DE3928499A1 - Einrichtung zum gleichrichten von wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Gleich­ richten von Wechselstrom nach der Gattung des Hauptan­ spruchs.

Aus dem Fachbuch "Schaltungen mit Halbleiterbauelemen­ ten", verfaßt von E. Gelder und W. Hirschmann und heraus­ gegeben von der Siemens & Halske AG im Jahr 1961, Seiten 184 bis 187, sind Einrichtungen bekannt, welche bei der Gleichrichtung hoher Wechsel- bzw. Drehströme bei relativ niedriger Spannung gegenüber Doppelweg- oder Brücken­ gleichrichtern mit herkömmlichen Dioden eine geringere Verlustleistung an den Richtventilen aufweisen und inso­ weit eine Erhöhung des spezifischen Wirkungsgrades der Gleichrichtung erlauben.

Dort ist vorgeschlagen, anstelle von Dioden als Gleich­ richterventile die Kollektor-Emitterstrecken von pnp- Germaniumtransistoren zu verwenden, welche nach Maßgabe einer Basisansteuerung aus einer besonderen Ansteuer­ wicklung etwa eines Transformators zeit- bzw. perioden­ abschnittsweise durchgesteuert werden. Innerhalb eines gewissen Strombereichs weist die im Normalbetrieb durch­ gesteuerte Kollektor-Emitter-Strecke eines Germanium- Leistungs-Transistors nämlich eine gegenüber der Schleu­ senspannung von Dioden geringere, eine Verlustleistung verursachende Sättigungsspannung auf (bei Transistoren des Typs AD 103 z.B. 0,3 Volt bei 15 Ampere, entsprechend einem differentiellen Durchlaßwiderstand von 0,02 Ohm). Der benötigte Basissteuerstrom bewirkt allerdings eine gewisse Steuerverlustleistung an den Basen durchzuschal­ tender Transistoren und ihren Basisvorwiderständen in der Größenordnung von rund 2% der Gesamtgleichrichter­ leistung.

Bei noch höheren Strömen steigt die Kollektor-Emitter- Sättigungsspannung jedoch an, und demzufolge auch die wegzukühlende Verlustleistung; letztere wächst über der Sättigungsspannung wenigstens quadratisch. Da bei moder­ nen Hochstrom-Gleichrichterdioden auch bei sehr hohen Strömen die Schleusenspannung in engeren Grenzen gehalten werden kann, fällt bei Verwendung solcher Dioden - über zunehmendem Strom - ab einem bestimmten Stromwert eine vergleichsweise geringere, wegzukühlende Verlustleistung an. Aus diesem Grund hat sich bei Netzgeräten oder Gene­ ratoren für hohe Ströme und niedrige Spannungen eine Gleichrichtung mittels geschalteter pnp- oder npn-Tran­ sistoren letztlich nicht durchgesetzt, zumal die Gesamt­ verlustleistungsbilanz bei Verwendung von robusteren und innerhalb weiterer Temperaturbereiche einsetzbarer Sili­ zium-Transistoren nicht günstiger ausfällt.

Die relative Größe dieser Verlustleistung wird augenfäl­ lig am Beispiel einer ein Fahrzeugbordnetz speisenden 12 Volt-Drehstomlichtmaschine mit Gleichrichter herkömm­ licher Bauart. Bei Vollastabgabe von 750 Watt und einem dabei typischen Nennstrom von 55 Ampere werden in den den Kommutator ersetzenden Lastdioden rund 150 Watt Verlust­ leistung, d.h. zusätzlich 20% der tatsächlich verfügbaren elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine begrenzt wird und aufwendige Kühlmaßnahmen unverzichtbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung vor­ zuschlagen, welche die an Richtventilen anfallende Ver­ lustwärme drastisch zu verringern und somit insbesondere bei relativ niedriger Spannung die Gleichrichtung hoher Wechsel- oder Drehströme mit hohem Wirkungsgrad erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Demgemäß sieht die Erfindung vor, anstelle üblicher Dioden oder vorwärts geschalteter npn/pnp-Transistoren als Gleichrichterventile im Inversbetrieb leitende MOS- Leistungsfeldeffekttransistoren (sog. POWER-MOS- bzw. MOSPOWER-Transistoren) einzusetzen.

