DE4228644A1

DE4228644A1 - Masseseitig gesteuerte Halbbrücke

Info

Publication number: DE4228644A1
Application number: DE19924228644
Authority: DE
Inventors: Stefan Koch; Norbert Primisser
Original assignee: Tridonic Bauelemente GmbH
Current assignee: Tridonic Bauelemente GmbH
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-03

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere einen zwangsgesteuerten Wechselrichter, der beispielsweise in Vorschaltgeräten, die Gasentladungslampen ansteuern, Verwendung finden kann.

Ein Wechselrichter der vorstehend benannten Art ist beispielsweise aus der EP-A 0 127 101 bekannt. Der darin beschriebene Wechselrichter umfaßt zwei Feldeffektleistungstransistoren, die in Reihe an der Eingangs-Gleichspannungsquelle liegen. Der Lastkreis mit einem Serienschwingkreis und einer Entladungslampe liegt parallel zu einem der beiden Feldeffekt-Leistungstransistoren. Eine Steuerschaltung generiert rechteckförmig Steuersignale, die den beiden Feldeffektleistungstransistoren zugeführt werden und sie abwechselnd öffnen und schließen. Die Steuerschaltung muß dabei so ausgebildet sein, daß ein gleichzeitiges Leiten beider Schalter ausgeschlossen ist, da sich sonst ein Kurzschluß ergeben würden.

Nachteilig bei dieser Schaltungsanordnung ist, daß eine aufwendige Steuerschaltung notwendig wird, die zum einen beide Feldefektleistungstransitoren ansteuert und zum anderen einen Schutz vor Kurzschluß, d. h. gleichzeitigem Leiten beider Transistoren gewährt.

Wird zur Versorgung der Last beispielsweise eine bekannte Brückenschaltung, bestehend aus den zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren und parallel dazu angeordneten und in Serie liegenden Kondensatoren, wobei der Lastkreis die beiden Mittelabgriffe der Serienschaltungen verbindet, eingesetzt, so muß die Steuerspannung für die beiden Feldeffekttransistoren um die Brückenspannung floaten. Die Brückenspannung liegt entweder auf Masse oder auf der vollen Versorgungsspannung, also bei beispielsweise 0 oder ca. 500 V. Dementsprechend bedarf es besonderer Schaltelemente und Schaltungen für die Erzeugung der Steuersignale, die so hohe Spannungsschwankungen aushalten. Derartige Schaltungen sind zwar auf dem Markt, haben jedoch einen relativ hohen Preis.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen zwangsgesteuerten Wechselrichter so auszugestalten, daß nur noch ein Schaltelement (Transistor) angesteuert werden muß. Darüber hinaus muß zu allen Zeiten gewährleistet sein, daß beide Schalter nur abwechselnd, also nie gemeinsam leiten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und begleitenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters, der über einen Steuereingang zwangsgesteuert wird;

Fig. 2 und 3 die Schaltung gemäß Fig. 1 mit verschiedenen Lastschaltungen; und

Fig. 1 zeigt einen zwangsgesteuerten Wechselrichter. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Serienschaltung aus zwei steuerbaren Schaltern 1, 2, vorzugsweise Transistoren oder Feldeffekttransistoren, die zwischen einem positiven Potential UB und einem Bezugspotential GND angeordnet sind. Die in der Figur gezeigten Feldeffekttransistoren (bspw. MOS-FET′s) haben gegenüber normalen Bipolartransistoren den Vorteil einer höheren Schaltgeschwindigkeit.

Die Last 3 liegt in einem Brückenzweig, der den Mittelabgriff p der Transistorserienschaltung 1, 2 mit dem Mittelabgriff d der in Serie geschalteten Kondensatoren 4, 5 verbindet. Die Art der Last, ob beispielsweise rein induktiv oder ohmsch-induktiv, spielt bei der Erläuterung der gezeigten Schaltung kein Rolle.

Zur Vermeidung von Spannungsüberhöhungen an Bauteilen des Wechselrichters ist eine Freilaufdiode 6 zwischen den Mittelabgriffspunkten p und Bezugspotential GMD geschaltet, wobei die Anode am Bezugspotential liegt.

