DD276417A3 - Treiberstufe zur aussteuerung eines ausschaltbaren halbleiterventils in einem spannungsgefuehrten und auf vorwiegend induktive lastanordnung speisenden wechselrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe zur Ansteuerung eines ausschaltbaren Halbleiterventils in einem spannungsgefuehrten und auf vorwiegend induktive Lastanordnung speisenden Wechselrichter mit konstantem Einschaltverhaeltnis und im Nennbetrieb genutzter, jedoch nicht in allen Betriebsfaellen gewaehrleisteter natuerlicher Stromkommutierung. Ziel der Erfindung ist es, mit relativ geringem Schaltungsaufwand in allen Betriebsfaellen hoechste Betriebssicherheit zu gewaehrleisten. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine durch die Amplitude der vom Informationsteil am Eingang des Potentialtrenngliedes bereitgestellte Steuersignalfolge gegebene Information zum Betriebsregime am Ausgang des Potentialtrenngliedes zu einem pegelabhaengigen Ansteuerregime des ausschaltbaren Halbleiterventils fuehrt. Dazu wird eine erfindungsgemaesse Schaltung, bestehend aus Verzoegerungsglied mit nachfolgendem invertierenden Schwellwertschalter, mehreren NAND-Gattern und zwei Spannungsteilern sowie einer bekannten Verstaerkerstufe eingesetzt. Fig. 1

Description

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, in Wechselrichtern mit natürlicher Stromkommutierung im Nennbetrieb, mit relativ geringem Schsltungsaufwand in allen Betriebsfälhsn höchste Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Dailegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung von nur einer potentialtrennenden Schnittstelle zwischen Informations- und Leistungsteil die Ansteuerung der ausschaltbaren Leistungshalbleiterbauelemente so zu gestalten, daß wehrend des Anlaufs und in Schwachlastfällen deren Belastung durch den Entladestrom der Kommutierungskondensatoren minimal ist, bei der Anwendung von Dualthyristoren im Nennbetrieb Zweigkurzschlüsse im Wechselnehmer vermieden und ein ausreichend selektives Verhalten bei Lastkurzschluß garantiert worden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eino durch die Amplitude der vom Informationsteil am Eingang des Potentialtrenngliedes bereitgestellte Steuersignalfolge gegebene Information zum Betriebsregime am Ausgang des Poten'.ialtrenngliedos zu einem pegelabhängigen Anstouerregime des ausichaltbaren Halbleiterventils führt. Bei induktiver Last liogt beim Anlauf und bni Schwachlast am Potentialtrennglied eine rechteckförmige Impulsspannung hohen Pegels und im anschließenden Nennbotrieb eine Impulsspannung etwa halben Pegels an. Der hohe Pegel entspricht etwa der Betriebsspannung des Informationsteiles.

