DE3513239A1

DE3513239A1 - Beschaltungsnetzwerk zur rueckfuehrung der beschaltungsenergie fuer halbleiterschalter (z.b. gto-thyristoren, leistungsthyristoren)

Info

Publication number: DE3513239A1
Application number: DE19853513239
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Junge; Yehia Dr.-Ing. Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3513239C2

Description

Beschaltungsnetzwerk zur Rückführunq der
Beschaltunqsenerqie für Halbleiterschalter (z.B. GTO-Thyristoren0 Leistunqsthyristoren) Die Erfindung betrifft ein Beschaltungsnetzwerk zur Rückführung der Beschaltungsenergie für Halbleiterschalter nach Patentanspruch 1.
Beschaltungen für Halbleiterschalter (im folgenden mit HLS abgekürzt) sollen die Strom- und Spannungsbeanspruchung der HLS beim Ein- und Ausschalten reduzieren.
Durch eine Drossel, die mit dem HLS in Reihe geschaltet ist, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten begrenzt und durch einen, über eine Diode parallel zum HLS angeordneten Kondensator wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Ausschalten begrenzt.
Der Nachteil solcher Beschaltungen sind die Verlustleistungen, die durch die gespeicherte Energie in den Beschaltungselementen entstehen. Um einen HLS wirksam zu entlasten, müssen sich die betreffenden Beschaltungselemente in einem nahezu energielosen Zustand befinden; das heißt vor dem Einschalten des HLS sollte der Drosselstrom Null und vor dem Ausschalten die Kondensatorspannung Null sein. Daher ist mit jedem Schaltzyklus, der einen Ein- und einen Ausschaltvorgang umfaßt, die gespeicherte Energie der Beschaltungselemente vollständig abzuführen.
Am einfachsten geschieht dies durch die Umwandlung dieser Energien in Verlustwärme über ohmsche Widerstände. Hierzu wird ein Widerstand parallel zur Beschaltungsdiode des Kondensatorzweiges und entsprechend ein Widerstand mit einer Diode parallel zur Beschaltungsdrossel geschaltet.
Insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen tritt dabei eine Verlustleistung auf, die den Wirkungsgrad des betreffenden Stromrichters um einige Prozentpunkte verschlechtert.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, die das Ziel hat, die Beschaltungsenergie nahezu verlustfrei entweder der speisenden Spannungsquelle oder der Last zuzuführen (Marquart, R. "Untersuchung von Stromrichterschaltungen mit GTO-Thyristoren", Dissertation TU Hannover, 1982).
Der Nachteil dieser Beschaltungsanordnung liegt zum einen in der Vielzahl der zusätzlich zur eigentlichen Entlastungsschaltung benötigten Bauelemente (Speicherkondensatoren, Drosseln, Sperrdioden), zum anderen darin, daß sie ein laststromabhängiges Verhalten zeigt, da ein zusätzlicher Kondensator, der die Beschaltungsenergie der Entlastungsbeschaltung zwischenzeitlich speichert, vom Laststrom entladen werden muß.
Die Aufgabe besteht daher darin, ein Beschaltungsnetzwerk zur Rückführung der Beschaltungsenergie für Halbleiterschalter anzugeben, durch das die Beschaltungsenergie nahezu verlustlos zurückgeführt wird. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die in den Kennzeichen der Patentansprüche aufgeführten Merkmale gelöst.
Das Beschaltungsnetzwerk nach der Erfindung wird in den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand von Zeichungen näher erläutert.
In den Figuren %2und 3 ist mit E die von dem Gleichrichter eines Umrichters in den Zwischenkreis eingeprägte Gleichspannung bezeichnet. Statt dieser Spannung kann auch die Spannung einer besonderen Gleichspannungsquelle verwendet werden.
Die GTO-Thyristoren 1 und 2 bilden ein Ventilzweigpaar eines Wechselrichters 100. Dem GTO-Thyristor 1 ist eine Rücklaufdiode 3, dem GTO-Thyristor 2 eine Rücklaufdiode 4 gegensinnig parallelgeschaltet. Mit der Klemme A ist der Wechselstromanschluß bezeichnet. Parallel zum GTO-Thyristor 1 ist ferner die Reihenschaltung eines Beschaltungskondensators 7 und einer Diode 5 angeordnet, wobei diese Diode in der gleichen Richtung wie der GTO-Thyristor 1 gepolt ist. Parallel zum GTO-Thyristor 2 ist in entsprechender Weise die Reihenschaltung einer Diode 6 und eines Beschal tungskondens ators 8 angeordnet, wobei diese Diode in der gleichen Richtung wie der GTO-Thyristor 2 gepolt ist.
Mit 15a ist die Primärwicklung, mit 15b die Sekundärwicklung eines Rückspeiseübertragers 15 bezeichnet. Die Primärwicklung 15a ist einerseits über einen Halbleiterhilfsschalter, hier einem Feldeffekt-Transistor (MOSFET), 17 und einer Beschaltungsdiode 5 mit der Einschaltentlastungsdrossel 16 verbunden, andererseits über die andere Beschaltungsdiode 6 mit dem anderen Anschluß der Einschaltentlastungsdrossel verbunden.