In vorteilhafter Weise macht sich die Erfindung insoweit den auch im Inversbetrieb extrem niedrigen On-Widerstand der Drain-Source-Schaltstrecke sowie die praktisch lei­ stungslose Ansteuerbarkeit von MOS-Feldeffekttransistoren zunutze. Unter Zugrundelegung eines Drain-Source-On- Widerstandes von 5 Milliohm, welcher bei Labormustern bereits realisiert wurde, kann bei Verwendung von invers leitenden MOS-Leistungsfeldeffekttransistoren anstelle herkömmlicher Dioden im oben beispielhaft erwähnten Falle eines Gleichrichters für eine Drehstromlichtmaschine bei unverändertem Laststrom von 55 Ampere die Richtverlust­ leistung am Gleichrichter von rund 150 Watt auf etwa 35 Watt - d.h. um 75% - gesenkt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ein­ richtung sind gemäß Lehre der darauf rückbezogenen An­ sprüche 2 bis 10 gegeben.

Als besonderer Vorteil erweist sich, daß sich die erfin­ dungsgemäße Einrichtung oder zumindest wesentliche Teile davon insbesondere zur Integration auf einem Halbleiter­ chip und/oder zur Verkapselung zu einem einstückig mon­ tierbaren Bauteil eignet.

Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Wirkschaltbild einer herkömmlichen Gleich­ richteinrichtung, welche Dioden als Gleichrich­ terventile verwendet;

Fig. 2 das Symbolschaltbild eines MOS-Leistungs-Feld­ effekttransistors mit Steuerspannungsquelle und -schalter;

Fig. 3a das Wirkschaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichrichterventils, eine beispielhafte An­ steuerschaltung zur Selbststeuerung eines MOS- Leistungsfeldeffekttransistors umfassend;

Fig. 3b ein Abkürzungssymbol für das in Fig. 3a dar­ gestellte Gleichrichterventil;

Fig. 4 das Wirkschaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichrichteinrichtung mit Gleichrichterven­ tilen gemäß Fig. 3a bzw. 3b.

Die Fig. 1 veranschaulicht das Wirkschaltbild eines Drehstromgenerators 4 mit in Stern geschalteten, stehen­ den Strangwicklungen U, V, und W, Läufer 5 und rotieren­ der Erregerwicklung 6; die unverbundenen Sternenden der Strangwicklungen sind in bekannter Weise an die Mittel­ punkte eines Drehstrombrückengleichrichters aus Halblei­ terventilen 8 bis 13 geführt. Die Ausgänge des Gleich­ richters sind an zwei Sammelschienen 2 und 3 geführt, um z.B. eine daran angeschlossene Batterie 1 zu laden. Die Erregerwicklung 6 des Generators wird hier beispielhaft über einen Vorwiderstand 7 aus der Batterie 1 gespeist. Sind die Halbleiterventile 8 bis 13 als herkömmliche Silizium-Dioden ausgeführt, kann unter üblichen Last­ bedingungen in den Stromflußphasen die daran abfallende Schleusenspannung jeweils bis ca. 1,5 Volt betragen, woraus dann der Betrag der eingangs erwähnten Verlust­ leistung resultiert.

Einen wesentlich geringeren Spannungsabfall über einer Schaltstrecke kann unter vergleichbarer Strombelastung eine Anordnung gemäß Fig. 2 liefern, die aus einem MOS- Leistungsfeldeffekttransistor 14, einem Ansteuerschalter 17 und einer Vorspannungsquelle 18 besteht; die Schalt­ strecke liegt dabei zwischen dem hier normalerweise z.B. positiv vorgespannten Drain- und dem demgegenüber negativ gepolten Source-Anschluß. Funktionaler Bestandteil des MOS-Leistungsfeldeffekttransistors ist eine parasitäre Diode 15, die dann wirksam wird, wenn die vorerwähnte Polung vertauscht, der MOS-Leistungsfeldeffekttransistor 14 also invers beansprucht und dabei nicht durchgeschaltet, sondern gesperrt betrieben wird; der Kathode und Anode die­ ser Diode entsprechend sind die Drain- und Source-Klemmen mit A und K gekennzeichnet. Wird über den Schalter 17 eine hier z.B. positive Hilfsspannung 18 an das Gate G gelegt, wird die Drain-Source-Schaltstrecke D-S niederoh­ mig, und zwar sowohl im Normal- als auch im Inversbetrieb. Der so verbleibende Inversrestwiderstand der Schalt­ strecke D-S zwischen Drain D und Source S ist dabei so gering, daß selbst bei sehr großen Inversströmen als Be­ dingung für ein Leitendwerden die Schleusenspannung der parasitäre Diode 15 nicht erreicht wird, dieselbe also ohne Wirkung bleibt. Auf diese Weise kann der ganze erste Quadrant des Kennlinienfeldes des MOS-Leistungsfeldef­ fekttransistors idealerweise als Ventilsperrfeld ausge­ nutzt werden, da an der parasitären Diode 15 erst bei relativ hohen Sperrspannungen - nämlich oberhalb der Spitzenspannung der hier gleichzurichtenden Wechselspan­ nung - einer Zenerdurchbruch in Sperrichtung stattfindet.

