DE3120469C2

DE3120469C2 - Schaltungsanordnung zur Entlastung elektronischer Zweigpaare von der Verlustenergie beim Ein- und Abschaltvorgang

Info

Publication number: DE3120469C2
Application number: DE19813120469
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 3000 Hannover Marquardt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1981-05-20
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3120469A1

Abstract

Neben den ohnehin bei Ein- und Abschaltungsnetzwerken eines elektronischen, aus einem steuerbaren Schalter (Th) und einer ersten Freilaufdiode (D ↓f ↓1) gebildeten Zweigpaares notwendigen Elementen Einschaltentlastungsdrossel (L ↓e) und Abschaltentlastungskondensator (C ↓a) ist ein dritter Energiespeicher - ein unipolar betriebener Speicherkondensator (C ↓S ↓p) - vorgesehen, der die Energie der beiden Blindelemente (L ↓e) und (C ↓a) zeitweise zwischenspeichert. Die Energie dieses Speicherkondensators (C ↓S ↓p) wird nach dem Abschaltvorgang über eine zweite Freilaufdiode (D ↓f ↓2) in die Last geliefert. Das Umladen des Abschaltentlastungskondensators (C ↓a) erfolgt nach dem Einschalten des steuerbaren elektronischen Schalters (Th), wobei die Einschaltentlastungsdrossel (L ↓e) als Umschwingdrossel wirkt. Über eine Abschaltentlastungsdiode (D ↓a), eine Sperrdiode (D ↓s) und die zweite Freilaufdiode (D ↓f ↓2) besteht ein Schaltungspfad, der die Spannung am steuerbaren elektronischen Schalter (Th) nicht über die Gleichspannung (U ↓D) ansteigen läßt.

Description

— sie eine Kombination eines Ein- und Abschaltentlastungsnetzwerkes aufweist, ohne daß prinzipbedingte Verluste auftreten,

— ein möglichst geringer Aufwand an Bauelementen, insbesondere auch eine Rückspeisung der gespeicherten Energien ohne Verwendung zusätzlicher steuerbarer elektronischer Schalter en eicht wird und

— Überspannungen, die den steuerbaren elektronischen Schalter beanspruchen, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei der Schaltung nach der Erfindung ist also vorteilhafterweise ein dritter Energiespeicher — ein uniDolar betriebener SDeicherkondensator — vorgese-

hen, der die Energie der beiden grundsätzlich notwendigem Blindelemente Einschaltentlastungsdrossel und Abschaltentlastungskondensator lediglich zeitweise zwischenspeichert Die Energie dieses Speicherkondensators wird nach dem Abschaltvorgang nicht in Verlustenergie umgesetzt, sondern über die zweite Freilaufdiode nutzbringend in die Last geliefert Das Umladen des Abschaltentlastungskondensators erfolgt nach dem Einschalten des steuerbaren elektronischen Schalters, wobei die ohnehin benötigte Einschaltentlastungsdrossel als Umschwingdrossel wirkt Ober die neben der ersten Freilaufdiode vorhandenen Dioden besteht ein Schaltungspiad, der die Spannung am steuerbaren elektronischen Schalter nicht über die Speise-Gleichspannung ansteigen läßt

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet.

Wird aus Gründen einer freizügigeren Schaltungsdimensionierung ein getrennter Umschwingkreis eingeführt (Patentanspruch 3), führt der Schaltungspfad, der die Spannung am Schalter nicht über die Speise-Gleichspannung ansteigen läßt, über die zweite Abschaltentlastungsdiode und die zweite Freilaufdiode.

Bei einer Kapazität des Speicherkondensators, die wesentlich größer als die des Abschaltentlastungskondensators gewählt wird, ergibt sich vorteilhafterweise, daß die über die Speise-Gleichspannung hinausgehende Sperrspannungsbeanspruchung der ersten Freilaufdiode dadurch gering wird.

Grundsätzlich die gleiche günstige Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ergibt sich, wenn die Polarität aller Dioden, des steuerbaren elektronischen Schalters und der Gleichspannungsquelle umgekehrt ist, also »positiver« Pol gegen »negativer« Pol und »Anode« gegen »Kathode« vertauscht sind.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 eine Schaltungsvariante mit veränderten Freilaufdiodenanschlüssen,

Fig.3 eine Schaltungsvariante mit getrenntem Umschwingkreis,

Fig.4 eine Schaltungsvariante mit verändertem Anschluß des Abschaltentlastungskondensators,

F i g. 5 eine Schaltungsvariante mit gegenüber dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 umgekehrter Polarität und

Fig.6 eine Antiparallelschaltung zweier elektronischer Zweigpaare.

