DE4011742A1 - Gegentaktwechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Stromversorgungs­ schaltungen und bezieht sich auf selbstschwingende Gegentaktwechselrichter, auch Inverter genannt, in Brücken- und Halbbrücken-Schaltungen mit einem Strom- Rückkopplungs-Transformator und wenigstens zwei gleich­ artigen alternierend leitfähigen Transistor-Schaltein­ richtungen.

Die Hauptfunktion eines Wechselrichters besteht darin, eine Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Für viele Anwendungen derartiger Wechsel­ richter wird eine verlustarme Umwandlung gefordert, um die Verlustleistung und damit die Eigenerwärmung des Wechselrichters gering zu halten. Eine geringe Eigen­ erwärmung reduziert auch die Abmessungen und die Kosten, die von großen Bauelementen verursacht werden.

Die Verlustleistung bei typischen Gegentaktwechsel­ richtern wird zu einem großen Teil dadurch verursacht, daß der zur Ansteuerung der Transistor-Schalteinrich­ tungen erforderliche Basisstrom weder in seiner Amplitude noch in seinem zeitlichen Verlauf dem jeweiligen Kollek­ torstrom und den Transistor-Daten genügend angepaßt ist:

Bei zu großem Basistrom verschlechtern sich die Abschalt­ eigenschaften der Transistoren wegen ihres Speicher­ effekts, so daß während der Ein- und Ausschaltvorgänge beide Transistor-Schalteinrichtungen gleichzeitig leiten (Gleichtaktleitung) und große Verlustleistungen verur­ sachen. Darüber hinaus erzeugt ein zu großer Basisstrom auch unnötige Verluste in der Basis-Emitter-Diode der Transistoren.

Erhebliche Verluste treten auch auf, wenn Transistoren ausgeschaltet werden, die mit zu großem Basisstrom übersteuert worden sind.

Bei zu kleinem Basisstrom entstehen Verluste aufgrund des großen Spannungsabfalls am ungenügend leitenden Tran­ sistor (Leitend-Verluste).

Für einen verlustarmen Inverter ist die optimale An­ passung des Basisstromes an den jeweils fließenden Kollektorstrom also zwingend notwendig. Das gilt ins­ besondere auch für Wechselrichter, die variable Lasten oder Lasten mit induktiver Komponente versorgen (z. B. Transformator, Drossel), oder die an variabler Spannung betrieben werden. Um auch in diesen Anwendungen mit sich änderndem Last- und Kollektorstrom die erforderliche An­ passung des Basisstromes zu erreichen, werden üblicher­ weise Rückkopplungs-Strom-Transformatoren verwendet, bei denen der Last- oder Kollektorstrom durch die Primär­ wicklung fließt und über die Sekundärwicklung den propor­ tionalen Basisstrom einprägt und der Stromrückkopplungs­ anteil durch das Übersetzungsverhältnis des Stromtrans­ formators bestimmt wird.

Fig. 1 zeigt einen derartigen Wechselrichter in Halb­ brücken-Schaltung, dessen Basisstrom vom Übersetzungs­ verhältnis des Strom-Rückkopplungs-Transformators be­ stimmt wird. Übliche Wechselrichter verwenden zwei Transistor-Schalteinrichtungen 1, 2, die einerseits mit einer Gleichstromquelle 3 und deren Siebkondensator 3a und andererseits mit der Last 4 verbunden sind, sowie zwei Brückenkondensatoren 5, 6 und einen Stromtrans­ formator 8 mit der Primärwicklung 10 und den Sekundär­ wicklungen 11, 12. Parallel zu den Transistoren können Gleichrichterdioden 13, 14 geschaltet sein, um bei in­ duktiver Lastkomponente 4 einen Inversstrom durch die Transistoren zu verhindern. Eine Startschaltung bestehend aus den Bauteilen 15, 16, 17, 18 und zusätzliche Bau­ elemente 19, 20 in den Basissteuerkreisen vervollstän­ digen den Wechselrichter. Der Laststrom I_L, der den Kollektorströmen der Transistor-Schalteinrichtungen ent­ spricht, fließt durch die Primärwicklung 10 und erzeugt in den Sekundärwicklungen 11, 12 die Basisströme I_b1 und I_b2, welche die zugehörige Transistor-Schaltein­ richtung ansteuern.