Bei zwangsgesteuerten Wechselrichtern erfolgt das alternierende Öffnen und Schließen der Transistoren 1, 2 durch Anlegen entsprechender Steuersignale 7 an die jeweiligen Steuereingänge der Transistoren. Die zumeist rechteckförmigen Steuersignale 7 müssen soweit gegeneinander phasenverschoben sein, daß zu allen Zeiten gewährleistet ist, daß zumindest einer der beiden Schalter geschlossen ist, um auf diese Weise einen Kurzschluß zu verhindern. Zur Vermeidung solcher Kurzschlüsse werden im Stand der Technik aufwendige Steuerschaltungen eingesetzt.

Dem Gate des oberen Feldeffekttransistors 1 wird über eine Serienschaltung aus einer Diode 8 und einem Widerstand 9 eine positive Spannung zugeführt. Zwischen der Diode 8 und dem Widerstand 9 greift ein Kondensator 10 an, der wiederum mit dem Mittelabgriff p verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung aus Diode, Widerstand und Kondensator nennt sich bootstrap-Schaltung und ist aus dem Stand der Technik als solche bekannt. Sie dient üblicherweise dazu, beim Start des Wechselrichters einen vordefinierten Zustand zu erhalten und dem Transistor, wie noch erläutert wird, die benötigte Schaltenergie zur Verfügung zu stellen.

Zwischen dem Mittelabgriff p, der mit der Source des oberen Transistors 1 verbunden ist und der Drain des unteren Transistors 2 ist eine Diode 11 geschaltet, wobei ihre Anode am oberen Punkt p liegt. Die Kathode der Diode 11 ist wiederum durch einen Verbindungsleiter 12 mit dem gate des oberen Transistors 1 verbunden.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung sei zunächst davon auszugehen, daß sowohl der obere Transistor 1 als auch der untere Transistor 2 sperren, d. h. ausgeschaltet sind. Nun wird dem gate des unteren Transistors 2 ein Steuersignal zugeführt, dessen Spannung größer ist als das an der Source anliegende Bezugspotential. Die Folge ist, daß der Transistor 2 leitend wird. Dadurch fließt ein Strom durch die bootstrap-Diode 8, den Kondensator 10, der sich auflädt, und die Diode 11, sowie über den Widerstand 9 und den Schaltkreis des Transistors 2 zum Bezugspotential. Der durch die Diode 11 fließende Strom bewirkt einen Spannungsabfall U_a an dieser Diode. Im vorliegenden Fall liegt diese Spannung bei Verwendung einer Shottky-Diode bei ca. 0,5 Volt. Durch diese Spannung U_a und die Verbindungsleitung 12 wird das Gate des oberen Transisitors 1 gegenüber seiner Source negativ vorgespannt, wodurch dessen Sperrwirkung verstärkt wird.

Nun wird das Gate des unteren Transistors 2 auf Bezugspotential gelegt, mit der Folge, daß der Transistor 2 sperrt. Dadurch wird das Potential des Kondensators 10 an das Gate des oberen Transistors 1 gelegt, wodurch dieser öffnet.

Dieser Vorgang des abwechselnden Öffnens und Schließens der Transistoren 1, 2 wiederholt sich mit einer Frequenz, die meist im Kiloherz-Bereich liegt und durch das Steuersignal 7 definiert ist.

Die Verwendung einer Diode 11, die bei geschlossenem Transistor 2 das Gate des oberen Transistors 1 negativ gegenüber seiner Source vorspannt, stellt selbstverständlich nicht die einzige mögliche Lösung dar. Jedes andere Bauelement, an dem beim Durchfließen eines Stroms eine Spannung U_A abfällt, kann statt dessen eingesetzt werden.

Obwohl normalerweise Feldeffekttransitoren selbst über integrierte Freilaufdioden verfügen, wurde in der Schaltung nach Fig. 1 eine solche Diode 6 extern vorgesehen. Im gezeigten Fall kommt nämlich die Freilaufdiode des Feldeffekttransistors nicht zur Wirkung, da sie durch die Diode 11 gesperrt ist.

