DE4219644A1

DE4219644A1 - Schaltungsanordnung zur Entlastung symmetrisch angeordneter elektronischer Schalter in Zweigpaaren von der Ein- und Ausschaltverlustenergie

Info

Publication number: DE4219644A1
Application number: DE4219644A
Authority: DE
Inventors: Reiner Johannes Dipl I Schuett
Original assignee: Reiner Johannes Dipl I Schuett
Current assignee: SCHUETT, REINER JOHANNES, DIPL.-ING. DR., 22393 HA
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1993-12-23

Description

Beim Betrieb von Leistungshalbleitern als elektronische Schalter müssen neben dem Durchlaßstrom und der Sperrspannung ebenfalls die maximale Verlustleistung und die mittlere Verlustleistung unterhalb von maximal zulässigen Grenzwerten gehalten werden, um Fehlfunktionen oder Zerstörung zu vermeiden. Im periodi schen Schaltbetrieb der Leistungshalbleiter wird die mittlere Verlustleistung mit zunehmender Schaltfrequenz größer, was zu einer unerwünschten Erwärmung der Leistungshalbleiter führt.

Schaltungsanordnungen zur Entlastung der Leistungshalbleiter von der Ein- und Ausschaltverlustenergie und damit zur Reduzierung der mittleren Verlustleistung, im weiteren auch kurz Beschaltungen genannt, sind bekannt. Bei konventionellen Beschaltungen (siehe z. B. DE 2128454) werden die in den Induktivitäten und Ka pazitäten der Beschaltung gespeicherten Energien in Widerständen in Wärme um gesetzt, so daß die Verlustleistung nur verlagert wird. In DE 3215589 und DE 3521983 A1 werden Beschaltungen angegeben, die keine prinzipbedingten Verlu ste aufweisen, bei denen jedoch Dioden und Induktivitäten zwischen den Lei stungshalbleitern eines Zweigpaares eingesetzt werden, so daß diese nicht unmit telbar in Reihe geschaltet werden können. Insbesondere bei selbstgeführten Wechselrichtern werden Wechselrichterzweigpaare eingesetzt, bei denen die ab schaltbaren Leistungshalbleiter der beiden Hauptzweige direkt in Reihe geschaltet sind und denen jeweils unmittelbar die Diode des Rücklaufzweiges gegensinnig parallel geschaltet sind. In DE 3244623 wird eine Beschaltung angegeben, bei der zwar eine direkte Reihenschaltung der Leistungshalbleiter eines Zweigpaares mög lich ist, bei der die Rückspeisung der in den Beschaltungselementen gespeicherten Energie aber über einen Gleichspannungswandler erfolgt, dessen Schaltungsauf wand nicht unerheblich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungshalbleiter eines Wechselrichterzweigpaares durch eine aufwandarme Beschaltung von der Ein- und Ausschaltverlustenergie zu entlasten, wobei die Beschaltung selbst prinzi piell verlustlos sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführte und beschriebene Entlastungsschaltung gelöst.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß sowohl die mittlere Verlustleistung als auch die maximale Verlustleistung der Leistungshalbleiter gegenüber dem Betrieb ohne Beschaltung reduziert werden. Weiterhin wird erreicht, daß die Ableitung des Stro mes durch den elektronischen Schalter nach der Zeit beim Einschalten begrenzt wird. Ebenso wird erreicht, daß die Ableitung der Spannung am elektronischen Schalter nach der Zeit beim Ausschalten begrenzt wird. Es können Zweigpaar- Module eingesetzt werden, die sowohl die abschaltbaren Leistungshalbleiter der beiden Hauptzweige als auch die Dioden der beiden Rücklaufzweige eines Wech selrichterzweigpaares enthalten. Die Leistungshalbleiter eines Zweigpaares kön nen also unmittelbar in Reihe geschaltet werden.

Die Erfindung wird anhand der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung er läutert. Ist der Mittelabgriff M der Gleichspannungsquelle U_d nicht zugänglich, so muß die Schaltung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, um die beiden Kondensatoren C_d1 und C_d2 erweitert werden.