Fig. 3a veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Gleich­ richterventil 20 mit MOS-Leistungsfeldeffekttransistor 14 und letzterem zugeordneter Ansteuerschaltung 19 zum vom Vorzeichen der Ventilspannung abhängigen Durchschalten der Drain-Source-Strecke D-S des MOS-Feldeffekttransi­ stors. Dem Gleichrichterventil 20 ist eine Hilfsspan­ nungsquelle 18 A mit der Gleichspannung U _H zugeordnet. Mit Bezug auf die Anodenklemme A wird die Gleichspannung U _H der Ansteuerschaltung 19 über eine besonderen Klemme B zugeführt. Die Anodenklemme A des Gleichrichterventils ist mit dem Source-Anschluß S, die Kathodenklemme K mit dem Drain-Anschluß D des MOS-Feldeffekttransistors 14 identisch.

Die Klemme B ist durch eine Serienschaltung aus einem Entkopplungswiderstand 21 und einem Spannungsstabilisa­ tionselement 22 (beispielsweise einer Zenerdiode) mit der Anodenklemme A verbunden. Der Spannungsabfall am Span­ nungsstabilisationselement 22 liegt zugleich an einem Komparator 23 als dessen Betriebsspannung U _K an. Der Pluseingang 24 des Komparators 23 ist ebenfalls mit der Anodenklemme A bzw. der Source S wirkverbunden, während der Minuseingang 25 des Komparators 23 wenigstens über einen Fühlwiderstand 28 mit der Kathodenklemme K bzw. dem Drain-Anschluß D des MOS-Feldeffekttransistors 14 in Ver­ bindung steht. Zum Schutz des Differenzeinganges des Kom­ parators 23 ist der Minuseingang 25 desselben über einen Widerstand 26 und eine Schutzdiode 27 mit der Anodenklem­ me A verbunden. Die Schutzdiode 27 ist dabei so gepolt, daß im Sperrbetrieb, d.h. bei Beaufschlagung des Gleich­ richterventils an der Kathodenklemme K mit positivem Potential, die Spannung zwischen den Differenzeingängen 24 und 25 des Komparators 23 nur auf einen maximalen Wert entsprechend der Schleusenspannung der dann leitenden Schutzdiode 27 ansteigen kann, d.h. begrenzt wird. Über einen Widerstand 30 ist das Gate G des MOS-Leistungsfeld­ effekttransistors 14 mit der aus der Hilfsspannung U _H abgeleiteten Betriebsspannung U _K des Komparators 23 verbunden; der Ausgang des Komparators ist ebenfalls an das Gate G geführt.

Die Anordnung funktioniert wie folgt. Der Komparator 23 wirkt als Polungsschalter und erfüllt somit die Steuer­ funktion des Schalters 17 gemäß Fig. 2. Ist die Anoden­ klemme A gegenüber der Kathodenklemme K positiv gepolt, ist der Ausgang 29 des Komparators 23 entsprechend der über dem Spannungsstabilisationselement 22 abfallenden Betriebsspannung U _K des Komparators 23 auf gegenüber der Source S hohes Potential oder frei geschaltet, so daß dann die Spannung U _K über den Widerstand 30 als zwischen Gate G und Source S wirksame Steuerspannung an das Gate G gelangen und den MOS-Leistungsfeldeffekttransistor nie­ derohmig schalten kann. Bei zwischen der Anodenklemme A und der Kathodenklemme K umgekehrter Polarität kehrt sich auch die Polarität der ansteuernden Spannung an den bei­ den Eingängen 24 und 25 des Komparators 23 um. Dadurch wird dessen Ausgang 29 auf ein bezüglich der Source S sehr niedriges Potential - nahe dem Augenblickspotential der Anodenklemme A - geschaltet und die ansonsten den MOS-Leistungsfeldeffekttransistor durchsteuernde Spannung U _K des Komparators vom Gate G ferngehalten, da der Kompa­ ratorausgang 29 dann einen entsprechenden Strom aus der Hilfsgleichspannungsquelle 18 A zur Source S des MOS- Feldeffekttransistors 14 ableitet.