Wird die Diode 11 wie erwähnt durch ein anderes nicht sperrendes Bauelement, wie beispielsweise ein Widerstand ersetzt, käme die Wirkung der Freilaufdiode des Feldeffekttransistors zum Tragen. Allerdings führt ein solcher Widerstand zu einer Unsymmetrie, die sich für die Schaltung ungünstig auswirkt. Aus diesem Grund ist die Verwendung einer zusätzlichen Freilaufdiode 6 zweckmäßig.

Selbstverständlich kann die Verwendung einer Diode 11 zur negativen Vorspannung des Gates des Transistors 1 gegenüber der Source auch bei Wechselrichtern eingesetzt werden, in denen beide Schaltelemente zwangsgesteuert werden. Auch bei diesen Schaltungen entfaltet sich die Wirkung der Diode 11 bei einem leitenden unteren Transistor 2. Somit kann auf einfache Weise und unter Verzicht von komplizierten Schutzschaltungen gewährleistet werden, daß der obere Transistor 1 auf jeden Fall sperrt, wenn der untere Schalter 2 leitet.

In den Fig. 2 und 3 sind Schaltungsvarianten der in Fig. 1 gezeigten Schaltung beschrieben. In Fig. 1 ist die Last 3 nur allgemein als Block dargestellt. So kann beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, die Last durch eine Niedervoltlampe 21 gebildet sein, deren Versorgung ein Transformator 22 und eine dazu parallel geschaltete Kondensator 23 übernimmt. Oder die Last ist, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Gasentladungslampe 31, die mit einer Induktivität 32 in Serie liegt und deren Wendeln über eine Kondensator 33 miteinander verbunden sind.

Selbstverständlich ist diese Aufzählung möglicher Lastarten nicht abschließend. Die Schaltung gemäß Fig. 1 eignet sich natürlich auch für andere Lasten.

Claims

1. Wechselrichter zur Versorgung einer Last, der eingangsseitig von einer Gleichspannungsquelle gespeist wird, mit einer parallel zur Gleichspannungsquelle angeordneten Serienschaltung aus zwei steuerbaren Schaltern (1, 2), wobei zumindest dem einen (2) der beiden steuerbaren Schalter (1, 2) ein externes Steuersignal (7) zugeführt ist;
einer Serienschaltung aus zwei Kapazitäten (4, 5), die parallel zur Gleichspannungsquelle angeordnet sind; und
einer Last (3), die einen Mittelabgriff (p) der Serienschaltung der beiden steuerbaren Schalter (1, 2) mit einem Mittelabgriff (d) der Serienschaltung der beiden Kapazitäten (4, 5) verbindet;
dadurch gekennzeichnet,
daß ein einen Spannungsabfall (U_A) hervorrufendes Schaltungselement (11) zwischen die beiden steuerbaren Schalter (1, 2) in die Serienschaltung geschaltet ist, wobei die am Schaltungselement (11) abfallende Spannung (U_A) das Steuersignal für den anderen Schalter (1) bildet.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement (11) eine Diode und/oder ein Widerstand ist.

3. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (1, 2) Transistoren oder Feldeffekttransistoren sind.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur einem Schalter (2) das Steuersignal (7) zugeführt ist, wobei der Steuereingang des anderen Schalters (1) an eine Gleichspannung angeschlossen ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Schaltungselement (11) auch zwischen Emitter bzw. Source und dem Steuereingang des anderen Schalters (1) liegt, indem eine Seite des Schaltungselements (11) mit dem Steuereingang des anderen Schalters (1) verbunden ist.

6. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung dem Steuereingang des anderen Schalters (1) über eine Serienschaltung aus einer Diode (8) und einem Widerstand (9) zugeführt ist, wobei eine Kapazität (10) zwischen der Diode (8) und dem Widerstand (9) und dem Mittelabgriff (p) der Serienschaltung der beiden Schalter (1, 2) angeordnet ist.

7. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Diode (6) antiparallel zu jeweils einem Schalter (1, 2) angeordnet ist.