Dem Potentialtrennglied ist sekundärssitig über ein Verzögerung»glied mit nachfolgendem invertierenden Schwellwertschalter nin Eingang eines ersten NAND-Gattei s nachgeschaltet. Parallel zum Verzögerungsglied liegt ein zweites NAND-Gatter, dessen Ausgang an dem anderen Eingang des NAND-Gatters anliegt und dessen Eingänge mit dem Potentialtrennglied und mit dem Ausgang eines zweiten invertierenden Schwellwertschalters verbunden sind. Eine Anzapfung eines Spannungsteilers liegt am Eingang des invertierenden Schwellwertschalters an. Die mit dem Kollektor-, dem Drain- bzw. Anodenanschluß des Halbleiterventils verbundene Diode ift mit einer weiteren Anzapfung des Spannungsteilers anodenseitig verbunden, wobei der Emitter, dao Source, bzw. die Katode des ausschaltbaren Halbleiterventils in bekannter Weise mit der Spannungsvolle verbunden ist. Zwischen dem zweiten NAND-Gatter und dem ausschaltbaren Halbleitorventil ist eine Verstärkerstut'e geschaltet. Nur bei Ansteuerung des Potentialtrenngliedes mit einem Steuersignal hohen Pegels, d. h., im Anlauf- und Schwachlastfall wird die Schaltschwelle des ersten Schwellwertschalters erreicht. Das ausschaltbare Halbleiterventil wird nach Diner vom Verzögerungsglied bestimmten Totzeit über den signalverstSrkenden Ansteuerschallkreis durchgeschaltet, da der am Ausgang diet ·:λ Schwellwertschnlters entstehende L-Pegel am Ausgang des zweiten NAND-Gatter« und des Ansteunrschaltkreises Η-Pegel hervorruft. Die Totzeit von wenigen Mikrosekunde» ist normalerweise in spannungsgespeisten Wechselrichtern erforderlich, um Zweigkurzschlüsse während der Kommu'.ie-'jngsvorgänge zu vermeiden. Bei Steuersignal-L entsteht nahezu verzügerungsfrei auch om Ausgang des Ansteuerschaltkreis« s L-Pegel. Das ausschaltbare Halbleiterventil schaltet aus. Im Nennbetrieb kann bei gegenüber dem Anlauf- und Schwachlastfall etwa halbierter Steuersignalamplitude im Falle von Steuersignal-Η der erstu Schwellwertschalter durch die Vage soiner Ansprechschwelle nicht auf L-Pegel durchschalten. Unterschreitet bei natürlicher Laststromkommutierung (Nennbetrieb) auf doti zum ausschaltbaren Halbleiterventil parallel liegenden Kondensator bzw. die antiparallele Diode diu Spannung über dessen Hauptanschlüssen einen geringen positiven Wert, wird die Diode, die zwischen dem Spannungsteiler und einem Hauptanschluß des ausschaltbaren Halbleiterventils liegt, leitend. Am Ausgang des zweiten Schwellwertschaltors entsteht Η-Pegel. Damit ergibt sich mit Steuersignal-Η am Ausgang des zweiten NAND-Gatters L-Pegol und somit unabhängig vom Einschalten des ersten Schwellwertschalter H-Pet,il am NAND-Ausgang. Das Einschalten des Halbleiterven'Jls erfolgt demnach unverzögert über den ausschließlich im Nennbetrieb wirksamen Pfad Potentialtrennglied, zweites NAND-Gatter, erstes NAND-Gatter, Verstärkerstufe. Auf die Totzeit kann im Nennbetrieb verzichtet werden, da wegen der ausschließlichen Einschaltmöglichkeit des ausschaltbaren Halbleitervsntils bei niedriger Spannung übor den Hauptanschlüssen Querkurzschlüsse während der Kommutierung ausgeschlossen sind. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann bei Nutzung der Vorzüge von Steuurprinzipien mit natürlicher Stroinkommutierung beim Einschalten mit nur einem Potentialtrennglied und hoher Betriebssicherheit das Anlauf- und Schwachlastverhalten des Wechselrichters beherrscht werden. Außer bipolaren und unipolaren Leistungsschalttransistoren können auch GTO-Thyristoren eingesetzt werden.

Ausfuhrungsbelsplel In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2: den Schaltplan zu Fig. 1, Fig. 3: ein Impulsdiagramm des Eingangssignals von Impulsübertrager 1 beim Übergang von Anlauf- in Nennbetrieb.

Dem Impulsübertrager 1 ist sekundärseitig über ein Verzögerungsglied 2 mit nachfolgendem invertierenden Schwellwertschalter 3 ein Eingang eines ersten NAND-Gatters 12 nachgeschaltet. Parallel zum Verzögerungsglied 2 liegt ein weiteres NAND-Gatter 4, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des NAND-Gatters 12, und dessen Eingänge mit dem Potentialtrennglied 1 und mit dem Ausgang eines weiteren invertierenden Schwellwertschalters 5 verbunden sind. Eine Anzapfung eines Spannungsteilers 8-10 liegt am Eingang des invertierenden Schwellwertschalters 5 an. Die am Kollektor des .Leistungsschalttransistors 7 angeschlossene Diode 11 ist mit einer weiteren Anzapfung des Spannungsteilers 8-10 anodenseitig verbunden, wobei der Emitter des Leistungsschalttransistors mit der Spannungsquelle 6 verbunden ist.

Der gemäß 'rig. 2 als Potentialtrennglied eingesetzte, quasistatisch angesteuerte Impulsübertrager 1 ist sekundärseitig durch einen Widerstand 14 abgeschlossen und einerseits mit dem Emitterpotential des Leistungsschalttransistors 7, andererseits mit der Anode einer ersten Diode 15 verbunden. Die Katodo dei Diode 15 ist mit einem Widerstand 16 und einer Anzapfung eines Spannungsteilers 17-18 verbunden. An der Katode liegt die Information bezüglich des Steuerregimes an. Hoher Pegel bedeutet Anlauf bzw. Schwachlastbetrieb und niedriger Pegel Nennbetrieb.

