DE4345315C2 - Steuerschaltung für einen Frequenzumrichter für den Anlauf, die Drehzahlverstellung, das Bremsen und Positionieren von Drehstrom-Asynchronmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Frequenzumrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches (Firmendruckschrift "Semikron,...)

Derartige Frequenzumrichter sind beispielsweise mit zwei einstellbaren Drehzahlen ausgestattet, wobei die untere Drehzahl für den Einricht- oder Positionierbetrieb vorgesehen ist und die obere Drehzahl für den normalen Betrieb dient. Die Drehzahl des Motors kann zwischen diesen beiden Dreh­ zahlwerten mit Hilfe eines externen Potentiometers oder mit einer externen Spannungs- bzw. Stromquelle vorgegeben werden.

Ein weiterer Frequenzumrichter der in Betracht stehenden Art wird in der Zeit­ schrift "Antriebstechnik", 8, 1992, S. 34 bis 39, Vereinigte Fachverlage, Mainz, beschrieben.

Eine Problematik bei derartigen Frequenzumrichtern besteht in der An­ steuerung der Leistungstransistoren, wofür Optokoppler bzw. Übertrager eingesetzt werden. Bekannte Ansteuerschaltungen hierfür sind so ausge­ legt, daß für jeden Leistungstransistor eines Zweiges ein Übertrager und für jeden Transistor eine Hilfsversorgung vorgesehen ist. Die Schaltungen sind dabei so ausgelegt, daß zur Minimierung von Schaltverlusten steile Schaltflanken vorgesehen sind.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung anzugeben, wodurch darüber hinaus das Umschalten der Leistungstransistoren optimiert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe, insbesondere zur Erzielung einer weichen Um­ schaltung der Leistungstransistoren in einer Wechselrichteranordnung der in Betracht stehenden Art, insbesondere zur Ansteuerung von MOSFET- bzw. IGBT-Transistoren, sind die Maßnahmen gemäß Anspruch vorgesehen.

Clipperschaltungen der hier verwendeten Art zur Ansteuerung von MOS-FETs in Brückenschaltungen sind aus der DE-Z "Elektronik" 18/10.9.82, 108-112, insbes. Bild 4 bekannt.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird ein minimaler Bauteilaufwand verursacht, da lediglich ein Übertrager und keine Hilfs­ versorgung erforderlich sind, was zu einer Kostenersparnis und zur Mög­ lichkeit eines kompakten Aufbaus führt. Die Leistungstransistoren werden weich angesteuert, so daß die Störabstrahlung stark reduziert werden kann.

Die typischen Spannungs- und Stromverläufe beim Ein- und Ausschalten von Leistungstransistoren der hier in Betracht stehenden Art, nämlich von MOSFETs und IGBTs, werden in der Firmendruckschrift "Semikron, Innova­ tion + Service, Leistungshalbleiter '92/'93" beschrieben. Auf Seite B14-4 dieser Veröffentlichung ist auch ein Beispiel einer Ansteuerschaltung zum Umschalten von Leistungstransistoren, z. B. von einem ersten IGBT auf einen zweiten IGBT dargestellt. Diese Schaltung nach dem Stand der Tech­ nik macht deutlich, daß der schaltungstechnische Aufwand wegen der dort vorgesehenen Erzeugung der Hilfsversorgung und der insgesamt vier Über­ trager relativ hoch ist.

In dieser Veröffentlichung werden auch die Spannungs-Schaltschwellen be­ schrieben, deren jeweiliges Überschreiten erfindungsgemäß am Ausgang der ersten bzw. zweiten Glättungsschaltung aufgrund der Integretion der aus der Clipperschaltung angelieferten "Impulsreste" zu einem Ansteuern des ersten bzw. zweiten Leistungsstransistors mit einer dazwischen liegenden Sicherheitszeit führt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spieles in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Leistungstransistoren und

Fig. 2a bis f den zeitabhängigen Verlauf der relevanten Spannungen in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Zur Ansteuerung von Leistungsstransistoren T1 und T2 dient die Schal­ tungsanordnung und das Verfahren, wie sie nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert werden.

In Fig. 1 sind zwei der Leistungstransistoren, nämlich T1 und T2 darge­ stellt, wobei durch die Schaltungsanordnung ein weiches Umschalten zwi­ schen diesen Leistungstransistoren bewerkstelligt werden soll.

An der Primärwicklung W_p eines Übertragers Ü liegt die Spannung U_t vom Ausgang einer Pulsweitenmodulations-Schaltungsanordnung an. Der zeit­ liche Verlauf dieser Spannung U_t ist in Fig. 2a dargestellt.

Der Primärwicklung W_p des Übertragers Ü sind je ein Zweig für den er­ sten Leistungstransistor T1 einerseits und den zweiten Leistungstransistor T2 andererseits nachgeordnet. Jeder dieser Zweige umfaßt eine Sekundär­ wicklung W_s1 bzw. W_s2 des Übertragers Ü, eine Clipperschaltung CS1 bzw. CS2 und eine Glättungsschaltung GS1 bzw. GS2.

