DE69306512T2

DE69306512T2 - Speisespannungsschaltung für Gatesteuerstufe

Info

Publication number: DE69306512T2
Application number: DE69306512T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Tai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JP3133166B2; CA2106325A1; DE69306512D1; CA2106325C; EP0588635A1; EP0588635B1; US5483192A; JPH0698555A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gate-Speisespannungsschaltung und insbesondere auf Ausführungsformen, die sich auf eine Gate-Speisespannungsschaltung beziehen, welche eine Gateelektrodenspannung an die Gate-Treibschaltung für eine Seibstabschaltung von einer Hauptschaltung liefert, welche die Schaltwirkung einer Selbstabschaltvorrichtung nutzt usw.

Beschreibung des Standes der Technik

Durch Verwendung von Selbstabschaltvorrichtungen in einem Leistungswandler, wie beispielsweise einem Wechselrichter, erhält man die Vorteile einer besseren Unterdrückung der quellenseitigen und lastseitigen harmonischen Schwingungen, einer Verbesserung des Quellen-Leistungsfaktors und einer Geräte-Miniaturisierung usw. Bis jetzt war es unmöglich, Selbstabschaltvorrichtungen, die für eine Verwendung bei hoher Spannung und starkem Strom geeignet sind, herzustellen. Seit kurzem ist es jedoch möglich Selbstabschaltvorrichtungen herzustellen, die durch GTO's typisiert sind, welche für eine Verwendung bei hoher Spannung und starkem Strom geeignet sind. Die Anwendung von Selbstabschaltvorrichtungen auf dem Gebiet der Hochspannung ist deshalb allgemein üblich geworden.
Wenn man Selbstabschaltvorrichtungen, wie beispielsweise GTO's, bei hohen Spannungen anwendet, dann können die Probleme der Gate-Treiberschaltung der Selbstabschaltvorrichtung nicht vernachlässigt werden. Dieses Problem ist besonders schwerwiegend im Fall von GTO's, welche Schaltelemente bilden, die hauptsächlich auf dem Gebiet der Hochspannung verwendet werden. Der Grund dafür ist, daß ein GTO eine durch Strom gesteuerte Vorrichtung ist, jedoch der Grad der Stromverstärkung beim Abschalten gering ist, weshalb beim Abschalten ein sehr hoher Strom, dessen Amplitude ungefähr ein Drittel bis ein Fünftel derjenigen des Stroms der Hauptschaltung ist, dem Gate des GTO zugeführt werden muß. Weiterhin muß selbst dann, wenn der GTO eingeschaltet ist, weiter Strom dem Gate zugeführt werden, um einen Leitungsverlust zu reduzieren. Der Energieverbrauch der Gate-Treiberschaltung eines GTO beträgt deshalb mindestens 100 W pro GTO, obwohl dieser je nach dem Typ des GTO schwankt.
Da nun die Gate-Treiberschaltung direkt mit der Katode und dem Gate des jeweils getriebenen GTO verbunden ist, liegt sie elektrisch auf demselben Potential wie die Katode des GTO, der jeweils getrieben wird. Wenn GTO's in Reihe geschaltet sind, dann liegt die Gate-Treiberschaltung jedes GTO auf einem entsprechend anderen Potential, so daß die Energiequelllen der entsprechenden Gate-Treiberschaltungen auf entsprechend unterschiedlichen Potentialen liegen müssen. Dies bedeutet, daß die Energiequellen der Gate-Treiberschaltungen der GTO's für jeden GTO wechselseitig isoliert sein müssen.
Ein Beispiel für eine konventionell verwendete GTO-Gate-Treiberschaltung wird in Fig. 9 gezeigt. Fig. 9 zeigt einen einzelnen GTO aus einer Vielzahl von GTO's, welche einen Leistungswandler bilden und die dazugehörige Dämpfungsschaltung und eine Gate- Treiberschaltung.
In Fig. 9 ist ein GTO 1 die Hauptschaltvorrichtung. Eine Dämpfungsdiode 2 und ein Dämpfungskondensator 3 bilden eine Dämpfungsschaltung für das Unterdrücken der Rate des Spannungsanstiegs, wenn GTO 1 abgeschaltet wird und unterdrückt einen GTO- Verlust beim Abschalten. Ein Widerstand 4 gibt die Verlustenergie ab, die in dem Dämpfungskondensator gespeichert ist. Eine Diode 5 ist eine freilaufende Diode, welche für einen Strompfad für den Strom der Hauptschaltung beim Wiederaufbau sorgt. Ein Widerstand 6 ist ein GS-Ausgleichswiderstand, welcher für einen Ausgleich der GS-Spannungen sorgt, die zugemessen werden, wenn eine große Anzahl GTO's in Reihe geschaltet ist, so daß sie nicht durch die geringfügigen Schwankungen der Kennlinie jedes GTO beeinflußt werden.
Die Gateelektrode von GTO 1 wird durch eine Gate-Treiberschaltung 7 getrieben. Das Ein/Aus-Signal der Gateelektrode wird als optisches Signal durch ein optisches Filter 8 übertragen und wird durch ein nicht gezeigtes Fotorezeptor-Modul in der Gate- Treiberschaltung 7 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Da nun ein optisches Signal verwendet wird, sind die Ein/Aus-Gatesignale automatisch für jeden GTO isoliert. Hinsichtlich der Energiequelle der Gate-Treiberschaltung 7 kann dies durch Verwendung eines Gleichrichters 9 erreicht werden, um eine GS-Spannung durch Gleichrichten der hochfrequenten WS-Spannung (beispielsweise einer von 20 kHz), die von der Hochfrequenz-WS-Energiequelle 11 über einen Isoliertransformator 10 geliefert wird, zu erzeugen. Die Hochfrequenz-WS-Energiequelle 11 liegt in einer Zone niedrigen Potentials und speist jede GTO gemeinsam; die Differenz beim Potential zwischen den GTO's 1 wird mit Hilfe eines Isoliertransformators 10 entsprechend jedem GTO 1 isoliert.
Es gibt jedoch beträchtliche Probleme bei der Anwendung des Standes der Technik auf Leistungswandler&sub1; bei welchen eine sehr große Anzahl GTO's in Reihe geschaltet ist, und die GS-Busspannung überschreitet ein paar Kilovolt-Zehnerwerte. Dies ist deshalb der Fall, weil eine große Anzahl von Isoliertransformatoren, die in der Lage sind, eine hohe Spannung von ein paar Kilovolt-Zehnerwerten auszuhalten, um über ihren Polen isoliert zu werden, die außerdem in der Lage sind, die hohe Spannung zu isolieren, erforderlich ist, um eine Abgabe hochfrequenter WS- Energie durch die Isoliertransformatoren 10 aus der Zone mit niedrigem Potential zu erreichen. Solche Isoliertransformatoren erfordern nicht nur eine große Menge an Raum, sondern sind zusätzlich außerordentlich teuer. Es gab deshalb Probleme auf Grund von Raum und Kosten bei der Anwendung des Standes der Technik auf dem Gebiet der Hochspannung, wie beispielsweise bei Leistungswandlern, bei welchen eine große Anzahl GTO's in Reihe geschaltet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist eine Aufgabe dieser Erfindung, für eine Gate-Speisespannungsschaltung zu sorgen, welche ohne einen Isoliertransformator auskommen kann und eine Miniaturisierung und Kostenreduzierung eines Leistungswandlers erleichtert, der Selbstabschaltvorrichtungen verwendet.