Bei hohem Pegel wird der zwischen den parallelgeschalteten Eingängen des Schmitt-Trigger-NAND 3 und Emitterpotential angeordnete Kondensator 21 über den mit einer weiteren Anzapfung des Spannungsteilers 17-18 verbundenen Widerstand 19 bis über den Umschaltpunkt des Gatters aufgeladen (Anlauf- bzw. Schwachlastbetrieb). Der Widerstand 19 ist zum Entladen durch eine Diode 20 überbrückt. Mit Ausgangs-L-Pegel des invertierenden Schwellwertschalters 3 wird der Ausgang des nachgeschalteten Schmitt-Trigger-NAND 12 auf Η-Pegel gesetzt, d. h., die Ausgangsstufe des nachgeschalteten Schaltkreises 13 schließt die Verbindung zwischen den Widerständen 22 und 23.

Im folgenden sei zunächst die vollständig bekannte Treiberstufe unter Verwendung des Spezialschaltkreises 13 beschrieben. Der Leistungsschalttransistor 7 ist ein npn-Transistor für höhere Spannungen. Die Schaltung zu seiner Ansteuerung besteht aus einem Schaltkreis 13 und aus Transistorschaltstufen zur Verstärkung seiner Ausgangsströme. Der positive und negative Bassisstrom für den Leistungsschalttransistor wird durch die Spannungsquellen β und 35 geliefert. Über den Steuereingang des Schaltkreises erfolgt die Steuerung der Schaltkreisausgänge, wodurch alternativ die Anschlüsse des Kollektors und des Emitters für positiven Steuerstrom +1 oder die Anschlüsse des Kollektors und des Emitters für negativen Steuerstrom -1 niederohmig verbunden sind. Zwischen dem Kollektoranschluß für positiven Steuerstrom und der Basis eines pnp-Transistors 24 ist der o.g. Widerstand 22 angeordnet. Der Emitteranschluß des schaltkreisinternen Treibers für positiven Steuerstrom ist über den Widerstand 23 mit dem Knotenpunkt zwischen Minuspol der Spannungsquelle 6, Pluspol der Spannungsquelle 35 und dem Emitter des Leistungsschalttransistors 7 verbunden. Zwischen dem Basisanschluß des Transistors 24 und dem Pluspol der Spannungsquelle 6 sind die Dioden 25 bis 28 in Flußrichtung angeordnet. Der Emitter des Transistors 24 ist mit dem Pluspol der Spannungsquölle 6 über einen weiteren Widerstand 29 verbunden. Ein npn-Transistor 30 liegt mit seinem Kollektoranschluß ebenfalls am Pluspol der Spannungsquelle 6. Die Basis des Transistors 30 ist mit dem Kollektor des Transistors 24, der Emitter des Transistors 30 mit der Basis des Leistungsschalttransistors 7 und dem Emitter eines. pnp-Transistors 34 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 34 liegt am Kollektor des schaltkreisinternen Treibers für den negativen Steuerstrom -I an. Der Emitteranschluß des schaltkreisinternen Treibertransistors und der Kollektor des Transistors 34 sind mit dem Minuspol dar Spannungsquelle 35 verbunden.

Wenn der Schaltkreis 13 die Verbindung zwischen den Widerständen 22 und 23 schließt, steuert der Transistor 24 durch. Es erfolgt ein Stromfluß in die Basis des anzusteuernden Leistungsschalttransistors 7. Eine zwischen dem Basisanschluß des Transistors 30 und dem Kollektoranschluß des Leistungsschalttransistors 7 angeordnete Diode 31 dient zur Regelung des BasisRtroms des Leistungsschalttransistors auf einen fixierten, kollektorstromunabhängigen Sättigungszustand. Über die Diode 11 wird die Spannung am Widerstand 10 bei leitender Diode, d. h., bei niedriger Kollektor-Emitter-Spannung herabgesetzt. Unterschreitet der, gemäß dem Teilerverhältnis der Widerstände 8 und 9 entstehende, Spannungspegel den Umschaltpunkt des Schwellwertschalters 5, erfolgt mit dem Η-Signal am Ausgang des Schwellwertschalters 6 eine Torung des über den Widnrstand 16 zugeführten Signales durch das NAND 4. Unabhängig vom Ausgangspegel dos NAND 3 kann mit Eingangs-H-Pegel am NAND 4 (Au&gangs-L-Pegel) das Einschalten des Schaltkreises 13 bzw. des LeistungsschaltUansistors 7 erfolgen. Im Aus-Zustand wird über die Ausgänge des Schaltkreises 13 der pnp-Transistor 34 durchgesteueri. Über dessen Kollektor-Emiltor-S'.recke ist die Basis des Leistungsschalttransistors 7 dann mit der negativen Steuerspsnnung 35 verbunden. Nur boi Ansteuerung des Impulsübertragers 1 mit einem Steuersignal hohen Pegels, d. h., im Anlauf- und Schwachlastfall wird die Schaltschwelle des Schwellwertschalters 3 erreicht. Der Leistungsschalttransistor 7 wird nach einer vom Verzögerungsglied 2 bestimmten Totzeit durchgeschaltet. Die Totzeit von wenigen MikroSekunden ist normalerweise in spannungsgespeisten Wechselrichtern erforderlich, um Zweigkurzschlüsse während der Kommutierungsvorgänge zu vermeiden. Bei Steuersignal-L entsteht nahezu verzögerungsfrei auch am Ausgang des Ansteuerschaltkreises L-Pegel. Der Leistungsschalttransistor 7 schaltet aus.