\n F i g. 1 ist eine Gleichspannungsquelle gezeigt, zwischen deren positivem und negativem Pol eine Gleichspannung Ud besteht Zwischen den Polen liegt ein elektronisches Zweigpaar, das aus einem steuerbaren elektronischen Schalter Th, z. B. einem Thyristor und einer (ersten) Freilaufdiode Dn gebildet ist.

In Serie zum steuerbaren elektronischen Schalter Th ist eine Einschaltentlastungsdrossel L_e vorgesehen, die die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes durch den Schalter Th bei dessen Einschalten begrenzt. Ferner ist parallel zum Schalter Th cir. Abschaltentlastungskondensator Ca vorgesehen, der die AnstiegsgesiJnvir.digkeit der Blockierspannung am Schalter Th bei dessen Abschalten begrenzt.

Zur Entlastung dieser Schaltungsanordnung von der Verlustenergie beim Ein- und Abschaltvorgang des Schalters Th sind gemäß der Erfindung folgende Maßnahmen erforderlich:

An die mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle Ud verbundene Anode der Freilaufdiode Dn des Zweigpaares (erste Freilaufdiode) ist die Anode einer zweiten Freiluufdiode Dr2 angeschlossen. Zwischen den Kathoden der ersten und der zweiten Freilaufdiode Dn und Df2 ist ein unipolar betriebener Speicherkondensator Csp geschaltet Die Kathode der ersten Freilaufdiode Dr, ist über die Einschaltdrossel L_cmh der Kathode des steuerbaren elektronischen Schalters Th verbunden. Dessen Kathode ist außerdem an die Kathode einer Abschaltentlastungsdiode D_a angeschlossen, deren Anode über den Abschaltentlastungskondensator C₃ an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle Uo angeschlossen ist Die Anode des Schalters Th liegt direkt ebenfalls an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ud- Zwischen die Anode der Abschaltentlastungsdiode Dj und die Kathode der zweiten Freilaufdiode Df2 ist eine Sperrdiode D_s mit Durchlaßrichtung zur Abschaltentlastungsdiode D₃ geschaltet

Der Anschluß des aus der Gleichstromquelle Ud über den elektrischen Schalter Th gespeisten Verbrauchers kann wahlweise — wie in den Zeichnungen angegeben — an den mit A oder B bezeichneten Punkten erfolgen. Darüber hinaus ist der Anschluß an eine Anzapfung der Einschaltentlastungsinduktivität L_c möglich. Weitere mögliche Anschlußpunkte ergeben sich, wenn die Einschaltentlastungsinduktivität aus der Reihenschaltung mehrerer Induktivitäten gebildet wird. Dadurch ergeben sich jedoch keine grundlegenden Vorteile. Diese Wahlmöglichkeiten hinsichtlich des Anschlusses für den Laststrom bestehen, weil im allgemeinen in Reihe mit der Last eine nennenswerte Induktivität vorhanden ist. Falls dies nicht zuträfe, wären die Freilaufdioden überflüssig und der Einsatz eines Zweigpaares zum Schalten wäre nicht sinnvoll.

Der als dritter Energiespeicher vorgesehene, nur unipolar betriebene und in seiner Kapazität gegenüber dem Abschaltentlastungskondensator C₃ groß bemessene Speicherkondensator Csp, speichert die Energie der beiden grundsätzlich notwendigen Blindelemente L_c und G zeitweise zwischen. Diese gespeicherte Energie wird nach dem Abschaltvorgang über die zweite Freilaufdiode Df 2 in die Last geliefert. Das Umladen des Abschaltentlastungskondensators C₃ erfolgt dann nach dem Einschalten des steuerbaren elektronischen Schalters Th, wobei die ohnehin benötigte Einschaltentlastungsdrossel Lc als Umschwingdrossel wirkt. Zusätzlich besteht über die Dioden D₃, D₅ und Dr2 ein Schaltungspfad, der die Spannung am steuerbaren elektronischen Schalter Th nicht über die Gleichspannung LO ansteigen läßt.

