DE2840100A1

DE2840100A1 - Inverterschaltung

Info

Publication number: DE2840100A1
Application number: DE19782840100
Authority: DE
Inventors: Robert Bewes Molyneux-Berry
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1978-09-14
Publication date: 1980-01-31
Also published as: US4286314A; GB2026261A; GB2026261B

Description

Die Erfindung betrifft Inverterschaltkreise und ist besonders für die Verwendung bei Inverterschaltkreisen geeignet, die bei hohen Frequenzen zur Überleitung einer sehr hohen Leistung auf eine Last betrieben werden. Inverterschaltungen werden für Leistungsregelungen zunehmend verwendet, da sie theoretisch in sehr v/irksamer Weise arbeiten; da jedoch allgemein eine Schutzbeschaltung mit einem Widerstandselement notwendig ist, um den die Grundlage eines Inverterschaltkreises bildenden Schalter zu schützen, wird trotzdem eine gewisse Energiemenge unnütz vergeudet. Diese unnütze Vergeudung von Energie steigt beträchtlich an, wenn die Inverter bei höheren Gesamtleistungswerten und bei höheren Frequenzen arbeiten. Wie diese Verluste entstehen, wird mit Bezug auf die Figur 1 der Zeichnung nachfolgend erklärt.

Nach Figur 1 ist ein herkömmlicher Inverter mit den Klemmen 1 und 2 an einer Leistungsquelle angeschlossen und besteht aus einem Schalter S₁, der in Reihe mit einer Last 3 an den Klemmen 1 und 2 anliegt. Ein Kondensator C_c ist in Reihe mit einem Widerstand R geschaltet und beide liegen parallel zum Schalter S- . Eine Diode D,., liegt parallel zum Widerstand R^. Die Anwesenheit des Kondensators C_c setzt die Gefahr herab, daß unbeabsichtigt eine Vorwärtsspannung am Schalter S₁ mit übermäßiger Rate oder mit übermäßigem Ausmaß dann anliegt, wenn der Schalter entweder im nichtleitenden Zustand ist oder seinen Leitzustand beendet. Eine solche übermäßige Wiederanlegung einer Vorwärtsspannung kann vom Reststrom in der Last herrühren, die sehr oft einen induktiven Anteil enthält oder sie kann von unerwünschten Übergangs- oder Schaltwirkungen im System herrühren. Der Kondensator setzt die Gefahr, daß der Schalter entweder zerstört oder zum unerwünschten Zeitpunkt leitend wird, herab und die Diode D ist vorgesehen, um unerwünschte Resonanzschwingungen zu verhindern, die sich beim Einschalten des Schalters S₁ aufbauen, wobei der Kondensator C₀ sich über den Widerstand R entladen kann. Die Diode D dient zusätzlich dazu, einen Stromrückfluß unter diesen Umständen zu verhindern und sie läßt einen Vor-

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wärtsstrom fließen, um die Gefahr einer Wiederanlegung einer Vorwärtsspannung am Schalter mit außerordentlicher Rate zu verhindern oder doch zu reduzieren. Wenn der Schalter S₁ voll leitend ist, wird die Diode D kurzgeschlossen.

Die im Kondensator C_c gespeicherte Energie steigt mit dem Kapazitätswert des Kondensators und mit dem Quadrat der Spitzen-Aufladespannung, und so wird Energie vergeudet, wenn sich der Kondensator durch den Widerstand R entlädt. Bei hoher Frequenz und bei hoher Leistung nimmt der sich ergebende Leistungsverlust im Widerstand R bedeutende Werte an.

Es ist Ziel der Erfindung, einen Inverter mit geringen Leistungsverlusten zu schaffen.

Erfindungsgemäß enthält eine Inverterschaltung mit einem Schalter, der periodisch zum Anlegen gepulster Leistung von einer Leistungsquelle an eine Last leitfähig gemacht wird und mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode parallel zu dem Schalter einen weiteren mit dem Kondensator verbundenen Schalter, der periodisch den Kondensator zur Rückgabe der durch ihn gespeicherten Energie an die Leistungsquelle entlädt.

Vorzugsweise ist in Reihe mit dem weiteren Schalter eine mit dem Kondensator einen Resonanzkreis bildende Induktivität vorgesehen.