Gegentaktwechselrichter, die an Spannungen über 200 Volt betrieben werden, verwenden üblicherweise Transistor- Schalteinrichtungen mit einer Stromverstärkung von 3 bis 10 und Stromtransformatoren mit einer Primärwindung, so daß zur optimalen Ansteuerung der Transistoren jede Sekundärwicklung aus drei bis zehn Windungen besteht.

Bei Stromübertragern mit einer Primärwindung und je drei bis zehn Sekundärwindungen zeigen sich folgende Nachteile:

• - Eine feinstufige Anpassung des Übersetzungsverhält­ nisses ist insbesondere bei kleinen Sekundärwindungs­ zahlen nicht möglich, da sich nur ganzzahlige Win­ dungszahlen realisieren lassen.
• - Höhere Sekundärwindungszahlen erfordern einen größe­ ren Kern zur Unterbringung der höheren Windungszahl. Bei gegebener Inverter-Schwingfrequenz, Induktion und einer Sekundärspannung von ca. 0,7 V, entsprechend der Basis-Emitter-Spannung, muß dann die Querschnitts­ fläche des Kerns verkleinert werden.
• - Ein größerer Ferritkern mit geringem Querschnitt läßt sich nicht kostengünstig herstellen und zerbricht leicht. Die DE 26 24 566 C2 beschreibt, daß bei einer Schwingfrequenz von 20 Hz eine Sekundärwindungszahl von zehn nicht realisiert werden kann und schlägt daher einen zusätzlichen Stromtransformator vor.
• - Mit wachsender Windungszahl erhöhen sich Streuinduk­ tivität und Widerstand der Sekundärwicklung. Das bedeutet, daß sich bei größerem Laststrom die Primär­ spannung des Stromtransformators und somit die Schwingfrequenz erhöht.
• - Mit steigender Sekundärwindungszahl verringert sich die Kopplung zwischen Primär- und Sekundär-Wicklungen und damit die Anpassung des Basisstromes an den Last­ strom.
• - Mit wachsender Windungszahl vergrößern sich die Wick­ lungsverluste.
• - Der Wickelaufwand erhöht sich mit der Windungszahl.
• - Die Fehlerrate und der Prüfaufwand steigen mit der Windungszahl.

Die bereits erwähnte DE 26 24 566 C2 schlägt einen zu­ sätzlichen Stromtransformator mit zwei Wicklungen vor. Neben dem erhöhten Aufwand für diesen Transformator sind besonders die zusätzlich auftretenden Toleranzen und Fehlerquellen von Nachteil.

In der DE 29 10 908 A1 sind Gegentaktwechselrichter gezeigt, die zur Vermeidung der Gleichtaktleitung zwei getrennte Stromübertrager verwenden.

Außer den bereits genannten Nachteilen treten bei ge­ trennten Stromübertragern zusätzliche Toleranzen und Unsymmetrien auf. Darüber hinaus erhöht sich der Aufwand für zwei (teilweise sogar drei) magnetische Bauelemente mit insgesamt vier bis sechs Wicklungen und wenigstens acht Windungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verlust­ armen Gegentaktwechselrichter zu schaffen, der in jedem Betriebszustand die Gleichtaktleitung sicher verhindert und zur Vermeidung unerwünschter Unsymmetrien, Toleranzen und Kosten nur einen Stromübertrager mit geringer Streu­ induktivität und einfachstem Wicklungsaufbau enthält.

Diese Aufgabe wird mit einem Gegentaktwechselrichter der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die Transistor-Schalteinrichtungen über je eine Treiberwicklung eines einzigen Strom-Rückkopplungs-Trans­ formators mit einem dem Kollektorstrom proportionalen eingeprägten Basistreiberstrom angesteuert werden, und daß das Verhältnis des eingeprägten Basistreiberstroms zum Kollektorstrom mittels eines kapazitiven Stromteilers eingestellt wird.

