DE2719026A1 - Schaltungsanordnung zur verringerung der ausschaltverluste in halbleiterschaltern - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltveriuste
• in Maibleiterschaltern Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausscnaltverluste eines oder mehrerer Halbleiterschalter in Umrichterschaltungen, wobei die Schaltstrecken der Halbleiterschalter jeweils zwischen einer Eingangsspannungsquelle und je einer Ubertragerxvicklung eingeschaltet ist und mit einer aus einem Kondensator und einer für die Eingangsspannung in Durchlaßrichtung gepolten Diode bestehenden Reihenschaltung, die der Schaltstrecke des Halbleiterschalters wechselstrommäßig parallelgeschaltet ist.
• Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste von Halbleiterschaltern durch kapazitives Ausschalten bekannt (Leistungstransistoren im Schaltbetrieb, Thomson-CSF, Seiten 181 bis 187, Bild 7). Das Schaltungsprinzip dieser bei einem Durchflußumrichter angewendeten bekannten Anordnung ist in der Fig. 1 dargestellt. Die wesentlichen Schaltungsteile des Umrichters sind ein periodisch arbeitender Halbleiterschalter T, dessen Schaltstrecke zwischen dem negativen Pol der Eingangsspannungsquelle UE und einer Wicklung eines Transformators Tr angeordnet ist.
• Zur Erzielung eines sicheren Arbeitsbetriebes der Halbleiterschalter, insbesondere bei Leistungs-Schalttransistoren in Umrichtern und Schaltnetzteilen sind häufig Zusatzbeschaltungen erforderlich mittels welcher neben einem verustarmen Einschalten durch verzögerten Stromanstieg auch ein verlustarmes Ausschalten des Halbleiterschalters durch verzbgerten Spannungsanstieg an der Schaltstrecke erzwungen wird.
• Der Schaltstrecke des Schalttransistors T ist eine Reihenschaltung aus einer Diode D1 und einem Kondensator C1 parallelgeschaltet. Die Diode ist für die Eingangsspannung UE in Durchlaßrichtung gepolt und durch einen Widerstand R überbrückt.
• Bei dieser Schaltung wird ein sog. "kapazitives Ausschalten des Halbleiterschalters, das die Verluste im Halbleiterschalter verringern soll, durch die der Schaltstrecke parallelgeschaltete Reihenschaltung erreicht. Im Zeitpunkt des Öffnens des Halbleiterschalters hat sich der Kondensator C1 über den Widerstand R1 und die Schaistrecke entladen. Der Kondensator ist jetzt über die in Durchlaßrichtung gepolte Diode Dl der Schaltstrecke des Halbleiterschalters parallelgeschaltet und begrenzt dadurch die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an der Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors. Dabei wird der Kondensator auf die Spannung 2UE aufgeladen. Beim erneuten Schließen des Halbleiterschalters entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R, wobei die Kondensatorenergie im Widerstand in Wärme umgesetzt wird. Dabei wird die Ausschaltverlustleistung des Halbleiterschalters bei unverändertem Wirkungsgrad in den Widerstand R verlagert. Die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators muß so bemessen sein, daß der Kondensator C1 zum Zeitpunkt des erneuten Öffnens des Halbleiterschalters vollständig entladen ist. Ein Nachteil der kapazitiven Ausschaltung besteht noch darin, daß der Halbleiterschalter T sm Augenblick des Schließens zusätzlich zum Laststrom die Entladestromspitze des Kondensators C1 führen muß, die je nach Schaltfrequenz und Tastgrad des Halbleiterschalters T die Größenordnung des Laststromes erreichen kann. Wird gleichzeitig eine induktive Ein- schalthilfe benutzt, dann geht die Entladestromspitze erheblich in die Dimensionierung ein. Die an diesem Widerstand auftretenden Verluste sind jedoch weitaus geringer als die am Widerstand R der bekannten Schaltung nach Fig. 1 entstehenden Verluste.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Ausschaltverluste und die Strombeanspruchung in Halbleiterschaltern bei gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades zu verringern.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verbindungspunkt von Kondensator und Diode der Reihenschaltung über eine aus einer Induktivität (Drosselspule) und einer Diode bestehende weitere Reihenschaltung mit dem ausgangsseitigen Anschluß der Schaltstrecke des Halbleiterschalters verbunden ist und daß die Diode bezogen auf die Eingangsspannung in Sperrichtung gepolt ist.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Halbschwinungsdauer des LC-Kreises so bemessen, daß der Umladevorgang während der kürzesten vorkommenden StromfluB-dauer des Halbleiterschalters beendet ist.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Reihenschaltung im Querzweig ein Widerstand parallelgeschaltet.
• Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles in den Fig. 2 bis 4 näher erläutert.
• In Fig. 2 ist das vereinfachte Schaltbild eines Umrichters mit einer Hilfsschaltung zur Verbesserung des Ausschaltverhaltens dargestellt.
• Die Fig. O und 4 dienen der Beschreibung der iZirlcungsweise der Schaltung.
• Die Grundschaltung des Umrichters (Fig. 2) besteht in an sich bekannter Weise aus einem Transformator Tr, dessen Primärwicklung I über einen als Schalter arbeitenden Schalttransitor Ts periodisch an die Eingangsspannung UE angeschaltet ist. An der Sekundärwicklung 1I des Transformators wird über eine Gleichrichterschaltung Gl die Ausgangsspannung U. für den Verbraucher abgenommen. Die in Eingangskreis des Umrichters liegende Hilfsschaltung zur Verbesserung des Ausschaltverhaltens des Umrichters ist mit H bezeichnet. Der Schalttransistor Ts kann in einem Rückkopplungskreis selbsterregt oder unter Verwendung eines Taktgebers fremdgesteuert als geregelte oder ungeregelte Schaltung arbeiten.