Vorzugsweise ist in Kombination mit dem Kondensator eine Diode vorgesehen, die eine Aufladung des Kondensators von der Leistungsquelle im Leitzustand des weiteren Schalters verhindert.

Alternativ kann der weitere Schalter so ausgebildet sein, daß er eine Diode enthält, so daß er nur in einer Richtung leitet.

Vorzugsweise sind Einrichtungen zur Begrenzung der Aufladespitzenspannung des Kondensators auf einen vorbestimmten Wert vorgesehen.

Typischerweise ist der vorbestimmte Wert zweimal so groß wie die durch die Leistungsquelle zur Verfügung gestellte Spannung.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine bekannte Inverterschaltung,

Figur 2 eine erfindungsgemäße Inverterschaltung,

Figur 3 eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Inverterschaltung und

Figur 4 eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Inverterschaltung.

Nach Figur 2 sind die Klemmen 1 und 2 in gleicher Weise wie in Figur 1 mit einer Leistungsquelle verbunden. Zwischen die beiden Klemmen ist ein Versorgungskondensator C geschaltet. Eine Last 3 und ein Schalter S₁ liegen in Reihe an den Klemmen 1 und 2 und eine Diode D„ und ein Kondensator C_a sind in Reihe geschaltet und bilden einen Parallelweg zum Schalter S₁- Eine weitere Diode D , eine Induktivität L und ein Schalter S_n liegen in Reihe · zwischen dem Verbindungspunkt zwischen Diode D und Kondensator C sowie der Klemme 1. Eine Spannungs-Begrenzungsschaltung besteht aus einem Abstimmtransformator mit enger Kopplung T und einer Diode D ; sie liegt gleichfalls zwischen den Klemmen 1 und 2, wobei die Sekundärwicklung des Transformators T parallel zur Last 3 liegt.

Während des normalen Betriebs des Inverters wird der Schalter S₁ periodisch mit der Impulswiederholungsrate des Inverters geschlossen und bleibt während des Anteils der Impulswiederholungszeit geschlossen, die nötig ist, um der Last 3 die erforderliche pulsierende Leistung zuzuführen. Der weitere Schalter S_ wird mit

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der gleichen Impulswiederholungsfrequenz wie der Schalter 1 leitend gemacht und er kann mit der gleichen Schaltdauer leitfähig bleiben wie Schalter S₁, er kann jedoch auch andere Einschaltdauer innerhalb der Einschaltzeit des Schalters S₁ besitzen. Der Transformator T

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stellt sicher, daß während der Trennzeit oder Unterbrechungszeit des Schalters S₁ der Kondensator C sich zur doppelten Versorgungsspannung auflädt. Wenn der Schalter S_n geschlossen ist, fließt in den aus dem Kondensator C„, der Diode D , der Induk-

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tivität L und dem weiteren Schalter S_D bestehenden Resonanzschaltung ein Strom von der Form einer halben Sinuswelle. Wenn der Resonanzschaltkreis verlustlos ist, entlädt sich der Kondensator C_q exakt auf die Spannung O und die gesamte in ihm gespeicherte Energie wird an den Versorgungskondensator C zurückgeführt. Im praktischen Betrieb kann es vorkommen, daß die Entladung nicht vollständig verlustlos ist und in diesem Falle behält der Kondensator C_c eine kleine Restladung. Wenn die Restladung unannehmbar hoch ist, kann die Anfangsspannung, auf die der Kondensator C sich auflädt, durch Veränderung des Windungs-Verhältnisses des Transformators T eingestellt werden. Der Wert der Induktivität L_n wird so ausgewählt, daß die Zeit, innerhalb der die Entladung des Kondensators C vollständig erfolgt, nicht größer als die Mindest-Leitzeit des Schalters S₁ ist. Die Diode D verhindert eine Wiederaufladung des Kondensators C aus der Versorgungsquelle. Die Diode D_n ist in Figur 2 als getrenntes Schaltelement gezeichnet; sie kann jedoch auch in dem Schalter S_n aufgenommen sein, wenn dieser ein nur in einer Richtung lei-

tender Schalter ist. In diesem Fall kann die Diode D_n weggelassen werden.