Diese und weitere Aufgaben dieser Erfindung können durch eine Gate-Speisespannungsschaltung mit einer Schalteinrichtung und einer Gate-Treiberschaltung erreicht werden, die mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um ein Gate-Signal zu erzeugen, das einem Gate der Schaltvorrichtung zugeführt wird. Die Gate-Speisespannungsschaltung besitzt weiterhin eine Reihenschaltung eines Dämpfungskondensators und einer Dämpfungsdiode, die parallel zu der Schalteinrichtung geschaltet ist und eine Induktivität, deren erster Anschluß mit einem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung und der Dämpfungsdiode verbunden ist. Die Gate-Speisespannungsschaltung hat auch eine Reihenschaltung von einem Leistungsverbraucher und einer ersten Diode, die mit dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung aus Dämpfungskondensator und Dämpfungsdiode und mit einem zweiten Anschluß der Induktivität geschaltet ist. Die Gate-Speisespannungsschaltung hat weiterhin eine Reihenschaltung aus einem Spannungsspeisekondensator und einer zweiten Diode, die parallel zu der Induktivität geschaltet ist. Die Gate-Treiberschaltung ist an den Spannungsspeisekondensator angeschlossen, um Energie aufzunehmen, welche in dem Spannungsspeisekondensator als Spannungsquelle für die Gate-Teiberschaltung gespeichert ist.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt dieser Erfindung wird für eine Gate-Speisespannungsschaltung mit einer Anzahl von Ventileinheiten gesorgt, wobei eine Induktivität einen ersten Anschluß und einen zweiten Anschluß und eine Leistungsverbrauchsschaltung hat. Ein erster Anschluß der Leistungsverbrauchsschaltung ist mit dem zweiten Anschluß der Induktivität verbunden. Jede Ventileinheit weist eine Schalteinrichtung, eine Gate-Treiberschaltung, die mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um ein Gatesignal zu erzeugen, das einem Gate der Schalteinrichtung zugeführt wird, eine Reihenschaltung aus einem Dämpfungskondensator und einer Dämpfungsdiode, die parallel zu der Schalteinrichtung liegen, einer ersten Diode, deren erster Anschluß an den Verbindungspunkt der Reihenschaltung aus Dämpfungskondensator und Dämpfungsdiode angeschlossen ist und einer Reihenschaltung aus einem Spannungsspeisekondensator und einer zweiten Diode. Der erste Anschluß des Spannungsspeisekondensators ist an den Verbindungspunkt der Schalteinrichtung mit der Dämpfungsdiode und der zweite Anschluß des Spannungsspeisekondensators ist an den ersten Anschluß der zweiten Diode angeschlossen. Die Gate-Treiberschaltung ist an den Spannungsspeisekondensator angeschlossen, um Energie aufzunehmen, die in dem Spannungsspeisekondensator als Spannungsquelle für die Gate-Treiberschaltung gespeichert ist. Die Anzahl der Ventileinheiten und die Induktivität sind derart in Reihe geschaltet, daß die Anzahl der Schalteinrichtungen in Reihe geschaltet ist, und die Induktivität derart in Reihe mit den in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen liegt, daß der erste Anschluß der Induktivität an den Verbindungspunkt von der Schalteinrichtung mit der Dämpfungsdiode der Ventileinheit in einer letzten Stufe angeschlossen ist. Ein zweiter Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit ist in jeder Stufe, mit Ausnahme der letzten Stufe, an den ersten Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit einer folgenden Stufe angeschlossen, und ein zweiter Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit in der letzten Stufe ist mit einem zweiten Anschluß des Leistungsverbrauchers verbunden. Ein zweiter Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit in jeder Stufe, mit Ausnahme der letzten Stufe, ist an den ersten Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit der folgenden Stufe angeschlossen, und ein zweiter Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit in der letzten Stufe ist mit dem zweiten Anschluß der Induktivität verbunden.
Infolgedessen ist die Gate-Speisespannungsschaltung so angeordnet, daß die Spannung, die der Gate-Treiberschaltung zugeführt wird, aus der Hauptschaltung unter Nutzung der EIN/AUS-Handlung der Selbstabschaltvorrichtung erhalten wird, damit ein Isoliertransformator entbehrlich wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine vollständigere Einschätzung der Erfindung und vieler der damit zusammenhängenden Vorteile derselben erhält man leicht, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet, diese zeigen in:
Fig. 1 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Betriebs-Wellenformschema, das für die Erklärung der Funktionsweise der Gate-Speisespannungsschaltung von Fig. 1 gegeben wird;
Fig. 3 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Betriebs-Wellenforrnschema, das für die Erklärung der Funktionsweise der Gate-Speisespannungsschaltung von Fig. 3 gegeben wird;
Fig. 5 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 6 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer sechsten Ausführungsforrn dieser Erfindung zeigt; und
Fig. 9 ein Auslegungsschema, welches eine Speisespannungsschaltung des Standes der Technik zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausührungsformen

Jetzt werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, bei welchen gleiche Bezugszahlen bei den verschiedenen Ansichten identische oder entsprechende Teile bezeichnen, nachstehend die Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Bei dieser Fig. ist 1 eine Selbstabschalteinrichtung (im Nachstehenden als GTO 1 bezeichnet) der Hauptschaltung. Eine Dämpfungsschaltung, welche aus der Reihenschaltung einer Dämpfungsdiode 2 und eines Dämpfungskondensators 31 einer freilaufenden Diode 5 und eines GS-Ausgleichswiderstandes 6 besteht, ist mit GTO 1 parallelgeschaltet. Ein Anschluß einer Induktionsspule 12 ist mit der Katodenseite von GTO 1 verbunden, während eine Reihenschaltung, welche aus einer ersten Diode 15 und einem ersten Kondensator 16 besteht, zwischen den anderen Anschluß von Induktionsspule 12 und den Reihenschaltungspunkt von Dämpfungsdiode 2 und Dämpfungskondensator 3 geschaltet ist, und ein Widerstand 17 ist parallel zu dem Kondensator 16 geschaltet. Weiterhin ist eine Reihenschaltung&sub1; welche aus einem Spannungsspeisekondensator, wie beispielsweise einem zweiten Kondensator 13 und einer zweiten Diode 14 besteht, parallel zu der Induktionsspule 12 geschaltet, so daß die in dem zweiten Kondensator 13 gespeicherte Energie der Gate-Treiberschaltung 7 zugeführt wird.
Die Funktionsweise der wie vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Bei Fig. 2 ist VAK eine Spannung zwischen einer Anode und einer Katode von GTO 1, ist VC13 eine Spannung eines zweiten Kondensators 13, ist ID14 ein Strom, der durch die zweite Diode 14 fließt und ist VL12 eine Spannung von Induktionsspule 12.
Während GTO 1 AUS ist, wird Dämpfungskondensator 3 durch Dämpfungsdiode 2 und Induktionsspule 12 praktisch bis zu der zugeordneten GS-Spannung VAK von GTO 1 aufgeladen.
Zum Zeitpunkt A in Fig. 2 wird GTO 1 auf EIN geschaltet, und die Spannung VAK von GTO 1 fällt ab. Gleichzeitig wird die erste Diode 15 leitfähig, und die Ladung von Dämpfungskondensator 3 wird durch folgende Schleife entladen: GTO 1 T Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15. Da sich nun die Spannung VAK von GTO 1 schnell dem Wert Null nähert, wird die Spannung VL12 von Induktionsspule 12 direkt die von Dämpfungskondensator 3. Das Entladen des Dämpfungskondensators 3 endet zum Zeitpunkt B. Nach dem Zeitpunkt B fließt der Strom von Induktionsspule 12 in der ersten Schleife: Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15 T Dämpfungsdiode 2 T Induktionsspule 12 und in der zweiten Schleife: Induktionsspule 12 T zweite Diode 14 T zweiter Kondensator 13 T Induktionsspule 12. Dadurch wird der zweite Kondensator 13 aufgeladen, und die Spannung VC13 dieses Kondensators 13 steigt an. Zum Zeitpunkt C, zu dem der Strom von Induktionsspule 12, welcher als Folge der Dämpfungsenergie fließt, zu Null wird, hat die Dämpfungsenergie, welche zur Induktionsspule 12 übertragen worden ist, schon ihre Übertragung zum ersten Kondensator 16 und dem zweiten Kondensator 13 abgeschlossen. Die in dem ersten Kondensator 16 gespeicherte Energie wird durch den Widerstand 17 verbraucht, und die in dem zweiten Kondensator 13 gespeicherte Energie wird der Gate-Treiberschaltung zugeführt.
Wenn der erste Kondensator 16 von ausreichend großer Kapazität verwendet wird, dann behält die Spannung des ersten Kondensators 16 immer einen praktisch konstanten Pegel bei. Da nun die aufgeladene Spannung des zweiten Kondensators 13 gleich der Spannung des ersten Kondensators 16 ist, wird, wenn der Wert des ersten Kondensators 16 ausreichend groß gemacht wird, jedesmal dann, wenn GTO 1 auf EIN geschaltet wird, die Spannung des zweiten Kondensators 13 bis auf eine feste Spannung aufgeladen, welche gleich der Spannung des ersten Kondensators 16 ist. In diesem Fall wird die Spannung des ersten Kondensators 16 durch den Wert von Widerstand 17 bestimmt und die Eingangsenergie für den ersten Kondensator 16 wird bestimmt durch die Schaltfrequenz von GTO 1 und die Energie wird in dem Dämpfungskondensator 3 während des Zeitraums gespeichert, in welchem GTO 1 AUS ist.
