DD214733A1 - Schaltungsanordnung zur schaltverlustreduzierung eines steuerbaren elektronischen schalters - Google Patents

Abstract

Die Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung von steuerbaren elektronischen Schaltern ist zur Anwendung in leistungselektronischen Geraeten z.B. in Pulsstellern, Wechselrichtern und Umrichtern vorgesehen. Die Erfindung hatzum Ziel den Aufwand fuer die Schaltverlustentlastung zu reduzieren und den Wirkungsgrad von leistungselektronischen Schalltern zu verbessern. Die Aufgabe ein verlustfreies Einschalten und ein verlustarmes Ausschalten zu erreichenwird dadurch geloest, dass parallel zum elektronischerSchalter eine antiparallel gepolte Diode und ein Abschaltkondensatorangeordnet ist und fuer den Abschaltkondensator ein Entladenetzwerk vorgesehen ist.

Description

Titel der Brfindung

Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung eines steuerbaren elektronischen Schalters

Anwendungsgebiet der !rfindung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit der eine Reduzierung der Schaltverluste in steuerbaren elektronischen Schaltern, insbesondere mit Transistoren, möglich ist. Die Anwendbarkeit ist bei allen leistungelektronischen Schaltern vorzugsweise beim Schalten von induktiven Lasten gegeben.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Betrieb von leistungselektronischen Schaltern müssen für die Halbleiterbauelemente außer den Größen Durchlaßstrom und Sperrspannung auch deren Änderungsgeschwindigkeiten beim Sin bzw. Abschaltvorgang begrenzt werden, da sonst eine Fehlfunktion oder Zerstörung des elektronischen Schalters zu befürchten ist.

Sine bekannte Schaltungsanordnung ist in der DB- OS 2128454 beschrieben. Sie arbeitet prinzipbedingt mit hohen Wärmeverlusten, da die in den zur Schaltverlustentlastung der leistung selektroni sehen Schalter notwendigen induktiven und kapazitiven Blindelemente gespeicherte Energie bei jedem Schaltvorgang in Wärme umgesetzt wird, d«h· die Schaltverlustenergie verlagert sich in die ohmschen Widerstände.

Weiterhin sind in den SrfindungsbeSchreibungen D3-0S 2639589 und DS-OS 2641183 Lösungen für die Schaltverlustentlastung bekannt, die prinzipbedingt ohne Abschaltverluste arbeiten· Dabei erfolgt im eingeschalteten Zustand des Transistorschalters

- 2 - . ... .

während eines Schwingungsvorganges ein Ladungsaustausch zwischen zwei Kondensatoren, wobei der für ein Abschalten des Transistorschalters notwendige Ausgangszustand eingenommen wird. Während des Abschaltens fließt der Laststrom über beide jetzt parallel wirkenden Kondensatoren weiter, wodurch sich der Spannungsanstieg der sogenannten Blockierspannung verzögert. Die während des AbSchaltens anfallende Energie wird dem Zwischenkreiskondensator zugeführt. In der DE - OS 2644175 sind Netzwerke zur Einschaltentlastung von leistungselektronischen Bauelementen angegeben, die auch in Kombination mit den Ausschaltentlastungsnetzwerken entsprechend den DS - OS 2639589 und DE - OS 2641183 ausgeführt werden können· nachteilig bei allen diesen Lösungen zur Schaltverlustentlastung von leistungselektronischen Schaltern ist, daß die Sinschaltentlastungen verlustbehaftet arbeiten.

Eine weitere der Erfindung nahestehende Lösung wird in der . DE - OS 3120469 dargelegt. In dieser Anordnung werden sowohl die Einschalt - als auch die Abschaltverluste reduziert. Das Entlastungsnetzwerk enthält einen Abschaltkondensator, eine Einschaltdrossel, drei schnelle Dioden und einen größeren Speicherkondensator. Der Speicherkondensator nimmt während des Einschal tvorganges die Energie des Abschaltkondensators und während des Abschaltvorganges die Energie der Sinschaltdrossel auf. Im ausgeschalteten Zustand des elektronischen Schalters entlädt sich der Speicherkondensator über die Last. Nachteilig ist an dieser Lösung zur Schaltverlustentlastung, daß der elektronische Schalter während des Einschaltvorganges den Laststrom, den ümschwingstrom des Abschaltkondensators und den Rückstrom der Freilaufdiode führen muß, d.h. er muß für diesen Summenstrom ausgelegt werden.