Die innere Verstärkung des Komparators 23 ist jedenfalls so bemessen, daß die Beaufschlagung seiner Differenzein­ gänge über den relativ hochohmigen Fühlwiderstand 28 mit dem nur kleinen Spannungsabfall zwischen Drain D und Source S im durchgeschalteten Zustand des MOS-Leistungs­ feldeffekttransistors ausreicht, um eine Stromaufnahme des Komparatorausganges aus dem Widerstand 30, d.h. einen Neben- oder Kurzschluß der Gate-Source Strecke G-S, zu vermeiden. Damit ein entsprechender, auswertbarer Span­ nungsabfall längs der Drain-Source-Strecke D-S bei In­ versleitung überhaupt zustandekommt, muß eine mit erfin­ dungsgemäßen Gleichrichterventilen aufgebaute Gleich­ richteinrichtung ausgangsseitig mit einer gewissen Min­ destlast beschaltet sein, was in der Praxis meist gegeben ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Gleichrichterventil 20 nach Fig. 3a erwies sich als MOS-Feldeffekttransistor der Typ BTS 131 und als Komparator 23 ein solcher des integrier­ ten Typs LM 2901 als geeignet. Als Schutzdiode 27 fand der Typ 1N 914 Verwendung und als geeignete Werte für die Widerstände 21, 26, 28 und 30 wurden beispielhaft 4,7 kOhm bzw. 3,3 kOhm bzw. 20 kOhm bzw. 10 kOhm ermittelt.

Eine geeignete Ansteuerschaltung 19 für einen invers zu betreibenden MOS-Leistungsfeldeffekttransistor 14 kann auch gänzlich anders realisiert sein; die vorbeschriebene Ausführung soll insoweit nur als Beispiel und zur Funk­ tionsveranschaulichung der Ansteuerung des MOS-Leistungs­ feldeffekttransistors gelten. In Abhängigkeit vom Lei­ tungstyp des benutzten MOS-Feldeffekttransistors können Polungen von Spannungen bzw. Strömen innerhalb einer An­ steuerschaltung auch anders gewählt bzw. festgelegt sein.

Die Ausführung einer solchen Ansteuerschaltung mit in Bezug auf Speise- und Lastklemmen einer ihr zugeordneten Gleichrichterstrecke floatenden Potentialen führt in der Praxis zu sehr einfachen und mit bekannten Gleichrichtein­ richtungen strukturkompatiblen Schaltungen, wie anhand des in Fig. 3b für das Gleichrichterventil gemäß Fig. 3a dargestellten Abkürzungssymbols ersichtlich wird, wenn es z.B. auf die Einrichtung gemäß Fig. 1 Anwendung findet; dies ist in Fig. 4 geschehen.

Demgemäß zeigt 4 die Wirkschaltung eines erfin­ dungsgemäßen Dreiphasen-Generator-Gleichrichters unter Verwendung solcher Gleichrichterventile, von denen jedes einen MOS-Leistungsfeldeffektransistor und eine beschrie­ benermaßen wirkende Ansteuerschaltung umfaßt; außer einem Anoden- und Kathodenanschluß A und K weist jedes Gleich­ richterventil also noch einen Betriebsspannungsanschluß B auf.

Die Gleichrichterventile 8.20 bis 13.20 entsprechen dabei den Gleichrichterdioden 8 bis 13 in Fig. 1; zusätzlich sind hier noch drei weitere Gleichrichterventile 31 bis 33 zur Gewinnung des Magnetisierungsstromes für die Erregerwicklung 6 des Generators vorgesehen. Die Be­ triebsspannungsanschlüsse B aller Gleichrichterventile liegen vermöge einer hier beispielhaft auf der positiven Sammelschiene 2 aufsitzenden Hilfsspannung U _H auf dem gegenüber der Ladespannung U _L höheren Potential U _B = U _L +U _H ; von diesem Potential werden die potentialmäßig schwimmenden Ansteuerschaltungen der individuellen Gleichrichterventile 8.20 bis 13.20 und 31 bis 33 mit Betriebsstrom versorgt.