Die Clipperschaltungen CS wirken so, daß nur die Spannungspeaks der Spannung U_t oberhalb einer positiven Grenzspannung U_g1 bzw. unterhalb einer negativen Grenzspannung U_g2 durchgelassen werden, so daß am Ausgang der Clipperschaltungen CS1 bzw. CS2 die in Fig. 2b bzw. Fig. 2d dargestellten Spannungen U₁₁ und U₂₁ anliegen.

Die Spannungen U₁₁ und U₂₁ werden durch die Glättungsschaltungen GS1 bzw. GS2 geglättet und integriert, so daß sich an den Ausgängen der Glättungsschaltungen GS1 bzw. GS2 ein Spannungsverlauf U₁₂ bzw. U₂₂ ergibt, wie er in Fig. 2c bzw. in Fig. 2e dargestellt ist.

Das Umschalten von dem Leistungstransistor T1 auf den Leistungstransistor T2 läuft wie folgt ab: Das Ausgangssignal U_t der Pulsweitenmodulationsschaltungsanordnung wird nach dem Ende des Zeitintervalls I so umgeschaltet, daß sich das Pulsmu­ ster gemäß der rechten Hälfte in Fig. 2a beginnend mit dem Zeitintervall II ergibt, d. h. die schmalen hohen Impulse, welche oberhalb der Grenzspan­ nungen U_g liegen, werden negativ, so daß sich am Ausgang der Clipper­ schaltungen CS1 bzw. CS2 nun das Vorzeichen der verbleibenden Peak- Spannungsimpulse ändert. (vgl. Fig. 2b und Fig. 2c). Damit ist das Zeit­ intervall I beendet, in der der Leistungshalbleiter T1, im Ausführungsbei­ spiel ein MOSFET, voll angesteuert ist und die Ausgangsspannung z. B. zu einem Motor das Potential der positiven Zwischenkreisspannung annimmt.

Beginnend mit dem Zeitintervall II kehrt sich also die Polarität der Spannungen U₁₁ bzw. U₂₁ um. Die Spannung U₁₂ nimmt während des Zeitintervalls II all­ mählich ab. Aufgrund der Schalteigenschaften des MOSFET-Transistors T1 erfolgt die Ausschaltung weich und erst dann, wenn das untere gestri­ chelte Niveau in Fig. 2c unterschritten wird, ist der Transistor T1 (vgl. 2f) vollständig ausgeschaltet.

Es schließt sich nun das Zeitintervall III an, wobei in die­ ser Zeit die integrierte Spannung U₂₂ allmählich ansteigt. Am Ende des Zeitintervalls III übersteigt die Spannung die untere Einschaltschwelle (vgl. Fig. 2e) und der zweite Leistungstransistor T2 wird weich angesteuert. Es schließt sich das Zeitintervall IV an, das damit endet, daß der zweite Lei­ stungstransistor T2 vollständig angesteuert ist. In dem anschließenden Zeitintervall V ist die Umschaltung von der Ansteuerung des Leistungstransistors T1 auf den Leistungstransistor T2 abgeschlossen.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zum Umschalten der Leistungstransistoren in einer Wechselrichteranordnung, insbesondere zur Ansteuerung von MOSFET bzw. IGBT-Transistoren, umfassend wenigstens einen Übertrager und eine An­ steuerschaltung für die Primärseite des Übertragers, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum weichen Umschalten von einem ersten Leistungstransistor (T1) auf einen zweiten Leistungstransistor (T2) ein Übertrager (Ü) mit einer Primär­ wicklung (W_p)und zwei Sekundärwicklungen (W_s1 bzw. W_s2) vorgesehen ist,
wobei jeder Sekundärwicklung (W_s1 bzw. W_s2) eine Clipperschaltung (CS1 bzw. CS2) derart nachgeordnet ist, daß lediglich Impulse, die eine bestimmte Amplitude überschreiten, durchgelassen werden, und
wobei jeder derartigen Clipperschaltung (C1 bzw. C2) eine Glättungsschaltung (GS1 bzw. GS2) nachgeordnet ist, die die von der Clipperschaltung erzeugten Impulse integriert, wobei der erste bzw. zweite Leistungstransistor (T1 bzw. T2) durch die Ausgangsspannung (U₁₂ bzw. U₂₂) der ersten bzw. zweiten Glättungsschaltung (GS1 bzw. GS2) angesteuert werden, und
wobei die Ansteuer-Schaltungsanordnung für die Primärwicklung (W_p) derart ausgebildet, daß zum Ansteuern des ersten Leistungstransistors (T1) Pulse unterschiedlichen Vorzeichens und in Abhängigkeit vom Vorzeichen unter­ schiedlicher Amplitude derart angelegt werden, daß die Pulse mit dem er­ sten Vorzeichen und der höheren Amplitude mit ihren Peak-Werten oberhalb der positiven Durchlaßspannung der ersten bzw. unterhalb der negativen Durchlaßspannung der zweiten Clipperschaltung (CS1 bzw. CS2) liegen, wobei zum Ansteuern des zweiten Leistungstransistors (T2) die Ansteu­ er-Schaltung der Primärwicklung (W_p) so umschaltbar ist, daß sich das Vorzeichen der höheren Amplitude und dementsprechend des Ausgangs­ signals (U₁₁ bzw. U₂₁) der Clipperschaltungen (CS1 bzw. CS2) umkehrt.