Weiterhin ist von Nachteil, daß während des Abschaltvorganges der Abschaltkondensator über eine Diode parallel zum elektronischen Schalter liegt, die eine bestimmte Zeit zum Einschalten benötigt, während der im Schaltelement Schaltverluste auftreten.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung soll der Aufwand für eine Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung verringert und deren Wirkungsgrad erhöht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Schaltverlustredu— zierung eines steuerbaren elektronischen Schalters der gemeinsam mit einer Freilauf diode zwischen den Polen einer Gleichspannung squelie angeschlossen ist und einen die Anstiegsgeschwindigkeit der Blockier spannung "begrenzenden Ab schaltkondensator aufweist, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen prinzipbedingt verlustfrei einschaltbaren und verlustreduziert ausschaltbaren elektronischen Schalter zu schaffen, der nicht mit dem Bückstrom der Freilaufdiode belastet wird· Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung indem der Abschaltkondensator und eine antiparallel gepolte Diode direkt parallel zum elektronischen Schalter angeordnet sind und ein letzwerk zur Entladung des Absehaltkondensators angeordnet ist. Das Sntladenetzwerk für den Abschaltkondensator besteht aus einer parallel zur Freilauf diode angeordneten Reihenschaltung eines Thyristors, einer Induktivität und eines Kondensators sowie einer Hachladeeinrichtung für diesen Kondensator, wobei der Thyristor, der die gleiche Polung aufweist wie die Freilauf diode, mit der Uachladeeinrichtung überbrückt ist·

Die Bachladeeinrichtung kann aus einer parallel zum Thyristor angeordneten Reihenschaltung einer zum Thyristor antiparallel gepolten Diode und einer Induktivität bestehen. Eine andere Lösung für die lachladeeinrichtung sieht eine Induktivität vor, welche die Reihenschaltung von Thyristor und elektronischem Schalter überbrückt·

Soll als Laststrom ein Wechselstrom realisiert werden, besteht das Hetzwerk zur Entladung des Abschaltkondensators aus einem zweiten antiparallel zur Freilaufdiode angeordneten steuerbaren elektronischen Schalter und einem zu diesem parallel geordneten zweiten Abschaltkondensator·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert. Dazu zeigen

Fig· 1 die Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung in allgemeiner Form

Pig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Entladenetzwerk

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem zweiten Entladenetzwerk

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Realisierung von Wechselstrom

In Fig· 1 ist die allgemeine Form der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. An einer Gleichspannungsquelle U ist ein Transistor S als elektronischer Schalter und eine Diode Di als Freilauf diode für eine an den Punkten A und B angeschlossene nicht naher dargestellte ohmsch - induktive Last angeordnet. Der Abschaltkondensator Oa ist mit einer antiparallel gepolten Diode D₂ direkt parallel zur Kollektor - Emitter Strecke des Transistors S geschaltet. Da der Ab schaltkondensator Ca vor einem erneuten Einschalten des Transistors S entladen sein muß, ist für den Abschaltkondensator Ca ein Entladenetzwerk Ξ vorgesehen. In Fig. 2 ist eine erste Variante des Entladenetzwerkes E in die Schaltungsanordnung eingefügt. Parallel zu der Freilaufdiode D1 ist eine Reihenschaltung aus einem Thyristor T₉ einer Induktivität Ιη und einem Kondensator C angeordnet. Zum Thyristor T ist eine antiparallel gepolte DiodeD^ in Seihe mit einer Induktivität L₂ parallel geschaltet. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist folgende: Soll der Transistor S eingeschaltet werden, so wird zuerst der Thyristor T gezündet. Der auf den Wert der Gleichspannungsquelle U aufgeladene Kondensator C "beginnt über die noch leitende Freilaufdiode D^ umzuschwingen Ms diese verlöscht und der ümschwingvorgang über den noch aufgeladenen Kondensator Ca fortgesetzt wird, wodurch sich Ca solange entlädt bis die Diode Dg leitend wird· Ab diesem Zeitpunkt kann der Transistor .8 verlustfrei eingeschaltet werden. Während der Transistor S leitend ist, wird über die Diode D^ und die Induktivitäten L₂ und I^ der Kondensator C nachgeladen, wobei der Thyristor T wieder verlöscht.