Bei dieser Ausführungsform wird die Energie, welche in dem Spannungsspeisekondensator, beispielsweise einem zweiten Kondensator 13, gespeichert ist, der Gate-Treiberschaltung 7 zugeführt, so daß ein Isoliertransformator, welcher in der Lage ist, eine hohe Spannung auszuhalten, wie er bei dem in Fig. 9 gezeigten Stand der Technik notwendig ist, weggelassen werden kann.
Fig. 3 ist ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Bei dieser zweiten Ausführungsforrn wird ein einzelnes Schaltventil durch eine Reihenschaltung von vier GTO's 1a, 1b, 1c und 1d gebildet, welche durch dasselbe Gate-Signal getrieben werden. Es ist zu vermerken, daß bei dieser Spezifikation die Anhänge a, b, c und d an Bezugszahlen angehängt werden, welche Bauelemente in den Ventileinheiten a, b, c und d bezeichnen und entsprechend ein einzelnes Schaltventil bilden. Bei Anwendungen auf dem Gebiet der Hochspannung, bei welchen eine große Anzahl von Schalteinrichtungen in Reihe geschaltet sind, wird der Zweig eines Leistungswandlers dadurch gebildet, daß weiter eine große Anzahl der dadurch erhaltenen Schaltventile in Reihe geschaltet wird. Bei der zweiten Ausführungsform wird die Stromanstiegsrate des GTO durch eine einzelne Anodeninduktivität 12 unterdrückt, welche in einem einzelnen Schaltventil vorgesehen ist. Selbst im Fall der Gate-Speisespannungsschaltung dieser Erfindung wird eine einzelne Anodeninduktivität 12 gemeinsam mit vier Gate-Speisepannungsschaltungen verwendet.
Was bei der Funktionsweise der zweiten Ausführungsform von Bedeutung ist, sind in Reihe geschaltete zweite Dioden 14a, 14b, 14c und 14d und erste Dioden 15a, 15b, 15c und 15d. Während die GTO's 1a, 1b, 1c und 1d AUS sind, sind diese Dioden in Sperrichtung vorgespannt und deshalb nicht leitfähig, mit dem Ergebnis, daß die GTO's 1a bis 1d entsprechend isoliert sind. Wenn die GTO's 1a bis 1d auf EIN geschaltet werden, dann sind diese Dioden während des Zeitraums leitfähig, zu welchem der Strom von Induktionsspule 12 in den entsprechenden Dioden fließt, und es sind Dämpfungskondensatoren 3a, 3b, 3c und 3d äquivalent parallelgeschaltet; desgleichen sind zweite Kondensatoren 13a, 13b, 13c und 13d, welche eine Konfiguration haben, bei der sie äquivalent sind, parallelgeschaltet. Die Funktionsweise dieser zweiten Ausführungsform wird jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 4 detailliert beschrieben.
Zum Zeitpunkt A in Fig. 4 sind die GTO's 1a bis 1d auf EIN geschaltet, und die Spannungen VAK der GTO's 1a bis 1d sinken ab. Gleichzeitig sind die ersten Dioden 15a bis 15d leitfähig. Die Ladung von Dämpfungskondensator 3d beginnt, über folgende Schleife entladen zu werden: Dämpfungskondensator 3d T GTO 1d T Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15d T Dämpfungskondensator 3d. Desgleichen wird die Ladung von Dämpfungskondensator 3c durch folgende Schleife entladen: Dämpfungskondensator 3c T GTO 1c T GTO 1d T Induktionsspule 12 T erster T Kondensator 16 T erste Diode 15d T erste Diode 15c T erster Dämpfungskondensator 3c. Die Ladung von Dämpfungskondensator 3b wird durch folgende Schleife entladen: Dämpfungskondensator 3b T GTO 1b T GTO 1c T GTO 1d T Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15dT erste Diode 15c T erste Diode 15b T Dämpfungskondensator 3b. In derselben Weise wird die Ladung von Dämpfungskondensator 3a durch folgende Schleife entladen: Dämpfungskondensator 3a T GTO 1a T GTO 1b T GTO 1c T GTO 1d T Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15d T erste Diode 15c T erste Diode 15b T erste Diode 15a T Dämpfungskondensator 3a. Da sich nun die Spannungen VAK der GTO's 1a bis 1d schnell dem Wert Null nähern, wird die Spannung VL12 von Induktionsspule 12 dieselbe, wie die Spannung der Dämpfungskondensatoren 3a bis 3d, welche äquivalent parallelgeschaltet sind. Das Entladen der Dämpfungskondensatoren 3a bis 3d hört zum Zeitpunkt B auf. Nach dem