Der Abstimmtransformator T in Figur 2 dient zur Begrenzung der maximalen Aufladespannung des Kondensators C_c auf die zweifache Spannung der Leistungsquelle in bekannter Weise. Alternative Verfahren zur Begrenzung der Ladespannung des Kondensators C auf einen vorbestimmten Wert sind bekannt; beispielsweise kann statt des Transformators T und der Diode D kann eine weitere Diode zwischen dem Verbindungspunkt zwischen Diode D und Kondensator C_c und einer weiteren Versorgungsquelle mit dem doppelten Spannungswert der an den Klemmen 1 und 2 anliegenden Versorgungsquelle geschaltet werden.

Bei Hochleistungsinvertern kann es erforderlich sein, daß mehr als ein Hauptschalter S₁ vorgesehen wird, und in diesem Fall

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wird jeder Schalter mit einem eigenen Kondensator C„ versehen, so daß jeder Schalter geschützt ist. Eine derartige Beschaltung ist in Figur 3 dargestellt, wobei eine gemeinsame Energie-Rückführschaltung verwendet ist. Die Schalter S-, S₂ und S₃ sind jeweils mit den Kondensatoren C_q1; C_q~; C_q3 und den Diodenpaaren ⁰SV ^DR1^{; D}S2' ^DR2^{? D}S3' ^DR3 ^schaltet. Die Dioden D_R1 ^ D_R2 und D_ sind gemeinsam mit einer Induktivität L_n verbunden, die über

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einen weiteren Schalter S_n an der Leistungsversorgung und dem

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Leistungsversorgungskondensator C liegt. In diesem Fall sind die Dioden D_n., D₂ und D_n-. erforderlich, und es können soviele zusätzliche Stufen wie notwendig vorgesehen werden, wenn alle Kondensatoren gleichzeitig entladen werden.

Es ist möglich, Hochleistungsinverterschaltungen mit in Reihe angeordneten Schaltern in Einfach- oder Brückenform auszurüsten, und in diesem Fall können Dioden-Begrenzungsanordnungen nach Figur 4 vorteilhafterweise verwendet werden, um die Ladespitzenspannung des Kondensators C„ zu bestimmen. In Figur 4 lädt sich der Kondensator C_q1 bis zur Spannung der negativen Versorgungsleitung und ein Kondensator C_q2 bis zur Spannung der positiven Versorgungsleitung auf, und es ist zu sehen, daß keine zusätzlichen Versorgungsleitungen oder Begrenzungs-Transformatoren ■ nötig sind. Die Kondensatoren C_q1 und D ~ werden durch verlustlose Resonanz mit einer gemeinsamen Induktivität L_n entladen, die, wie gezeigt, in Reihe mit einem weiteren Schalter S₀ liegt, so daß die in den Kondensatoren gespeicherte Energie an den Versorgungskondensator C zurückgeführt wird. Die in der dargestellten Weise in Reihe mit der Induktivität L₀ geschaltete Diode D_n kann, wie bereits erwähnt, weggelassen werden, wenn der Schalter S_n ein

nur in einer Richtung leitfähiger Schalter ist.

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Claims

-Patentansprüche-

1.J Inverterschaltung mit einem zur übergabe von gepulster Leistung von einer Leistungsquelle an eine Last periodisch in den leitenden Zustand versetzten Schalter und mit einer parallel zum Schalter liegenden Reihenschaltung einer Diode und eines Kondensators, dadurch g e kennzeichnet , daß mit dem Kondensator (C₀) ein weiterer Schalter (S_) gekoppelt ist, durch den der Kondensator periodisch zur Rückleitung der in ihm gespeicherten Energie an die Leistungsquelle periodisch entladbar ist.

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2. Inverterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem weiteren Schalter (S_n) eine mit dem Kondensator (C₀) einen Resonanzkreis bil-

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dende Induktivität (L₀) vorgesehen ist.

3. Inverterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in Kombination mit dem Kondensator (C„) eine die Aufladung des Kondensators durch die Leistungsquelle im Leitzustand des weiteren Schalters (S_n) verhindernde Diode (D_n) vorgesehen ist.

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4. Inverterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (T, D) zur Begrenzung der Spitzen-Ladespannung des Kondensators auf einen-vorbestimmten Wert vorgesehen ist.

5. Inverterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert der doppelte Spannungswert der Leistungsquelle ist.

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