Die Entladung des Abschaltkondensators Ca vor dem Einschalten kann z.B. durch ein gegenüber dem Thyristor T verzögertes Einschalten des Transistors S oder durch eine Abhängigkeit des Einschaltimpulses für den Transistor S von dessen Kollektor Emitter - Spannung gewährleistet werden« Im ersten Fall wird während einer fest vorgegebenen Zeitverzögerung der Kondensator

Ca entladen, während im zweiten Fall erst zugeschalten werden kann v/enn die Kollektor - Emitter - Spannung des Transistors S ungefährlich kleine Werte angenommen hat.

Eine zweite Variante des Entladene tsrwerke s E ist in der Schaltungsanordnung nach fig· 3 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dadurch, daß zum U achladen des Kondensators C die Induktivität L., die Reihenschaltung des Transistors S^ mit dem Thyristor T überbrückt. Bei dieser Anordnung fließt der IT achladestrom nach erfolgter Entladung des Kondensators G zu einem Teil über den Transistor S und zum anderen Teil über die Induktivität Ji-. · Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bereitstellung von Wechselstrom für eine ohmsch - induktive Last. Die Schaltungsanordnung weist wie die vorgenannten Ausführungsbeispiele einen Transistor S und die dazugehörige Freilaufdiode D^, den Entladekondensator Ca^ und die Diode D₂ auf. Die Funktion des Entladenetzwerkes Ξ übernimmt der antiparallel zur Freilaufdiode angeordnete Transistor S₂ in Verbindung mit dem sich umkehrenden Strom. Zusätzlich ist ein weiterer Entladekondensator Ca₂ parallel zur Freilaufdiode D^ erforderlich, der beim Abschalten des Transistors S₂ wirksam wird. In diesem Fall wirkt die Diode D₂ als Freilaufdiode und die Entladung von Ca₂ erfolgt über den Transistor S^ und den sich wieder umkehrenden Laststrom·

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ist folgende: Ist der Schalter S₂ laststromführend, so ist der Abschal tkondensator Ca^ auf die Spannung der Gleichstromquelle U aufgeladen und Ca₂ entladen· Soll die Stromrichtung in der Last umgekehrt werden, wird der Schalter S₂ abgeschaltet. Der zunächst in gleicher Richtung weiter fließende Strom entlädt den Abschaltkondensator Ca^ und lädt Ca₂* Wird die Spannung an der Diode D₂ positiv, wirkt diese als Freilaufdiode und der Laststrom kann abklingen· Danach ist ein verlustfreies Übernehmen des Stromes vom eingeschalteten Schalter S^ möglich. Wird der Schalter S^ gesperrt, läuft der geschilderte Vorgang in analoger Reihenfolge ab.

Bei dieser Schaltungsvariante ist zu gewährleisten, daß beim Spannung anlegen ein Transistor sofort leitend und ein Transi stör sofort gesperrt ist, da sonst die Abschaltkondensatoren und Ca₂ sich auf ü/2 aufladen.

Claims (5)

' . — 6 - : Erfindungsanspruch
1. .1· Schaltungsanordnung zur Schaltverlustreduzierung eines steuerbaren elektronischen Schalters der gemeinsam mit einer Freilaufdiode zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und einen die Anstiegsgeschwindigkeit der Blockierspannung "begrenzenden Abschaltkondensator aufweist, dadurch.· gekennzeichnet,' daß der Ab schal^kondensator und eine antiparallel gepolte Diode direkt parallel zum elektronischen Schalter angeordnet sind und ein letzwerk zur Entladung des Abschaltkondensators angeordnet ist.
2. 2· Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk zur Entladung des Abschaltkondensators aus einer parallel zur Freilaufdiode angeordneten Reihenschaltung eines Thyristors, einer Induktivität und eines Kondensators sowie einer Kachladeeinrichtung für diesen Kondensator besteht, wobei der thyristor, der die gleiche Polung wie die Freilauf diode aufweist, mit der llachladeeinrichtung überbrückt ist·
3. 3· Schaltungsanordnung nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Uachladeeinrichtung aus einer parallel zum Thyristor angeordneten Reihenschaltung einer zum Thyristor antiparallel gepolten Diode und einer Induktivität besteht·
4. 4· Schaltungsanordnung nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die !aufladeeinrichtung aus einer Induktivität besteht welche die Reihenschaltung von Thyristor und elektronischem

   . Schalter überbrückt· . :
5. 5· Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das netzwerk zur Entladung des Abschaltkondensators aus einem zweiten antiparallel zur Freilaufdiode angeordneten steuerbaren elektronischen Schalter besteht und parallel zu diesem ein zweiter Abschaltkondensator angeordnet ist.

   Hierzu- 1 Blatt Zeichnungen