Die Erfindung umfaßt nicht nur die Anordnung erfindungs­ gemäßer Gleichrichterventile in bekannten Brücken bzw. Mehrweggleichrichterschaltungen. Vielmehr umfaßt die Erfindung auch, daß mehrere Ansteuerschaltungen, wenig­ stens aber Teile davon, auf ein- und demselben Halblei­ terchip integriert werden und/oder in ein- und demselben Bauteilgehäuse untergebracht werden. Die Erfindung umfaßt weiter, daß ein entsprechendes Gehäuse gut kühlbar aus­ gestaltet bzw. mit Kühlmitteln versehen wird, und daß eine so ausgestaltete Gleichrichteinrichtung mit beliebi­ ger Struktur (Einweg-, Doppelweg-, Brücken-, Mehrweg- oder Mehfachbrückenschaltung) in bzw. mit Wechsel- oder Drehstromgeneratoren, insbesondere Fahrzeuglichtmaschi­ nen, kleineren Windkraft- oder Wasserkraftgeneratoren integriert bzw. mit solchen zu einer einstückig montier­ baren Einheit verbunden wird.

Es ist offensichtlich, daß die Hilfsspannung U _H zur Ver­ sorgung von Betriebsspannungsklemmen B beispielsweise durch einen Gleichspannungswandler kleiner Leistung be­ reitgestellt werden kann. Die Erfindung umfaßt deshalb weiter, daß wenigstens die aktiven Elemente eines solchen Gleichspannungswandlers zusammen mit Ansteuerschaltungen oder Bestandteilen solcher auf ein- und demselben Halb­ leiterchip integrieren und/oder innerhalb ein- und des­ selben Bauteilgehäuses vorgesehen werden.

Claims (10)

1. Einrichtung zum Gleichrichten von Wechselstrom, mit einem als Gleichrichterventil wirkenden gesteuerten Schalter, dessen Schaltstrecke nach Maßgabe einer an einer Steuerelektrode wirksamen Steuergröße zeitab­ schnittsweise elektrisch leitend ist, und wobei der gesteuerte Schalter als Transistor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor ein MOS-Leistungsfeldeffekttransistor Anwendung findet, dessen Drain-Source-Strecke als Schalt­ strecke zur Stromführung in Rückwärtsrichtung (Rückwärts­ leitung; Inversbetrieb) durchgeschaltet und zur Vermei­ dung einer Stromführung in Vorwärtsrichtung gesperrt betreibbar ist (Vorwärtssperrung).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Rückwärtsleitung und Vorwärtssper­ rung Mittel (19) zur Abtastung und Auswertung der Augen­ blickspolarisierung der Drain-Source Strecke (D-S) des MOS-Leistungsfeldeffekttransistors (14) vorhanden sind, mit welchen dessen Gate (G) im Sinne einer Ansteuerbar­ keit wirkverbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Mittel wenigstens einen Komparator (23) um­ fassen, dessen Differenzeingänge (25, 24) mit den Drain­ und Source-Anschlüssen (D und S) wirkverbunden sind und dessen Ausgang auf das Gate (G) des MOS-Leistungsfeld­ effekttransistors (14) wirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Mittel (19) und der MOS-Leistungsfeldeffekt­ transistor (14) zu einem Gleichrichterventil (20) zusam­ mengefaßt verwirklicht sind mit einem Kathodenanschluß (K), einem Anodenanschluß (A) und einem Betriebsspan­ nungsanschluß (B).

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens besagte Mittel (19) zur Ansteuerung wenigstens eines MOS-Leistungsfeldeffekttransistors (14) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat in integrierter Form verwirklicht sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein MOS-Leistungsfeldeffekttransistor (14) zusammen mit zugeordneten Ansteuermitteln (19) in einem einstückig montierbaren Gehäuse vereinigt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere MOS-Leistungsfeldeffekttransistoren (14) mit individuell zugeordneten Ansteuermitteln (19) zu einer beliebigen Mehrweggleichrichterschaltung verschaltet in einem einstückig montierbaren Gehäuse vereinigt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit Mitteln zu seiner Kühlung ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zur Verbindung mit einem Wechsel- oder Drehstromgenerator ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zur Aufnahme bzw. Integration in einen Wechsel- oder Drehstromgenerator ausgebildet ist.