Abweichend von der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist bei der in F i g. 2 gezeigten Schaltungsvariante die Anode der ersten Freilaufdiode Dn nicht mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle Ud, sondern mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode Df2 verbunden. Hierbei ergeben sich allerdings geringfügig erhöhte Durchlaßverluste infolge der Reihenschaltung beider Freilaufdioden Dn und Dn.

Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltungsvariante weist direkt in Reihe mit der Sperrdiode D₅ als eine weitere Induktivität eine Umschwingdrossel L₁, auf. Zusätzlich ist mit ilcr Kathode der zweiten Freilaufdiode Df2 die Anode einer zweiten Abschaltentlastungsdiode D_a2 verbunden. Deren Kathode liegt an der Kaihcd? des steuerbaren elektronischen Schalters Th.

Diese neu eingefügten Elemente bilden aus Gründen einer freizügigeren Schaltungsdimensionierung einen

getrennten Umschwingkreis. Die Einführung des getrennten Umschwingkreises für die Umladung des Abschaltentiastungskondensators C-, ermöglicht es, die Amplitude des Umschwingstromes, der den steuerbaren elektronischen Schalter Th nach dessen Einschaltvor- ^r, gang zusätzlich belastet, beliebig zu reduzieren.

Der Schaltungspfad, der die Spannung am Schalter Th nicht über die Gleichspannung Un ansteigen läßt, führt in diesem Fall über die Dioden D„ 2 und Df 2.

In Fig.4 ist eine Schaltungsvarianie dargestellt, bei der die eine Elektrode des Abschaltentlastungskondensators Ca statt an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ud (vgl. Fig. 1) mit dem negativen Pol verbunden ist.

Fig.5 zeigt die Schaltung nach Fig. I bei Umkehr \j der Polarität aller Dioden, des steuerbaren elektronischen Schalters 77? und der Gleichspannung Uo-

Kombinationen mehrerer erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen lassen sich in Form von Antiparallel- und/oder Brückenschahungen zur Erzielung eines Mehrquadrantenbetriebes einsetzen. Entsprechende Schaltungen werden zum Beispiel für das elektronische Nutzbremsen oder Reversieren von Gleichstrommotoren sowie in selbstgeführten Wechselrichtern benötigt.

Fig.6 zeigt eine Antiparallelschaltung einer erfindungsgemäßen Schallungsanordnung entsprechend Fig. 1 mit einer solchen nach Fig. 5. Eine derartige Schaltung ermöglicht beide Richtungen des Laststromes /,.. Bei Amiparallelschaltungen besteht die Notwendigkeit, die beiden Zweigpaare durch Verwendung von Entkopplungs-Dioden D* und/oder Induktivitäten — sogenannte Querdrosseln Lt — zu entkoppeln. Dadurch wird verhindert, daß sich Kapazitäten aus der Beschallung des einen Zweigpaares beim Einschaltvorgang des anderen Zweigpaares kurzschlußartig entladen können.

Für die Verwendung der Maßnahmen nach der Erfindung bei Antiparalleischaltungen ist die in F i g, 6 dargestellte Kopplung günstig. Die Induktivität der Querdrossel Lk braucht nur in der Größenordnung der Einschaltentlastungsinduktivitäten L_c gewählt zu werden. Bei entsprechender Steuerung der Zweigpaare könnte sie völlig entfallen. Sie sollte jedoch aus Sicherheitsgründen, insbesondere zur Kurzschlußstrombegrenzung bei Störungsfällen, vorgesehen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für ein zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle (Ud) liegendes elektronisches Zweigpaar, das aus einem steuerbaren elektronischen Schalter (Th) und einer Freilaufdiode (Dn) gebildet ist, zur Entlastung von der Verlustenergie beim Ein- und Abschaltvorgang, mit einer die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes durch den steuerbaren elektronischen Schalter (Th) bei dessen Einschaltvorgang begrenzenden Einschaltentlastungsdrossel (U) und einem die Anstiegsgeschwindigkeit der Blockierspannung am steuerbaren elektronischen Schalter (Th) bei dessen Abschaltvorgang begrenzenden Abschaltentlastungskondensator (C,), dadurch gekennzeichnet,

daß an die mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Ud) verbundene Anode der (erstgenannten) Freilaufdiode (Dn) die Anode einer zweiten Freilaufdiode (DrJ) angeschlossen ist und zwischen den Kathoden der ersten und der zweiten Freilaufdiode ein Speicherkondensator (Cs_P) angeschlossen ist,