Zeitpunkt B fließt der Strom von Induktionsspule 12 in folgender Schleife: Induktionsspule 12 T erster Kondensator 16 T erste Diode 15d T Dämpfungsdiode 2d T Induktionsspule 12. Der Strom von Induktionsspule 12 fließt auch in der Schleife d: Induktionsspule 12 T zweite Diode 14d T zweiter Kondensator 13d T Induktionsspule 12; weiterhin fließt er in der Schleife c: Induktionsspule 12 T zweite Diode 14d T zweite Diode 14c T zweiter Kondensator 13c T GTO 1d T Induktionsspule 12, in der Schleife b: Induktionsspule 12 T zweite Diode 14d T zweite Diode 14c T zweite Diode 14b T zweiter Kondensator 13b T GTO 1c T GTO 1d T Induktionsspule 12, und in der Schleife a: Induktionsspule 12 T zweite Diode 14d T zweite Diode 14c T zweite Diode 14b T zweite Diode 14a T zweiter Kondensator 13a T GTO 1b T GTO 1c T GTO 1d T Induktionsspule 12. Auf diese Weise fließt in der zweiten Diode 14a der Strom, welcher den zweiten Kondensator 13a auflädt und in der zweiten Diode 14b fließt zusätzlich zu dem Strom, welcher den zweiten Kondensator 13b auflädt, der Strom, welcher den zweiten Kondensator 13a auflädt. In der zweiten Diode 14c fließen die Ströme, welche die zweiten Kondensatoren 13c, 13b bzw. 13a aufladen und fließen in der zweiten Diode 14d die Ströme, welche die zweiten Kondensatoren 13d, 13c, 13b bzw. 13a aufladen. Infolgedessen wird man, wie in Fig. 4 gezeigt, dann, wenn man durch die vier in Reihe geschalteten zweiten Dioden 14a bis 14d von oben nach unten geht, feststellen, daß diese zunehmend mehr Ströme ID14a bis ID14d durchlassen. Die zweiten Kondensatoren 13a bis 13d werden dadurch aufgeladen, und die entsprechenden Spannungen VC13A, VC13b, VC13c und VC13d der zweiten Kondensatoren 13a bis 13d steigen an. Zum Zeitpunkt c, zu dem der Strom von Induktionsspule 12, welcher infolge der Dämpfungsenergie fließt, zu Null geworden ist, ist für die gesamte Energie von Induktionsspule 12 die übertragung zu den zweiten Kondensatoren 13a bis 13d abgeschlossen. Die in dem ersten Kondensator 16 gespeicherte Energie wird über Widerstand 17 verbraucht, und die Energie, die in den zweiten Kondensatoren 13a bis 13d gespeichert ist, wird entsprechend den Gate-Treiberschaltungen 7a bis 7d zugeführt.
Die Anzahl der GTO's bei Fig. 3 beträgt vier, doch gibt es keine Einschränkung auf vier, und die Anordnung kann mit jeder beliebigen Anzahl von GTO's in die Praxis umgesetzt werden, die in Reihe geschaltet sind.
Bei den bis jetzt beschriebenen Ausführungsformen wurde die in dem ersten Kondensator 16 gespeicherte Energie über Widerstand 17 verbraucht. Diese Auslegung schließt nur eine kleine Anzahl von Bauelementen ein, führt aber speziell bei Anwendungen auf dem Gebiet der Hochspannung zu beträchtlichen Verlusten, was den Gütegrad als Leistungswandler herabsetzt.
Um diesen Abfall beim Gütegrad zu reduzieren, kann die dritte Ausführungsform dieser Erfindung verwendet werden, die in Fig. 5 gezeigt wird. Bei dieser Ausführungsform wird anstelle eines Widerstandes ein Zerhacker oder ein GS/GS-Wandler oder dergleichen benutzt, so daß die in dem ersten Kondensator 16 gespeicherte Energie zurückgewonnen werden kann.
Bei der in Fig. 5 gezeigten dritten Ausführungsform dieser Erfindung ist statt des Widerstandes 17, der parallel zu dem ersten Kondensator 16 bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform dieser Erfindung geschaltet ist, eine Dämpfungsenergie-Rückgewinnungsschaltung 18 vorgesehen, welche durch einen Zerhacker oder einen GS/GS-Wandler oder dergleichen gebildet wird. Der Aufbau der Dämpfungsenergie-Rückgewinnungsschaltung 18 ist jenen, die mit der Technik vertraut sind, allgemein bekannt, so daß eine detaillierte Beschreibung derselben weggelassen werden kann. Der Rest des Aufbaus ist derselbe, wie der bei Fig. 3. Die Funktionsweise dieser dritten Ausführungsform unterscheidet sich deshalb nur insofern, als die in dem ersten Kondensator 16 gespeicherte Energie auf der lastseitigen Energiequellenseite durch Dämpfungsenergie-Rückgewinnungsschaltungen 18 zurückgewonnen wird. Bei einem solchen Aufbau wird die Spannung des ersten Kondensators 16 durch die Wirkung der Dämpfungsenergie-Rückgewinnungsschaltung 18 beispielsweise auf eine feste Spannung gesteuert.