Zwischen den Polen der Gleichspannung U_d mit dem Mittelabgriff M liegt die Rei henschaltung eines Transformators L_Tr1-L_Tr2, des Wechselrichterzweigpaares mit den abschaltbaren Leistungshalbleitern T1 und T4 der beiden Hauptzweige und den Dioden D1 und D4 der beiden Rücklaufzweige und eines weiteren Transfor mators L_Tr4-L_Tr3. Die zwei Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 und L_Tr3-L_Tr4 dienen zur Verminderung der Einschaltverlustenergie. Beim Einschalten von T1 oder T4 fällt die Spannung U_d an den primärseitigen Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 ab, wenn der Strom durch T1 oder T4 ansteigt. Die Ableitung des Stromes durch T1 oder T4 nach der Zeit wird beim Einschalten von T1 oder T4 durch die Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 begrenzt. Der Wickelsinn der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 und L_Tr4-L_Tr3 ist so gewählt, daß beim Einschalten des Schalters T1 oder des Schalters T4 die Se kundärwicklungen L_Tr2 und L_Tr3 der Transformatoren aufgrund der in Reihe mit ihnen liegenden Diode D₁₃ und D₄₃ stromlos bleiben.

Die in den Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 gespeicherte Energie wird beim Ausschal ten von T1 oder T4 über die Dioden D₁₃ und D₄₃ auf der Sekundärseite der Trans formatoren in die Gleichspannungsquelle U_d zurückgespeist. Die Induktivitäten L_Tr2 und L_Tr3 der Sekundärwicklungen sollten um ein Vielfaches größer als die Ind kuktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 der Primärwicklungen der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 oder L_Tr4-L_Tr3 gewählt werden. Dadurch wird erreicht, daß die über die Gleich spannung U_d hinausgehende Spannungsbeanspruchung von T1 und T4 gering bleibt.

Werden mehrere Wechselrichterzweigpaare an einer Gleichspannungsquelle U- betrieben, so können die Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 und L_Tr4-L_Tr3 gemeinsam für alle Wechselrichterzweigpaare als Einschaltentlastung genutzt werden. Mehrphasi ge Wechselrichter oder Umrichter benötigen daher nur zwei Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 und L_Tr4-L_Tr3.

Die zwei Beschaltungskondensatoren C₁ und C₄, die mit den Dioden D₁₁ und D₄₁ in Reihe geschaltet sind, dienen zur Verminderung der Ausschaltverlustenergie. Kommutiert beim Ausschalten von T1 der Ausgangsstrom von T1 auf den Zweig mit dem Kondensator C₄, so entlädt sich dieser durch den Ausgangsstrom und be grenzt damit die Ableitung der Spannung an T1 nach der Zeit. Der Beschaltungs kondensator C₁ lädt sich beim Ausschalten von T1 unter anderem über die Indukti vität L₁ und über den Mittelabgriff M der Zwischenkreisspannung U_d auf. Die Amplitude des Umschwingstromes wird durch die Induktivität L₁ begrenzt. Kom mutiert beim Ausschalten von T4 der Ausgangsstrom von T4 auf den Zweig mit dem Kondensator C₁, so entlädt sich dieser durch den Ausgangsstrom und begrenzt damit die Ableitung der Spannung an T4 nach der Zeit. Der Beschaltungskonden sator C₄ lädt sich beim Ausschalten von T4 unter anderem über die Induktivität L₄ und über den Mittelabgriff M der Zwischenkreisspannung U_d auf. Die Amplitude des Umschwingstromes wird durch die Induktivität L₄ begrenzt.

Die Induktivitäten L₁ und L₄ sollten um ein Vielfaches größer als die Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 der Primärwicklungen der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 oder L_Tr4-L_Tr3 gewählt werden. Dadurch wird erreicht, daß die über die Höhe des Ausgangsstro mes hinausgehende Strombeanspruchung von T1 und T4 gering bleibt. Die Um schwingkreise über die Induktivitäten L₁ und L₄ und den Mittelabgriff M müssen nicht induktivitätsarm aufgebaut sein, da die Streuinduktivitäten zu einer weiteren Verringerung der Amplitude der Umschwingströme führen.

