DE3036663A1

DE3036663A1 - Durchschlagschutz fuer bipolare transistoren in spannungswechselrichtern

Info

Publication number: DE3036663A1
Application number: DE19803036663
Authority: DE
Inventors: William Frederick Wirth
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1981-04-16
Also published as: KR830003955A; AU6200780A; FR2466892A1; ES8403673A1; US4310866A; ES495148A0; GB2060299B; CA1152152A; AU536788B2; GB2060299A; KR830002151B1; DK400880A; FR2466892B1; JPS5658785A; BR8006094A

Description

Zusammenfassung:

Werden bipolare Transistoren eines Spannungswechselrichters fehlerhaft in den leitenden Zustand geschaltet, so fließt aus dem Filterkondensator der auf den Wechselrichter arbeitende Gleichspannungsquelle ein hoher Durchschlagsstrom durch die Transistoren, welcher zu deren Zerstörung führen kann. Derartige hohe Ströme durch die Transistoren werden dadurch verhindert, daß man eine kleine Drossel in Reihe zum Filterkondensator der Gleichspannungsquelle schaltet und so die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchschlagstromes begrenzt. Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme erreicht, daß die über Gleichspannungsschienen auf den Wechselrichter gegebene Gleichspannung sofort zu Beginn eines Kurzschlusses auf im wesentlichen Null Volt abfällt. Auf diese Weise werden die Lastlinien der fehlerhaft in den leitenden Zustand geschalteten Transistoren so geformt, daß sie sich nicht in denjenigen Bereich der Arbeitsebene des Transistors hineinbewegen, in welchem mit Durchbrüchen zweiter Art, also mit einer permanenten Beschädigung des Transistors gerechnet werden muß.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchschlagsschutz zum Verhindern von Durchbrüchen zweiter Art in bipolaren Transistoren in Spannungswechselrichtern bei Auftreten eines Kurzschlusses im Wechselrichter oder bei Kurzschließen der Wechselrichterausgangsklemmen.

Bei üblichen Spannungswechselrichtern,, welche Transistoren als

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steuerbare Schalter enthalten, sind zumindest zwei Paare bipolarer Leistungstransistoren in Reihe über die Gleichspannungsschienen geschaltet, welche von einer Gleichspannungsquelle her mit einer Gleichspannung beaufschlagt sind. Der Netzwerksknoten zwischen den beiden Transistoren eines Paares ist jeweils mit einer Klemme einer Last verbunden, z.B. mit einer der Klemmen eines Induktionsmotors . Dadurch, daß man die Transistoren ein- und ausschaltet (zwischen voller Sättigung und dem nichtleitenden Zustand hin- und herschaltet), und zwar in vorgegebener Aufeinanderfolge, läßt sich die auf den Wechselrichter gegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben der Last umsetzen. Weist der Wechselrichter z.B. drei Paare bipolarer Transistoren auf (man kann auch Leistungs-Darlingtonstufen verwenden) , so hat die Ausgangsspannung des Wechselrichters die Form einer/sechsstuf igen Welle, durch welche eine sinusförmige Welle angenähert wird.

Unter normalen Arbeitsbedingungen werden die beiden in Serien geschalteten Transistoren eines Paares niemals zum gleichen Zeitpunkt durch die Steuerschaltung des Wechselrichters in den leitenden Zustand gebracht. Es kann jedoch unter umgür.stigen "τι-ständen vorkommen, daß ein Transistor fehlerhafterweise eingeschaltet wird, obwohl er im nichtleitenden Zustand sein sollte. Dies kann z.B. durch eingestreute Störsignale erfolgten. Wird nun ein fehlerhaft angesteuerter Transistor zum gleichen Zeitpunkt in den leitenden Zustand geschaltet, wie der anderen Transistor des Paares, der schon von der Steuerschaltung eingeschaltet worden ist, so erhält man praktisch einen Kurzschlußweg von einer der Gleichspannungsschienen zu der anderen über die Emit-

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ter-Kollektor-Strecken der beiden nun fehlerhaft leitenden Transistoren. Der über die Gleichspannungsschienen geschaltete Filterkondensator der Gleichspannungsquelle entlädt nun über den Kurzschlußweg, und wenn keine Schutzeinrichtung vorgesehen wäre, würde zumindest einer der beiden Transistoren innerhalb weniger Mikrosekunden zerstört werden, da die Lastlinie des Transistors in denjenigen Bereich der Arbeitsebene eintritt, in welchem Durchbrüche zweiter Art, also bleibende Beschädigungen des Transistors auftreten. Das soeben beschriebene Phänomen wird üblicherweise als Kurzschluß oder Durchschlag, in der englischen Sprache auch als "shootthrough fault" bezeichnet.