Die in dem Dämpfungskondensator der Schalteinrichtung im Zeitraum AUS der Schalteinrichtung gespeicherte Energie liefert die Quelle für die Treibenergie der Gate-Treiberschaltung. Deshalb wird, nachdem die Energiequelle des Leistungswandlers angeschlossen ist, die Gate-Treibenergie erst dann geliefert, wenn die Schalteinrichtung mit ihrer Schaithandlung beginnt. Wenn es viele Schalteinrichtungen gibt, dann ist nicht viel Energie erforderlich, um sie auf EIN zu schalten. Insbesondere im Fall eines IGBT oder MCT, welche Schalteinrichtungen mit MOS-Gate sind, ist praktisch keine Gate-Energie erforderlich, um auf EIN zu schalten. Ein anfängliches Schalten auf EIN, d.h. das erste Schalten auf EIN, nachdem die Stromquelle angeschlossen ist, kann deshalb so angeordnet werden, daß es dadurch durchgeführt wird, daß nur eine geringe Gate-Energie aus einem optischen Signal, beispielsweise unter Verwendung eines fotooptischen Elements herausgezogen wird, wobei diese Anordnung so erfolgt, daß die Gate-Energie anschließend von der Gate-Speisespannungsschaltung dieser Erfindung geliefert wird.
Jedoch ist dieses Verfahren bei solchen Schalteinrichtungen, wie GTO's, schwierig anzuwenden. Dies deshalb, weil die meisten GTO's eine bestimmte Menge an Gate-Energie benötigen, um für eine negative Vorspannung an dem Gate zu sorgen, selbst dann, wenn der GTO in Stellung AUS ist.
Fig. 6 ist ein Auslegungsschema, das eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung, für solche Fälle angepaßt, zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist statt eines GS-Ausgleichswiderstandes 6 bei der Ausführung von Fig. 1 eine Spannungsteilerschaltung, die aus in Reihe geschalteten Spannungsteilerwiderständen 6a und 6b besteht, parallel zu GTO 1 geschaltet, so daß der zweite Kondensator 13 während des AUS-Zeitraums von GTO 1 aufgeladen wird. Auf diese Weise wird Gatespannung über die Spannungsteilerschaltung geliefert, bevor GTO 1 mit dem Schalten beginnt. Bei Fig. 6 führen die Spannungsteilerwiderstände 6a und 6b auch die Rolle eines Ausgleichswiderstandes von GTO 1 durch. Natürlich gäbe es kein Problem, neben den Spannungsteilerwiderständen 6a und 6b einen Ausgleichswiderstand vorzusehen, doch unter dem Gesichtspunkt von Raumbedarf und Kosten ist es vorteilhaft, diese beiden Funktionen miteinander zu kombinieren. Bei Fig. 6 wird die Spannung, die man durch die Spannungsteilung der Spannungsteilerwiderstände 6a und 6b erhält, der Gate-Treiberschaltung 7 zugeführt, bevor GTO 1 mit dem Schalten beginnt. Wenn jedoch der Verluststrom von Gate-Treiberschaltung 7 betrachtet wird, dann könnte eine Spannungsteilung nicht notwendigerweise wesentlich sein, und es könnte möglich sein, die Aufgabe einfach dadurch zu erzielen, daß man Strom durch den Widerstand hindurchleitet.
Fig. 7 ist ein Auslegungsschema, welches eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung für eine Verwendung in diesem Fall zeigt.
Der Strom, welcher durch Widerstand 6c fließt, bevor GTO 1 mit dem Schalten beginnt, bildet die Energiequelle der Gate-Treiberschaltung 7. In diesem Fall muß ein geeignetes Spannungs-Stabilisierungsmittel auf der Seite der Gate-Treiberschaltung 7 eingebaut werden, doch kann dies leicht verwirklicht werden und braucht deshalb nicht als praktisches Beispiel gezeigt zu werden.
Wenn in Gate-Treiberschaltung 7 ein Spannungs-Stabilisierungsmittel eingebaut ist, dann kann eine gewisse Schwankung der Quellenspannung der Gate-Treiberschaltung 7 zugelassen werden. In diesem Fall ist der erste Kondensator 16 der Ausführungsform von Fig. 16 nicht notwendigerweise wesentlich. Das Grund dafür ist, daß der erste Kondensator 16 für die Aufnahme der in der Induktionsspule 12 gespeicherten Energie dient; wenn sie erst einmal in dem ersten Kondensator 16 aufgenommen worden ist, wird sie durch Widerstand 17 verbraucht, oder sie sollte durch einen GS/GS-Wandler oder dergleichen zurückgewonnen werden; es besteht deshalb kein Problem, zuzulassen, daß die Energie direkt durch Widerstand 17 verbraucht wird, ohne durch den ersten Kondensator 16 hindurchzulaufen.