• Die Hilfsschaltung H besteht aus einer Reihenschaltung aus einem Kondensator C2 und einer Diode D1, deren kondensatorseitiges Ende mit dem ausgangsseitgen Anschluß der Schalt strecke des Schalttransistors Ts und deren diodenseitiges sonde mit dem zweiten Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, derart, daß die Reihenschaltung der Primärwicklung I des Transformators Tr parallelgeschaltet ist. Der Verbindwngspunkt von Kondensator C1 und Diode Dt ist über eine weitere Reihenschaltung g, bestehend aus einer Drosselspule Drl und einer für die positive Eingan5sspannung in Sperrichtung gepolte Diode D2 mit dem eingangsseitigen knschluß der Schaltstrecke des Schalttransistors Ts, d.h. mit dem positiven Pol der Eingangsspannung UE verbunden. eim Einsatz von Schalttransistoren in Verbindung mit einem Transformator z.B.
• in Sperr- oder Durchflußumrichtern steigt die Spannung an der Schaltstrecke im gesperrten Zustand des Schalttransistors auf die doppelte Eingangsspannung an. liegen der meist unvermeidbaren Sohaltspitzen kann die Spannung an der Schalt strecke auf noch höhere Werte ansteigen. Die erfindungsgemäße Schaltung nah Fig. 2 bewirkt auch unter diesen erschwerten Verhältnissen eine Verbesserung der Ausschaltbedingungen des Schalttransistors Ts.
• Die Wirkungsweise wird nachfolgend näher erläutert.
• Nach dem Öffnen des Schalttransistors Ts kommutiert der über die Primärwicklung I des Transforators Tr1 fließende Strom IL auf die Diode D1 und entlädt den Kondensator C2 auf Null. Darauf erfolgt eine Umpolung der Spannung an der Primärwicklung I, die den Kondensator C2 auf eine, verglichen mit der Eingangsspannung UE, gleich große oder größere negative Spannung auflädt. Im Augenblick des Schließens des Schalttransistors Ts entlädt sich der Kondensator C2 über die Drosselspule Dr1, die für die Kondensatorspannung in Duchlaßrichtung gepolte Diode D2 und die Schaltstrecke des Schalttransistors. Der Kondensator C2 und die Drosselspule Drl bilden jetzt einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz von der Kapazität des Kondensators C2 und der Induktivität der Drosselspule Drl besti.amt wird.
• Damit während der Durchlaßzeit des Schalttransistors Ts die Umladung des Kondensators C2 erfolgen kann ist die Resonanzfrequenz so zu bemessen, daß die Halbschwingungsdauer kürzer als die kürzeste Stromflußdauer des Schalttransistors Ts ist. Am Ende der Halbschwingang ist der Kondensator C2 wirder auf die Eingangsspannung +UE aufgeladen. Wenn die an der Schaltstrecke des Schalttransistors Ts auftretende Sperrspannung größer ist als 2UE, d.h. wenn die negative Spannung U am Kondensator C2 größer ist als UE, dann wird die überschüssige Energie über die Diode D1 in den Lastkreis abgegeben. Ist dagegen die negative Spannung U am Kondensator C2 kleiner als die Eingangsspannung UE, dann muß über einen zusätzlichen '.llderstand die fehlende Ladung des Kondensators C2 ergänzt werden. In der Fig. 2 ist ein entsprechender mit R bezeichneter Widerstand parallel zur Diode Dl gestrichelt eingezichnet. Die an diesem Widerstand auîtretenden Verluste sind jedoch weitaus geringer als die am Widerstand R1, 2 der bekannten Schalung nach Fig. 1 entstehenden Verluste.
• In Fig. 3 sind die Spannung U5 und der Strom IS am Schaltransistor T der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in Ab- hängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Der Stromverlauf zeigt, daß der Schalter im Augenblick des Schließens noch eine erhebliche Entladestromspitze führen muß. Der wesentlich günstigere Verlauf des Stromes IS des Schalters bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Im Einschaltaugenblick ist der Schalter S durch keinen zusätzlichen Strom belastet.
• 2 Patentansprüche 4 Figuren Leerseite

Claims (2)

1. Patentanstrüche 1. Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste eines oder mehrerer Halbleiterschalter in Umrichterschaltungen, wobei die Schaltstrecken der Halbleiterschalter jeweils zwischen eine Eingangsspannungsquelle und einer Drosselspule oder je einer Übertragerwicklung eingeschaltet ist und mit einer aus einen Kondensator und einer Diode bestehenden Reihenschaltung, deren Kondensator mit dem ausgangsseitigen Anschluß der Schaltstrecke des Halbielterschalters und deren in Sperrichtung gepolten Diode mit dem anderen Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verbindungspunkt von Kondensator (C7) und Diode (D1) der Reihenschaltung über eine aus einer Induktivität (Drosselspule Drei) und einer Diode (D2) bestehende weitere Reihenschattung mit dem ausgangsseitigen Anschluß der Schalts-recke des Halbleiterschalters (Ts) verbunden ist und daß die Diode (D2) bezogen auf die Eingangssparmung in Sperrichtung gepolt ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Diode (D1) ein Widerstand (R) parallelgeschaltet ist.