Im Nennbetrieb kdnn bei gegenüber dem Anlauf- und Kchwachlastfell etwa halbierter Steuersignalamplitude im Falle von Steueroignal-H der Schwellwertschalter 3 durch die Latte seiner Ansprechschwelle nicht auf L-Pegel durchschalten. Unterschreitet bei natürliche Laststromkommutierung {Nennbetrieb) auf den zum Leistungsschalttransistor 7 parallel Mögenden Kondensator bzw. die antiparallele Diode die Kollektor-Ε mitter-Spannung (z. B. etwa 5 V, vorgegeben durch Spannungsteiler 8 bis (0), wird die Diode 11 leitend. Am Ausgang des invertierenden Schwellwertschalters 5 enittehtH-Pegel. Damit ergibt eich mit Steuoriiignal-H am Ausgang des NAND-Gatters 4 L-Pegel und somit unabhängig vom Einschalten des Schwellwertschalter* 3 Η-Pegel am NAND-Ausgang 12. Das Einschalten der. H. Ibleiterventils erfolgt demnach unverz*gert über den ausschließlich im Nennbetrieb wirksamen Pfad 1,4,12,13. Auf die Totzeit kann im Nennbetrieb verzichtet werden, da wegen der ausschließlichen Einschaltmöglichkeit des Leistungsschalttransistor 7 bei niedriger Kollektor-Emitter-Spannung Querkurisehlüsse während der Kommutierung ausgeschlossen sind

Die Schaltungsanordnung wurde mit Schmitt-Trigger-Schaltkreisen V 4093 und dem Ansteuerschaltkreis B 4002 realisiert.

Claims (1)

1. Treiberstufe zur Ansteuerung eines ausschaltbaren Halbleiterventils in einem spannungsgeführten und auf vorwiegend induktive Lastanordnung speisenden Wechselrichter unter Verwendung einer katodenseitig mit dem Kollekte r, dem Drain- bzw. Anodenanschluß des Halbleiterventils verbundenen ersten Diode, einer Verstärkerschaltung sowie einem Potentialtrennglied zur Übertragung rechteckförmiger Impulsspannung unterschiedlichen Pegels, welches sekundärseitig mit einem Widerstand abgeschlossen und dem eine zweite Diode nachgeschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode der zweiten Diode (15) mit einem ersten Spannungsteile^r (17,18) verbunden ist, eine Anzapfung des Spannungsteilers (17.18) über ein RC-Glied (19,21) auf einen invertierenden Schwellwertschalter (3) geführt ist, der Ausgang des Schwellwertschalters (3) am Eingang eines ersten NAND-Gatters (12) anliegt, der Spannungsteiler (17,18) außerdem über einen Widerstand (16) am Eingang eines zweiten NAND-Gatters (4) liegt, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des ersten N AND-Gatters (12) verbunden ist, der andere Eingang des zweiten NAND-Gatters (4) mit dem Ausgang eines zweiten invertierenden Schwellwertschalters (5) verbunden ist, der Eingang des zweiten Schwellwertschalters (5) an einer Anzapfung eines zweiten Spannungsteilers (8-10) anliegt und die erste Diode (11) an einer weiteren Anzapfung des zweiten Spannungsteilers (8-10) anodenseitig angeschlossen ist, wobei der Emitter, das Source, bzw. die Katode des ausschaltbaren Halbleiterventils in bekannter Weise mit der Spannungsquelle (6) verbunden ist und beim Anlauf am Potentialtrennglied (1) eine rechteckförmige Impulsspannung hohen Pegels sowie im anschließenden Nennbetreib eine Impulsspannung etwa halben Pegels anliegt.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe zur Ansteuerung eines aussuhakbaren Halbleiterventüs in ainem spannungsgeführten und auf vorwiegend induktive Lastanordnung speisenden Wechselrichters mit konstantem Einschaltverhältnis und im Nennbetrieb genutzter, jedoch nicht in allen Betriebsfällen gewährleisteter natürlicher Stromkommutierung.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   In spannungsgeführten Wechselrichtern mit konstantem Einschaltverhällnis der Ventile ist e« zur Verlustsenkung möglich, das Einschalten der Ventile während der natürlichen Stromkommutierung zu realisieren, sofern eine induktive Lastkomponente vorhanden ist.