Die Sekundärwicklung 15b des Rückspeiseübertragers 15 ist über eine ungesteuerte Gleichrichterzweiwegschaitung, bestehend aus den Dioden 13 und 14 mit einer Spannungsquelle E2 verbunden, die auch die Speisespannungsquelle El sein kann.
Der Halbleiterhilfsschalter 17 wird immer dann leitend in die Stromrichtung von D nach S geseuert, wenn das Potential an dem mit einem Punkt gekennzeichneten Anschluß der Sekundärwicklung 15a positiv gegenüber dem mit einem B bezeichneten Knotenpunkt der Schaltung wird. Der Halbleiterhilfsschalter 17 hat die Aufgabe, das sekundärseitige Abmagnetisieren des Rückspeiseübertragers 15 zu ermöglichen. Die notwendige Sperrspannung des Halbleiterhilfsschalters 17 ist niedrig im Vergleich zu der des Hauptventils der Schaltung und richtet sich nach dem Übersetzungsverhältnis des Rückspeiseübertragers, das etwa praktisch 1:10 bis 1:20 betragen wird; das heißt, daß nur ein Zehntel bis ein Zwanzigstel der Speisespannung als positive Sperrspannung zum Halbleiterhilfsschalter auftreten kann. In Rückwärtsrichtung verhindert eine gegensinnig parallelgeschaltete Diode das Entstehen einer Sperrspannung.
Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung näher erläutert werden. Angenommen sei der Ausgangszustand, daß ein konstanter Laststrom IL über die Diode 4 zur Ausgangsklemme A fließ und daß der HLS 1 gerade leitend geschaltet wird. Der Strom kommutiert dann von der Rücklaufdiode 4 über die Drossel 16 in den HLS 1.
Sobald der HLS 1 dann vollständig den Laststrom übernommen hat und die Diode 4 gesperrt ist, beginnen Schwingströme über die Beschaltungskondensatoren 7 und 8 und die Beschaltungsdrossel 16 zu fließen. Der eine Schwingstrom, der über den Kondensator 7, den HLS 1, die Drossel 16, die Diode 6, die Übertragerwicklung 15a und den Hilfsschalter 17 wieder zum Kondensator 7 fließt, führt zur Entladung des Kondensators 7, während gleichzeitig der Kondensator 8 im gleichen Maße geladen wird durch einen Schwingstrom, der über die Speisequelle EI, den HLS 1, die Drossel 16, die Diode 6 und den Kondensator 8 wieder zur Speisequelle fließt. Da der Entladeschwingstrom des Kondensators 7 über den Übertrager 15 führt, wird bereits ein Teil der Beschaltungsenergie des Kondensators 7 an die Speisequelle abgegeben. Sobald der Kondensator 7 vollständig entladen und der Kondensator 8 auf El geladen ist, beginnt die Drossel 16 ihre Energie über den Übertrager 15 abzugeben. Dies geschieht, indem ein Strom von der Drossel über die Diode 6, die Primärwicklung 15a, den Hilfsschalter 17 und die Diode 5 zurück zur Drossel 16 fließt. Die Energieabgabe der Drossel 16 ist abgeschlossen, sobald der Drosselstrom wieder auf den Wert des Laststroms IL abgefallen ist. Damit ist die Energie des Ausschaltentlastungskondensators bis auf die ohmschen Verluste in den Beschaltungskreisen vollständig wieder der Speisequelle zugeführt worden. Dieser Vorgang wiederholt sich in ähnlicher Weise, wenn der HLS 2 leitend wird. Beim Ausschalten eines Ventils sind die Beschaltungskondensatoren beider HLS gleichzeitig wirksam, so daß die für den Spannungsanstieg am HLS wirksame Kapazität sich verdoppelt gegenüber herkömmlichen RCD-Beschaltungsanordnungen. Im gleichen Maße wie die Spannung an einem Beschaltungskondensator zunimmt, nimmt sie bei den anderen ab, so daß diese in ihrer Wirkung beim Ausschalten zweier gleich großer, parallelgeschalteter Kondensatoren entsprechen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Beschaltungsenergie sowohl der Einschaltentlastungsdrossel als auch des Ausschaltentlastungskondensators nach jedem Schaltvorgang des betreffenden HLS direkt über einen Übertrager der Speisequelle oder einer anderen Spannungsquelle nahezu verlustlos zuzuführen. Das Netzwerk nach der Erfindung kann sowohl in Wechselrichtern (Fig. 1 und 2) als auch in Gleichstromstellern (Fig. 3) oder Gleichstromumrichtern angewandt werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht bei Wechselrichteranwendungen (Ausführung in Fig. 1) darin, daß die Beschaltungskondensatoren eines Wechselrichterzweigpaares (Phase) beim Ausschalten eines HLS zusammenwirken und damit nur jeweils die halbe Kapazität im Vergleich zu herkömmlichen RCD-Beschaltungen benötigen.