daß die Kathode der ersten Freilaufdiode über die Einschaltentlastungsdrossel (L_e) mit der Kathode des steuerbaren elektronischen Schalters (Th) verbunden ist, an dessen Kathode außerdem die Kathode einer Abschaltentlastungsdiode (D₃) angeschlossen ist, deren Anode über den Abschaltemlastungskondensator (C,) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (Ud), an den auch die Anode des steuerbaren elektronischen Schalters angeschlossen ist, verbunden ist, und
daß die Anode der Abschaltentlastungsdiode (D₃) mit der Kathode einer Sperrdiode (D₅) verbunden ist, deren Anode auf die Kathode der zweiten Freilaufdiode (Di₂) führt (F i g. 1).

2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der ersten Freilaufdiode statt mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Ud) mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode (Dr₂) verbunden ist (F i g. 2).

3. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar in Reihe mit der SperrdiodefD_s) eine Umschwingdrossel (L_u) eingefügt ist und daß mit der Kathode der zweiten Freilaufdiode (Dr₂) die Anode einer zweiten Abschaltentlastungsdiode (D₁₁₂) verbunden wird, deren Kathode an die Kathode des steuerbaren elektronischen Schalters (Th) angeschlossen ist (F i g. 3).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode des Abschaltentlastungskondensators (C,) nicht mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelie (Uu), sondern, mit deren negativen Pol oder mit einem anderen Schaltungspunkt, der gegenüber den genannten Punkten eine weitgehend konstante Potentialdifferenz aufweist, verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Speicherkondensators (Cs_P) groß gegenüber der Kapazität des Abschaltentlastungskondensators (C_a) bemessen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist z. B. aus der DE-OS 26 44 715 bekannt.

Beim Betrieb von Leistungshalbleitern als elektronische Schalter in Stromrichterschaltungen müssen bekanntlich außer den Größen Durchlaßstrom und Sperrspannung auch deren Änderungsgeschwindigkeiten beim Einschalt- bzw. Abschaltvorgang unterhalb gewisser Grenzwerte gehalten werden, um Fehlfunktionen oder Zerstörung zu vermeiden. Die für diese Aufgabe benötigten Beschaltungen aus Blindelementen, Dioden, linearen und nichtlinearen Widerständen haben bei zweckmäßiger Ausgestaltung die günstige Wirkung, auch die Spitzenverlustleistung, die während der Schaltvorgänge in den steuerbaren Halbleiterschaltern auftritt, zu reduzieren. Dieser Entlastungseffekt ist insbesondere wegen der hieraus resultierenden Verminderung der mittleren Verlustleistung, die bei periodischem Schaltbetrieb zur Erwärmung des Halbleitersystems führt, sehr erwünscht

Bei konventionellen Beschaltungsnetzwerken müssen jedoch die in den Blindelementen gespeicherten Energien in linearen oder nichtlinearen Widerständen in Wärme umgesetzt werden, so daß die Verluste letztlich nur verlagert werden (DE-OS 21 28 454).

In den DE-OS 26 39 589 und 26 41 183 sind hingegen Lösungen für Abschaltentlastungsnctzwerke angegeben, die ohne prinzipbedingte Verluste arbeiten. In der eingangs genannten DE-OS 26 44 715 werden außerdem Netzwerke zur Einschaltentlastung und Kombination dieser mit Abschaltentlastungsnetzwerken angegeben. Die dargestellten Einschaltentlastungen arbeiten jedoch mit Umsetzung der gespeicherten Energien in thermische Verluste. Ebenso gelingt es mit den kombinierten Ein- und Abschaltentlastungsnetzwerken nicht, prinzipbedingte Verluste zu vermeiden. Auch ist der Schaltungsaufwand hoch.

Weitere elektronische Schaltungen zur Rückspeisung der gespeicherten Energie vorzusehen, zum Beispiel in Form von Gleichstromstellern (DE-OS 26 44 715, Anspruch 9), erfordert erheblichen zusätzlichen Aufwand und stellt zudem nur eine Verschiebung der Probleme dar.

Auch tritt bei den bekannten Einschaltentlastungsnetzwerken beim Abschaltvorgang des steuerbaren elektronischen Schalters an diesem prinzipbedingt

Überspannung auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Schaltungsanordnung derart zu gestalten, daß