Fig. 8 ist ein Auslegungsschema, das eine Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung auf Basis dieses Konzepts zeigt. Die Ausführungsform von Fig. 8 ist, verglichen mit der Ausführungsform von Fig. 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kondensator 16 nicht vorgesehen ist und die Energie direkt durch den Widerstand 17 verbraucht wird. Wie schon erwähnt, wird, je größer der erste Kondensator 16 gemacht wird, desto stabiler dessen Spannung sein, weshalb andererseits dann, wenn der erste Kondensator 16 nicht vorhanden ist, es eine beträchtliche Schwankung der Quellenspannung von Gate-Treiberschaltung 7 gibt. Diese kann jedoch wegen des Vorhandenseins eines Spannungsstabilisierungsmittels innerhalb der Gate-Treiberschaltung 7 zugelassen werden.
Die sechste Ausführungsform ist speziell da nützlich, wo es im Fall eines GTO mit niedriger Dämpfung mit einer geringen Kapazität des Dämpfungskondensators 4 keine Energie gibt, für die eine Rückgewinnung lohnt, weshalb der erste Kondensator 16 weggelassen und Widerstand 17 vorgesehen werden kann.
Es sollte vermerkt werden, daß diese Erfindung, obwohl bei der vorstehenden Erklärung Beispiele beschrieben worden sind, die GTO's als Schalteinrichtung verwenden, sie nicht auf GTO's als Schalteinrichtung beschränkt ist und auch bei anderen Selbst abschalteinrichtungen verwendet werden könnte.
Weiterhin könnten, obwohl bei der vorstehenden Beschreibung die Schaltvorrichtung ein GTO ist, wobei 7 dessen Gate-Treiberschaltung ist, auch Transistoren oder dergleichen ebenfalls als Schaltvorrichtung verwendet werden. Der Begriff "Gate-Treiberschaltung" schließt deshalb die Schaltungen ein, bei welcher die Erfindung angewendet werden könnten, beispielsweise Fehlererkennungsschaltungen mit dazugehorigen Schalteinrichtungen oder Steuer- und Schutzschaltungen usw. für Einheiten mit hohem Potential. Bei dieser Erfindung werden diese durch den generellen Begriff "Gate-Treiberschaltung oder dergleichen" bezeichnet.
Noch weiterhin kann, obwohl diese Erfindung "Gate-Speisespannungsschaltung" betitelt ist, wie vorstehend erwähnt, diese Erfindung auch bei dem Fall zur Anwendung kommen, bei welchem Transistoren oder dergleichen als Schalteinrichtungen verwendet werden, weshalb beabsichtigt ist, daß der Begriff "Gate-Speispannungsschaltung" Schaltkreise mit einschließt, durch welche solche Schalteinrichtungen wie Transistoren gesteuert werden.
Wie vorstehend beschrieben, erhält man bei der Gate-Speisespannungsschaltung entsprechend dieser Erfindung Energie von der Hauptschaltungsseite unter Ausnutzung der Schalthandlung der in derselben Hauptschaltung liegenden Schalteinrichtungen, so daß die Energie, die in dem Dämpfungskondensator während des AUS- Zeitraums der Schalteinrichtung gespeichert wird, auf einen eine Speisespannung liefernden Kondensator, wie beispielsweise einen zweiten Kondensator, über eine Induktionsspule während des EIN- Zeitraums der Schalteinrichtung übertragen wird, wodurch ermöglicht wird, daß die in diesem zweiten Kondensator gespeicherte Energie genutzt wird; dadurch wird die große Anzahl von Isoliertransformatoren, die hochspannungsfest sind, welche bei dem bisherigen Stand der Technik notwendig waren, unnötig gemacht, was eine Miniaturisierung und eine Kostenreduzierung eines Leistungswandlers ermöglicht, der unter Verwendung von Seibstabschalteinrichtungen gebaut wird.
Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Abänderungen im Licht der vorstehenden Lehren möglich. Es ist deshalb selbstverständlich, daß die Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise praktiziert werden kann, als hierin speziell beschrieben.