Vorteilhaft besteht jede Wicklung des Stromtransformators aus nur einer Windung.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens zwei alternierend leitfähige Transistor-Schalteinrich­ tungen über je eine Treiberwicklung eines einzigen Strom­ transformators angesteuert werden, daß die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen des Stromübertragers nur aus je einer einzigen Windung bestehen, und daß mittels eines kapazitiven Stromteilers exakt der Teil des Laststromes I_L durch die Primärwicklung fließt, der für die opti­ male Ansteuerung der Transistor-Schalteinrichtungen er­ forderlich ist.

Der Stromtransformator enthält eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen und besonders vorteilhaft nur zwei Wicklungen.

Der Stromtransformator hat ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 und der kapazitive Stromteiler ist so ausgelegt, daß je nach Stromverstärkung der verwendeten Transistor- Schalteinrichtungen nur ein Drittel bis ein Zehntel des Laststromes I_L durch die Primärwicklung des Stromtrans­ formators fließt.

In einer Halbbrückenschaltung wird der kapazitive Teiler vorteilhaft durch die Brückenkondensatoren gebildet.

Zweckmäßig ist ein zusätzlicher Kondensator vorgesehen, der eine symmetrische Stromentnahme ermöglicht.

Vorteilhaft ist abhängig von der Schwingfrequenz bei maximaler Belastung des Wandlers die Summenkapazität der Kondensatoren des kapazitiven Stromteilers so bemessen, daß der Strom durch die Transistorschalteinrichtungen bis zum Abschaltmoment bereits wesentlich verringert ist.

Zweckmäßig sind in jedem Basiskreis zusätzliche Bau­ elemente zum Verbessern des Schaltverhaltens der Tran­ sistor-Schalteinrichtungen angeordnet.

Für die zusätzlichen Bauelemente werden Widerstände, Dioden, Kondensatoren oder Induktivitäten, vorzugsweise nur Kondensatoren oder Induktivitäten, oder Kombinationen dieser Bauteile verwendet.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat der Ferritkern des Stromtransformators die Form eines Rohrkernes, dessen Länge wenigstens das Zwei­ fache seines Außendurchmessers aufweist. Dabei kann der Rohrkern auch durch mehrere kurze Rohr- oder Ringkerne gebildet sein.

Weiter ist der Strom-Rückkopplungs-Transformator zweck­ mäßig derart ausgebildet, daß er unterhalb seiner mag­ netischen Sättigung betrieben wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild eines typischen Wechsel­ richters in Halbbrückenschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gegentaktwechsel­ richters, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Gegentaktwech­ selrichters.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Gegentaktwechsel­ richter in Halbbrückenschaltung dargestellt.

Alternierend leitfähige Transistor-Schalteinrichtungen 1, 2 sind mit einer Gleichstromquelle 3 verbunden, die üblicherweise einen Sieb- oder Glättungskondensator 3a enthält. Die beiden Transistoren der Transistor-Schalt­ einrichtungen 1, 2 sind auch an die zu versorgende Last 4 angeschlossen. Der Stromkreis schließt sich über die Last 4 und Brückenkondensatoren 5, 6 sowie einen zusätzlichen Kondensator 7, die gleichzeitig einen kapazitiven Strom­ teiler für den Laststrom bilden. Die Primärwicklung 10 eines Stromtransformators 8, der einen Kern 9 und Sekun­ därwicklungen 11 und 12 aufweist, liegt in Reihe mit dem Kondensator 6. Die Sekundärwicklungen 11, 12 sind jeweils zwischen Basis und Emitter der Transistoren 1, 2 geschal­ tet und liefern die Treiberströme zur Ansteuerung der Transistoren 1, 2.

Parallel zu den Kollektor-Emitter-Strecken der Tran­ sistoren 1, 2 sind Gleichrichter 13, 14 geschaltet, um bei einer induktiven Lastkomponente der Last 4 die Transistor-Schalteinrichtungen 1, 2 vor unzulässigem Inversstrom und damit verbundener Gleichtaktleitung zu schützen. Der Inverter kann von einer üblichen Trigger­ schaltung gestartet werden, gebildet aus Bauteilen 15, 16, 17, 18.