Claims

1. Schaltungsanordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung symmetrisch angeordneter elektronischer Schalter in Zweigpaaren von der Ein- und Aus schaltverlustenergie mit folgenden Merkmalen:

a) Die elektronischen Schalter T1 und T4 liegen direkt in Reihe, wobei der positive Pol einer Gleichspannungsquelle U_d über die Primärwicklung L_Tr1 eines Transformators L_Tr1-L_Tr2 mit der Anode des ersten Schalters T1 verbunden ist und der negative Pol von U_d über die Primärwicklung L_Tr4 eines weiteren Transfor mators L_Tr4-L_Tr3 mit der Kathode des Schalters T4 verbunden ist.
b) Die Schalter T1 und T4 sind rückwärtsleitend, oder dem Schalter T1 ist di rekt gegensinnig parallel die Diode D1 und dem Schalter T4 direkt gegensinnig parallel die Diode D4 geschaltet.
c) die Gleichspannungsquelle U_d besitzt einen zugänglichen Mittelabgriff M oder der Gleichspannungsquelle U_d sind zwei in Reihe geschaltete Kondensato ren C_d1 und C_d2 parallel geschaltet, so daß die Spannung zwischen dem positiven Pol von U_d und dem Verbindungspunkt M der beiden Kondensatoren C_d1 und C_d2 und die Spannung zwischen dem Verbindungspunkt M und dem negativen Pol von U_d jeweils U_d/² beträgt.
d) Der positive Pol von U_d ist über die Sekundärwicklung LTr₂ des Transforma tors L_Tr1-L_Tr2 mit der Kathode einer Diode D₁₃ verbunden, deren Anode am Mit telabgriff M liegt, und der negative Pol von U_d ist über die Sekundärwicklung L_Tr3 des Transformators L_Tr4-L_Tr3 mit der Anode einer Diode D₄₃ verbunden, deren Kathode ebenfalls am Mittelabgriff M liegt.
e) Der Verbindungspunkt A1 der Schalter T1 und T4 bildet einen Ausgangs punkt und ist über einen Kondensator C₁ mit der Anode einer Diode D₁₁ und über einen weiteren Kondensator C₄ mit der Kathode einer Diode D₄₁ verbunden, wo bei die Kathode von D₁₁ mit dem positiven Pol von U_d und die Anode von D₄₁ mit dem negativen Pol von U_d verbunden ist.
f) Der Verbindungspunkt des Kondensators C₁ und der Diode D₁₁ ist mit der Kathode einer Diode D₁₁ verbunden, wobei zwischen der Anode der Diode D₁₂ und dem Mittelabgriff M eine Induktivität L₁ liegt, und weiterhin ist der Verbin dungspunkt des Kondensators C₄ und der Diode D₄₁ mit der Anode einer Diode D₄₂ verbunden, wobei zwischen der Anode der Diode D₄₂ und dem Mittelabgriff M eine Induktivität L₄ liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelsinn der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 und L_Tr4-L_Tr3 so gewählt ist, daß beim Einschalten eines Schalters T1 oder T4 die Sekundärwicklungen L_Tr2 oder L_Tr3 der Transformatoren aufgrund der in Reihe mit ihnen liegenden Dioden D₁₃ oder D₄₃ stromlos bleiben.

3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten L_Tr2 und L_Tr3 der Sekundärwicklungen um ein Vielfaches größer als die Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 der Primärwicklungen der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 oder L_Tr4-L_Tr3 sind.

4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten L₁ und L₄ um ein Vielfaches größer als die Induktivitäten L_Tr1 und L_Tr4 der Primärwicklungen der Transformatoren L_Tr1-L_Tr2 oder L_Tr4-L_Tr3 sind.