Claims

1. Gate-Speisespannungsschaltung mit:

einer Schalteinrichtung;

einer Gate-Treiberschaltung, die mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um ein Gatesignal zu erzeugen, das einem Gate der Schalteinrichtung zugeführt wird;

einer Reihenschaltung aus einem Dämpfungskondensator und einer Dämpfungsdiode, die parallel zu der Schalteinrichtung liegen;

einer Induktivität, deren erster Anschluß mit einem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung und der Dämpfungsdiode verbunden ist;

einer Reihenschaltung von einem Leistungsverbraucher und einer ersten Diode, die mit dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung aus Dämpfungskondensator und Dämpfungsdiode und mit einem zweiten Anschluß der Induktivität verbunden ist; und mit

einer Reihenschaltung aus einem Spannungsspeisekondensator und einer zweiten Diode, die parallel zu der Induktivität geschaltet sind;

wobei die Gate-Treiberschaltung an den Spannungsspeisekondensator angeschlossen ist, um Energie aufzunehmen, die in dem Spannungsspeisekondensator als Spannungsquelle für die Gate- Treiberschaltung gespeichert ist.

2. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, wobei

der Leistungsverbraucher eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand aufweist.

3. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Leistungsverbraucher eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer dämpfenden Energierückgewinnungsschaltung aufweist.

4. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Leistungsverbraucher einen Widerstand aufweist.

5. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, ferner mit:

einem ersten Widerstand, der zwischen einem Verbindungspunkt des spannungsspeisekondensators mit der zweiten Diode und einem verbindungspunkt der Schalteinrichtung mit dem Dämpfungskondensator liegt, um den Spannungsspeisekondensator zu laden.

6. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 5, ferner mit:

einem zweiten Widerstand, der zwischen dem Verbindungspunkt des Spannungsspeisekondensators und der zweiten Diode und dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung mit der Dämpfungsdiode liegt.

7. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, ferner mit:

einem Gleichspannungs-Ausgleichswiderstand, der parallel zu der Schalteinrichtung liegt.

8. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 1, ferner mit:

einer Leerlaufdiode, die antiparallel zu der Schalteinrichtung angeschlossen ist.

9. Gate-Speisespannungsschaltung mit:

einer Anzahl von Ventileinheiten;

einer Induktivität mit einem ersten Anschluß und einem zweiten Anschluß; und mit

einer Leistungsverbrauchseinrichtung, deren erster Anschluß mit dem zweiten Anschluß der Induktivität verbunden ist;

wobei jede Ventileinheit aufweist:

eine Schalteinrichtung;

eine Gate-Treiberschaltung, die mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um ein Gatesignal zu erzeugen, das einem Gate der Schalteinrichtung zugeführt wird;

eine Reihenschaltung aus einem Dämpfungskondensator und einer Dämpfungsdiode, die parallel zu der Schalteinrichtung liegen;

eine erste Diode, deren erster Anschluß an den Verbindungspunkt der Reihenschaltung aus Dämpfungskondensator und Dämpfungsdiode angeschlossen ist, und

eine Reihenschaltung aus einem Spannungsspeisekondesator und einer zweiten Diode, wobei der erste Anschluß des Spannungsspeisekondensators an den Verbindungspunkt der Schalteinrichtung mit der Dämpfungsdiode und der zweite Anschluß des Spannungsspeisekondenssators an den ersten Anschluß der zweiten Diode angeschlossen ist,

wobei die Gate-Treiberschaltung an den Spannungsspeisekondensator angeschlossen ist, um Energie aufzunehmen, die in dem Spannungsspeisekondensator als Spannungsquelle für die Gate- Treiberschaltung gespeichert ist;

wobei die Anzahl von Ventileinheiten und die Induktivität derart in Reihe geschaltet sind, daß

die Anzahl von Schalteinrichtungen in Reihe geschaltet ist, und

wobei die Induktivität derart in Reihe mit den in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen liegt, daß der erste Anschluß der Induktivität an den Verbindungspunkt von der Schalteinrichtung mit der Dämpfungsdiode der Ventileinheit in einer letzten Stufe angeschlossen ist;

wobei ein zweiter Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit in jeder Stufe, mit Ausnahme der letzten Stufe, an den ersten Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit einer folgenden Stufe angeschlossen ist und ein zweiter Anschluß der ersten Diode der Ventileinheit in der letzten Stufe mit einem zweiten Anschluß des Leistungsverbrauchers verbunden ist, und

wobei ein zweiter Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit in jeder Stufe, mit Ausnehme der letzten Stufe, an den ersten Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit der folgenden Stufe angeschlossen ist und ein zweiter Anschluß der zweiten Diode der Ventileinheit in der letzten Stufe mit dem zweiten Anschluß der Induktivität verbunden ist.

10. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 9, wobei der Leistungsverbraucher eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand aufweist.

11. Gate-Speisespannungsschaltung nach Anspruch 9, wobei

der Leistungsverbraucher eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem dämpfenden Energierückgewinnungs-Schaltkreis aufweist.