Erfindungsgemäß bestehen die Wicklungen 10, 11, 12 nur aus je einer Windung, so daß sich ein Übersetzungsver­ hältnis von 1 : 1 ergibt. Der durch die Last 4 fließende Strom verzweigt sich - proportional der Kapazität der Kondensatoren 5, 6, 7 - in Teilströme durch diese Kon­ densatoren. Der in die Primärwicklung 10 des Stromtrans­ formators 8 fließende Stromanteil ist bestimmt durch das Verhältnis der Kapazität des Kondensators 6 zu der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren 5, 6 und 7.

Zur symmetrischen Stromentnahme aus dem Siebkondensator 3a wird die Kapazität des Kondensators 5 so groß aus­ geführt wie die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren 6 und 7. Sofern Unsymmetrien in Kauf genommen werden, ist der Kondensator 7 nicht erforderlich.

Um bei maximaler Belastung des Gegentaktwandlers das Abschaltverhalten der Transistoren zu optimieren, wird die Summenkapazität der Kondensatoren 5, 6, 7 vorteilhaft so bemessen, daß sich bei der gewählten Schwingfrequenz der Laststrom bis zum Abschaltmoment bereits wesentlich verringert hat (Resonanzwandler).

Eine weitere Verbesserung des Schaltverhaltens kann dadurch erzielt werden, daß in Reihe zu den Basisan­ schlüssen der Transistor-Schalteinrichtungen 1, 2 zu­ sätzliche Bauteile 19, 20, wie z. B. Widerstände, Dioden, Kondensatoren, Induktivitäten, oder Kombinationen von diesen Bauteilen geschaltet werden.

Zur Vermeidung von Verlusten im Basisansteuerkreis soll­ ten für die zusätzlichen Bauteile 19, 20 vorzugsweise nur Kondensatoren oder Induktivitäten verwendet werden.

Derartige Gegentaktwechselrichter werden üblicherweise bis zur magnetischen Sättigung ihres Strom-Rückkopp­ lungs-Transformators betrieben, so daß die Schwing­ frequenz wesentlich von der Sättigungs-Induktion des Ferritkern-Materials beeinflußt wird. Bei gebräuchlichen Ferriten sinkt die Sättigungs-Induktion mit steigender Temperatur deutlich ab, was eine Erhöhung der Inverter- Schwingfrequenz zur Folge hat.

Deshalb wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung der Ferritkern des Strom-Transformators wesentlich unterhalb seiner magnetischen Sättigung betrieben, so daß Änderungen der Sättigungsinduktion die Wechselrichter- Schwingfrequenz nicht beeinflussen. Darüber hinaus wird der Temperaturgang für die Permeabilität des Ferritkern- Materials so gewählt, daß die Schwingfrequenz des Inver­ ters innerhalb eines Temperaturbereiches nahezu konstant ist.

Ein besonders schnelles und verlustarmes Abschalten von Leistungstransistoren wird dann erzielt, wenn der Basis­ strom nahezu linear mit der Zeit abklingt, also ein etwa konstantes dI_b/dt vorliegt, wie es beschrieben ist in Klaus Rischmüller "Basisansteuerung von Hochvolt-Schalt­ transistoren" im Handbuch "Schalttransistoren" (1979) der Firma Thomson-CSF. Dieser Verlauf des Basisstroms läßt sich bei selbstschwingenden Gegentaktwandlern vorteilhaft dadurch realisieren, daß ein Strom-Rückkopplungs-Trans­ formator mit nichtgesättigtem Ferritkern verwendet wird.

Der Stromtransformator 8 soll bei möglichst kleinem Volumen eine definierte Induktivität, einen großen Kopp­ lungs-Faktor zwischen den einzelnen Wicklungen und eine kurze magnetische Weglänge aufweisen. Erfindungsgemäß werden diese Forderungen teilweise bereits durch die Verwendung nur einer Windung je Wicklung erreicht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich darüber hinaus zusätzliche Vorteile durch die besondere Form des Ferritkernes, der vorzugsweise als Rohrkern aus­ gebildet ist, und dessen Länge mindestens das Zweifache seines Außendurchmessers aufweist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 läßt sich der Stromtransformator 8 noch weiter vereinfachen unter Beibehaltung aller oben genannten Vorteile. Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist so gewählt, daß der Strom­ transformator 8 hier sogar nur zwei Wicklungen 11, 12 beinhaltet, wobei jede Wicklung mit dem Emitter der zugehörigen Transistor-Schalteinrichtung 1, 2 verbunden ist und vorteilhafterweise aus nur einer einzigen Windung besteht, und der optimale Treiberstrom ebenfalls durch einen kapazitiven Stromteiler eingestellt ist.