Um die Größe des Kurzschlußstromes zu verdeutlichen, seien die Verhältnisse bei einem auf eine Leistung von 15 kW (20 horsepower) ausgelegten Spannungswechselrichter betrachtet. Bei einem solchen hat der Filterkondensator, der in Wirklichkeit eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren umfaßt, üblicherweise eine Kapazität von 13 20 0 Mikrofarad, und die auf den Gleichspannungsschienen liegende und damit auch am Filterkondensator abfallende Spannung beträgt etwa 30 0 Volt. Tritt ein Durchschlag in einem der Transistorpaare auf, und wird so ein Kurzschlußweg zwischen den GIeichspannungsschienen geschaffen, so treten Spitzenströme des Kurzschlußstromes bis zu 10 000 A auf, und diese Ströme fließen durch die beiden fehlerhaft leitenden Transistoren. Der Kurzschlußstrom wäre nur durch den effektiven Serienwiderstand des Filterkondensators begrenzt. Da darüberhinaus der Filterkondensator mehr Strom liefern kann als die Transistoren aufnehmen können, verbleibt die Spannung auf den Gleichspannungsschienen zu Beginn des Kurzschlusses auf ihrem normalen hqhen

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Pegel (300 Volt). Infolgedessen liegt die volle normale Wechselrichter-Speisespannung an der Emitter-Kollektor-Strecke des
fehlerhaft angesteuerten Transistors, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem sein Kollektorstrom (das ist bei den hier betrachteten Bedingungen zugleich der Kurzschlußstrom) einen sehr hohen Wert hat. Die Lastlinie des Transistors fällt daher weit ins Innere desjenigen Bereiches der Kollektorstrom - Kollektor/Emitter-Spannung - Arbeitsebene, in welchem Durchbrüche zweiter Art
auftreten. Durch die sehr hohe Spitzenleistung (Kollektor-Emitter-Spannung V multipliziert mit dem Kollektorstrom I) wird der Transistor dann zerstört.

Um dem zu begegnen, sind schon Vorkehrungen zum Schutz von
Transistoren von Spannungswechselrichtern gegen Beschädigung
durch Kurzschlußströme vorgeschlagen worden. Bei einer bekannten derartigen Anordnung ist zusätzlich ein steuerbarer Überstromweg vorgesehen, welcher einen über die Gleichspannungsschienen geschalteten Thyristor aufweist. Tritt ein Kurzschluß im Wechselrichter auf j. so wird der Thyristor durch Ansteuerung ift den leitenden Zustand gebracht und zieht so den Kurzschlußstrom
von den Thyristoren weg auf sich, da ein Thyristor erheblich
besser Stromstöße aufnehmen kann als ein Transistor. Da jedoch der Thyristor einen höheren Spannungsabfall (größer als 1 Volt) aufweist als zwei in Reihe geschaltete Transistore ( 2 χ 0,3 ? - 0,6 V), fließt immer noch ein Teil des KurζSchlußstromes durch die Transistoren, so daß man mit einer derartigen Schutzeinrichtung keinen vollständigen Schutz der Transistoren erreicht» Da der Thyristor den Filterkonäensator entladen muß, muß er

elae groß® l'^'x Auslegung aufweisen,.

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Durch den Durchschlagsschutz gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung gegenüber diesem schon früher entwickelten, oben beschriebenen Durchschlagsschutz erhalten: Man erhält einen erheblich weiterreichenden Schutz der Transistoren, wobei der Durchschlagschutz trotzdem erheblich einfacher aufgebaut ist und erheblich billiger ist als beim oben geschilderten Stand der Technik.