   Typische Lösungen sind in der Applikationsschrift der Firma Thomson CSF .Handbuch Il - Transistoren in der Leistungselektronik" 1984, Kap. 21-23, S. 331 ff., beschrieben. In der Schrift wird eine Anwendung o. g. Dualthyristorprinzips auf bipolare Leistungsschalttransistoren beschrieben. Zu den Transistoren sind zur Stromkommutierung Kondensatoren parallelgeschaltet. Bei induktiver Last belastet die Entladung dieser KommutierungskondensatorC/n die Transistoren nicht zusätzlich. Da die gespeicherte Enorgie vollständig rückgespeist wird, werden geringe Transistorschaltverluste und ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht.

   Um ein Aufschalten auf den geladenen Kommutierungskondensator und den Laststrom zu vermeiden und wegen einer einfachen Ansteuerung, wird eine Torung des Ansteuersignals durch das Ausgangssignal eines Meßgliedes für die Kollektor-Emitter-Spannung vorgeschlagen. AIo ein solches Meßglied kann z.B. die in WP 248460 (HC 2M 1/08) realisierte Entsättigungsüberwachung (katodenseitig am Kollektor angeschlossene, hochsperrende Diode) mit einem nachgeschalteten Negator genutzt werden. In WP 248460 wird der Eh .atz des Ansteuerschaltkreises B 4002 beschrieben. Der einen positiven Steuerstrom liefernde Ausgang des Schaltkreises ist mit dem Basisanschluß einer transistorierten Stromquelle verbunden, die den positiven Basisstrom für den Leistungstransistor liefert. Der einen negativen Steuerstrom liefernde Ausgang des Schaltkreises liegt über ein UND-Glied und einer Transistorschaltstufe ebenfalls an der Basis des Leistungsschalttransistors an. Der zweite Eingang des UND-Gliedes ist mit der Anordnung zur Entsättigungsüberwachung verbunden. Schwerpunkt liegt auf kurzen Ausschaltzeiten des Leistungsschalttransistors. Durch zusätzliche Verknüpfung von Ausgangssignal des Meßgliedes für die Kollektor-Ernitter-Spannung und Ausgangssignal des Ansteuerschaltkreises kann die vorgeschlagene Torung verwirklicht werden.

   Da das Einschalten derartiger Schaltungen ausschließlich im spannungslosen Zustand möglich ist, erfordert eine zeitweilige Realisierung konventioneller Ansteuerprinzipien, die zum Anfahren und zur Beherrschung von Schwachlastfällen notwendig sind, eine weitere potentieltrennende Schnittstelle, über welche die beschriebene Verriegelung aufgehoben werden kann. Ein zweites Potentialtrennglied bewirkt nicht nur einen erhöhten Materialaufwand (Wickelteile), sondern stellt auch eine zusätzliche Störquelle dar. Ursache sind für Wechselrichter typische, steile Spannungsänderungen, die Verschlobeströme über die in jedem Potentialtrennglied vorhandene Koppelkapazitäten bewirken. Auf diesen Sachverhalt, der oft zusätzliche Entstörmaßnahmen (Abschirmwicklungen, Tiefpaßbeschaltung) notwendig macht, wird z.B. im VEM-Handbuch Leistungselektronik) 3.Auflage, S. 156 f. (VEB Verlag Technik, Berlin 1983) und in der o.g. Applikationsschrift der Fa. Thomson-CSF hingewiesen.