Claims

Beschaltunqsnetzwerk zur Rückführunq der Beschaltunqsenerie für Halbleiterschalter (z.B. GTO-Thyristoren, Leistungsthyristoren) Patentansprüche 1. Beschaltungsnetzwerk zur Rückführung der Beschaltungsenergie für Halbleiterschalter (zum Beispiel GTO-Thyristoren, Leistungsthyristoren), dadurch gekennzeichnet, daß bei Ventilzweigpaaren von Umrichtern mit Zwischenkreis (respektive Wechselrichtern mit Gleichspannungsquelle), wobei parallel zu jedem Halbleiterschalter (1,2) eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Beschaltungskondensator (7,8) und einer - in gleicher Richtung wie der Halbleiterschalter gepolten - Diode (5,6) liegt, sowie zwischen der Kathode (Emitter) des einen Halbleiterschalters (1) und der Anode (Kollektor) des anderen Halbleiterschalters (2) eine Drossel (16) liegt, a) ein Übertrager (15) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (15a) einerseits an den Verbindungspunkt (C) des Beschaltungskondensators (8) und der Beschaltungsdiode (6) angeschlossen ist und andererseits mit einem Hauptanschluß eines Halbleiterhilfsschalters (17) verbunden ist, wobei der andere Hauptanschluß des Halbleiterhilfsschalters (17) mit dem Verbindungspunkt (B).der Beschaltungsdiode (5) mit dem Beschaltungskondensator (7) verbunden ist, b) die Sekundärwicklung (oder -wicklungen) (15b) des Beschaltungskondensators (15) mit Gleichrichterdioden (13, 14) im Mittelpunkt mit einer Spannungsquelle (E2), die auch die Hauptspannungsquelle (E1) des Stromrichters sein kann, verbunden sind, c) der Halbleiterhilfsschalter (17) entweder von einer externen Steuerschaltung angesteuert wird oder abhängig von der Spannungsrichtung zwischen den Knotenpunkten (B) und CC) der Schaltung selbst ein-oder ausgeschaltet wird.
2. Beschaltungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Ventilzweigpaaren von Umrichtern mit Zwischenkreisspannung (respektive Wechselrichtern mit Gleichspannungsquelle), wobei parallel zu einem der Halbleiterschalter (2) eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Beschaltungskondensator (8) und einer - in gleicher Richtung wie der Halbleiterschaltung gepolten Diode (6), sowie zwischen der Kathode (Emitter) des einen Hålbleiterschalters (2) und dem negativen Anschluß der Zwischenkreisspannung (11) eine Drossel (16) liegt, a) ein Übertrager (15) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (15a) einerseits mit dem negativen Anschluß der Zwischenkreisspannung (11) und andererseits mit einem Hauptanschluß eines Halbleiterhilfsschalters (17) verbunden ist, wobei der andere Hauptanschluß des Halbleiterhilfsschalters (17) mit dem Verbindungspunkt (B) der Beschaltungsdiode (6) mit dem Beschaltungskondensator (8) verbunden ist, b) die Sekundärwicklung (oder -wicklungen) (15b) des Ubertragers mit Gleichrichterdioden (13,14) im Mittelpunkt mit einer Spannungsquelle (E2), die auch die Hauptspannungsquelle (El) des Stromrichters sein kann, verbunden sind, c) der Halbleiterhilfsschalter (17) entweder von einer externen Steuerschaltung angesteuert wird oder abhängig von der Spannungsrichtung zwischen den Knotenpunkten (B) und (C) der Schaltung selbst ein- oder ausgeschaltet wird.
3. Beschaltungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß bei einem Gleichstromsteller im Netzwerk parallel zu dem Halbleiterschalter (2) eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Beschaltungskondensator (8) und in gleicher Richtung wie der Halbleiterschalter gepolten Diode (6) sowie zwischen der Anode einer Freilaufdiode (3) und der Anode des Halbleiterschalters (2) eine Drossel (16) liegt, a) ein Übertrager (15) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (15a) einerseits an den Verbindungspunkt (C) des Beschaltungskondensators (8) und der Beschaltungsdiode (6) angeschlossen ist und andererseits mit einem Hauptanschluß eines Halbleiterhilfsschalters (17) verbunden ist, wobei der andere Hauptanschluß des Halbleiterhilfsschalters (17) mit dem Verbindungspunkt (B) der Beschaltungsdiode (5) mit dem Beschaltungskondensator (7) verbunden ist, b) die Sekundärwicklung (oder -wicklungen) (15b) des Übertragers mit Gleichrichterdioden (13,14) mit einer Spannungsquelle (E2), die auch die Hauptspannungsquelle (El) des Stromrichters sein kann, verbunden sind, c) der Halbleiterhilfsschalter (17) entweder.von einer externen Steuerschaltung angesteuert wird oder abhängig von der Spannungsrichtung zwischen den Knotenpunkten (B) und (C) der Schaltung selbst ein-oder ausgeschaltet wird.