Der erfindungsgemäße Durchschlagsschutz verhindert,daß bipolare Transistoren in einem Gleichspannungswechselrichter durch Durchbrüche zweiter Art beschädigt werden, welche auf den Kurzschlußstrom zurückzuführen sind, welcher ausgehend vom Filterkondensator der den Wechselrichter über Gleichspannungsschienen speisenden Gleichspannungsquelle durch die fehlerhaft leitenden Transistoren fließt. Der erfindungsgemäße Durchschlagsschutz weist eine Schutzeinrichtung auf, welche die Lastlinien der fehlerhaft leitenden Transistoren während eines Kurzschlusses so legt und formt, daß ein Eintreten dieser Lastlinien in denjenigen Bereich der Arbeitsebene, in dem Durchbrüche zweiter Art auftreten, verhindert wird. Auf diese Weise wird auch verhütet, daß die Transistoren durch derartige Durchbrüche zweiter Art zerstört werden. Die Schutzeinrichtung kann durch eine Drossel gebildet sein, welche in Reihe zum Filterkondensator geschaltet ist und die Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlußstromes begrenzt und zugleich dafür sorgt, daß die Gleichspannung auf den Gleichspannungsschienen, welche die Gleichspannungsquelle mit dem Wechselrichter verbinden, sofort bei Beginn einer Kurzschlußsituation im wesentlichen auf KuIl Volt abfällt= Auf diese Weise wird jegliche nennenswerte Spannung an den fehlerhaft

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leitenden Transistoren abgebaut und die Transistorlastlinien werden mit Sicherheit außerhalb des Gebietes der Durchbrüche zweiter Art gehalten. Auf diese Weise wird die Spitzenleistung auf Werte begrenzt, bei denen eine Zerstörung der Transistoren noch nicht erfolgt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Spannungswechselrichters mit bipolaren Transistoren, der von einer Gleichspannungsquelle her gespeist wird, welche eine drehstromgespeiste Thyristorbrücke und einen nachgeschalteten Filterkondensator aufweist und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Arbeitsebene der Transistoren des Wechselrichters, in welche zwei Transistorlas tlinien eingetragen sind, welche bei Auftreten eines Kurzschlusses in oder am Wechselrichter von Fig. 1 durchlaufen werden.

In Figl 1 sind drei Netzleiter L₁, L- und L~ wiedergegeben, welche eine Verbindung zum dreiphasigen Drehstromnetz herstellen und somit drei Wechselspannungen bereitstellen, die gegeneinander um 120 ° phasenverschoben sind und eine Kommutierungsfrequenz von 60 Hz haben. Eine jede der drei phasenverschobenen Wechselspannungen ist eine jeweils einem Leitungspaar abzugreifende Spannung und kann an einem der Netzleiter L.. , L2 und Lg gegenüber einem anderen der Netzleiter abgegriffen werden. Die Ampli-

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tude einer jeden Phasenspannung kann einen beliebigen, jeweils geeigneten Wert annehmen, je nachdem, welche Betriebsdaten die zu erregende Last hat. Die über die Netzleiter L₁ , L~ und L-, erhaltene Wechselstromenergie wird durch eine phasengesteuerte Gleichrichterbrücke 10, welche aus Thyristoren aufgebaut ist, in Gleichspannungsenergie umgesetzt. Genauer gesagt weist die Gleichrichterbrücke 10 sechs Thyristoren 11 - 16 auf, welche durch eine mit den Steuerklemmen der Thyristoren verbundene Steuerschaltung 17 in den leitenden Zustand geschaltet werden können. Die Thyristoren 11 - 16 richten die auf sie gegebene Wechselspannung gleich und man erhält so an einer positiven Ausgangsklemme 18 und einer negativen Ausgangsklemme 19 der Gleichrichterbrücke 10 eine Gleichspannung, deren Amplitude von den Schließwinkeln der Thyristoren während eines jeden Halbzyklus der aufgeprägten Wechselspannung abhängt.

Ein jeder der Thyristoren 11 - 16 der Gleichrichterbrücke 10 kann innerhalb des Halbzyklus der auf ihn gegebenen Wechselspannung, in welchem die Wechselspannung positive Polarität hat, leiten, wenn die Anode des Thyristors bezogen auf die Kathode auf positivem Potential liegt. Man erhält jedoch in dem Halbzyklus der Wechselspannung mit positiver Polarität nur dann ein Leiten des Thyristors, wenn dessen Steuerklemme von der Steuerschaltung 17 her mit einem Steuerstrom beaufschlagt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird dann der Thyristor eingeschaltet , und nun kann ein Laststrom so lange durch ihn fließen, bis der Wechselgpannungshalbzyklus mit positiver Polarität zu Ende ist. Je größer der phasenwinkel, d.h. die Zeitspanne zwischen dem Beginn eines Wechsel-

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spannungshalbzyklus mit positiver Polarität und dem Zeitpunkt des Einschaltens des Thyristors ist, umso kleiner ist der Schließwinkel des Thyristors und umso weniger gleichgerichteter Wechselstrom wird an die Last abgegeben. Auf diese Weise erhält man dann an den Ausgangsklemmen 18 und 19 der Gleichrichterbrücke 10 eine kleinere gleichgerichtete Spannung. Die gleichgerichtete Spannung wird so am Ausgang der Gleichrichterbrücke 10 bereitgestellt, daß die Ausgangsklemme 18 bezüglich der Ausgangsklemme 19 auf positivem Potential liegt.