In dieser Anordnung werden zeitweise beide Wicklungen des Stromtransformators 8 vom Laststrom durchflossen. Jede Wicklung 11, 12 ist abwechselnd Primär- und Sekundär­ wicklung. Die Bezeichnung der anderen Bauteile entspricht Fig. 2.

Der erfindungsgemäße verlustarme selbstschwingende Gegen­ taktwechselrichter paßt den Basis-Steuerstrom optimal dem jeweiligen Kollektorstromverlauf der Transistor-Schalt­ einrichtungen an und verhindert damit sowohl die ver­ lustreiche Gleichtaktleitung als auch unnötige Basis­ kreis-, Leitend- und Abschalt-Verluste. Die Stromanpas­ sung mittels eines verlustlosen kapazitiven Stromteilers ermöglicht den Einsatz eines einzigen Strom-Rückkopp­ lungs-Transformators, dessen Wicklungen aus nur je einer einzigen Windung bestehen. Eine rohrförmige Transforma­ tor-Kernform kann die vorteilhafte enge Kopplung zwischen den Wicklungen noch verbessern und bei kleinem Kernvolu­ men die erforderliche Induktivität bilden. Ein nicht gesättigter Ferritkern mit ausgesuchtem Temperaturver­ halten ermöglicht konstante Betriebsdaten über einen grö­ ßeren Temperaturbereich.

Claims (12)

1. Selbstschwingender Gegentaktwechselrichter in Brücken- oder Halbbrückenschaltung mit einem Strom- Rückkopplungs-Transformator (8) und wenigstens zwei gleichartigen alternierend leitfähigen Transistor- Schalteinrichtungen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Transistor-Schalteinrichtungen (1, 2) über je eine Treiberwicklung (11, 12) eines einzigen Strom-Rück­ kopplungs-Transformators (8) mit einem dem Kollektor­ strom proportionalen eingeprägten Basistreiberstrom angesteuert werden, und daß das Verhältnis des ein­ geprägten Basistreiberstroms zum Kollektorstrom mittels eines kapazitiven Stromteilers (5, 6) ein­ gestellt wird.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung (10, 11, 12) des Stromtransformators (8) aus nur einer Windung besteht.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator (8) eine Primärwicklung (10) und zwei Sekundärwicklungen (11, 12) enthält.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator (8) nur zwei Wicklungen (11, 12) enthält.

5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Stromteiler (5, 6) durch die Brücken­ kondensatoren einer Halbbrücken-Schaltung gebildet wird.

6. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Kondensator (7) eine symmetrische Stromentnahme ermöglicht.

7. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Schwingfrequenz bei maximaler Belastung des Wandlers die Summenkapazität der Kondensatoren (5, 6, 7) des kapazitiven Stromteilers so bemessen ist, daß der Strom durch die Transistor-Schalteinrichtungen (1, 2) bis zum Abschaltmoment bereits wesentlich ver­ ringert ist.

8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Basiskreis zusätzliche Bauelemente (19, 20) zum Ver­ bessern des Schaltverhaltens der Transistor-Schalt­ einrichtungen (1, 2) angeordnet sind.

9. Wechselrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die zusätzlichen Bauelemente (19, 20) Widerstände, Dio­ den, Kondensatoren oder Induktivitäten, vorzugsweise nur Kondensatoren oder Induktivitäten, oder Kombi­ nationen dieser Bauteile verwendet sind.

10. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern des Stromtransformators (8) die Form eines Rohrkernes hat, dessen Länge wenigstens das Zweifache seines Außendurchmessers aufweist.

11. Wechselrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkern durch mehrere kurze Rohr- oder Ringkerne gebildet ist.

12. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Rückkopplungs-Transformator (8) derart aus­ gebildet ist, daß er unterhalb seiner magnetischen Sättigung betrieben wird.