5) flie­ ßenden Stromes und eine Vergleichseinrichtung (15, 16) aufweist, die für eine Sperreinrichtung (8) ein Freigabesignal (17) erzeugt, wenn der Strom nicht kleiner als Null ist, und für die andere Sperr­ einrichtung (9) ein Freigabesignal (18) erzeugt, wenn der Strom nicht größer als Null ist.

9. Wechselrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Freigabesignal (17, 18) für die Sperr­ einrichtung (8, 9) des einen Halbleiterschaltelements (1, 2) die Verzögerungseinrichtung (13, 12) des anderen Halbleiterelements (2, 1) von der kürzeren auf die längere Verzögerungszeit umschaltet.

10. Wechselrichter auch einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er einen 3-phasigen Wechselstrom erzeugt, dessen Phasen jeweils um 120° elektrisch verschoben sind.