Eine Filterdrossel und ein Pilterkondensator 22 sind vorgesehen, um die von der Gleichrichterbrücke 10 abgegebene gleichgerichtete Spannung zu glätten. Am Ausgang des Glättungskreises erhält man eine gefilterte Gleichspannung mit einer Amplitude von beispielsweise 300 Volt. Diese Gleichspannung wird über Gleichspannungsschienen 26 und 27 an einen insgesamt mit 25 bezeichneten Wechselrichter abgegeben. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird angenommen, daß der Wechselrichter auf eine Leitung von 15 kW ausgelegt ist, also eine Last von 15 kW antreiben kann. Dadurch, daß man die Schließwinkel der Thyristoren 11-16 ändert, kann man die Amplitude der auf den Wechselrichter.25 gegebenen Gleichspannung ändern. Die Gleichrichterbrücke 10, die Filterdrossel 21 und der Filterkondensator 22 stellen somit eine steuerbare Spannungsquelle zum Speisen des Wechselrichters 25 dar. Hat man es mit einem Stromwechselrichter zu tun, so läßt sich die Amplitude des auf den Wechselrichter gegebenen Stromes steuern, und es wird kein Filterkondensator wie der Filterkondensator 22 verwendet« Der Filterkondensator 22 führt zu dem Kurzmy welches durch die vorliegende Erfindung ausgeräumt

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ist. Aus diesem Grunde findet die vorliegende Erfindung bei
Spannungswechselrichtern Verwendung.

Der Grund, warum eine weitere Drossel 29 und eine parallel über diese geschaltete Freilaufdiode mit kurzer Erholungszeit vorgesehen sind, wird später noch genauer erläutert. An dieser Stelle mag es genügen, darauf hinzuweisen, daß die Drossel 29 verhältnismäßig klein ist und vorzugsweise eine Induktanz von etwa
8 Mikrohenry aufweist. Die Drossel 29 hat somit nur einen verschwindend kleinen Einfluß auf die Filtereigenschaften des durch die Filterdrossel 21 und den Filterkondensator 23 gebildeten
Glättungskreises. Anders gesagt: Dadurch, daß man die Drossel vorsieht, erhält man keinen nennenswerten Brumm auf der auf den Gleichspannungsschienen 26, 27 bereitgestellten Gleichspannung.

Der Wechselrichter 25 hat an sich bekannten Aufbau. Er weist
drei Paare bipolarer NPN-Leistungstransistoren 31 - 36 auf, wobei ein jedes dieser Transistorpaare in Reihe über die Gleichspannungsschienen 26 und 27 geschaltet ist. Die zwischen den
Transistoren eines Paares jeweils liegenden Netzwerksknoten 37, 38 und 39 sind mit den Windungen eines Wechselstrom—Induktionsmotors 41 verbunden. Dadurch, daß man zu genau vorgegebenen
Zeitpunkten einen Steuerstrom auf die Basisklemme der sechs bipolaren Leistungstransistoren 31 - 36 gibt, kann man die auf
den Gleichspannungsschienen 26 und 27 anstehende Gleichspannung in eine Wechselspannung umsetzen, mit welcher die Wicklungen des Induktionsmotors 41 beaufsdiLagt sind. Diese Wicklungen sind so
mit Wechselstrom beaufschlagt. Wird z.B. ein Steuerstrom gleich-

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zeitig auf die Basisklemmen der Leistungstransistoren 31 und 35 gegeben, derart, daß diese Transistoren gesättigt werden, so fließt ein Strom von der positiven Gleichspannungsschiene 26 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors 31, den. Netzwerksknoten 37, eine Wicklung des Induktionsmotors 41, den Netzwerksknoten 38 und die Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors 35 zu der negativen Gleichspannungsschiene 27. Werden die Leistungstransistoren 31 und 35 dann ausgeschaltet und anstelle dessen die Leistungstransistoren 32 und 34 eingeschaltet, so fließt durch dieselbe Motorwicklung ein Strom in entgegengesetzter Richtung. Zum entsprechenden Ein- und Ausschalten der Leistungstransistoren 31 - 36 in der richtigen Abfolge ist eine Steuerschaltung 42 vorgesehen. Diese sorgt dafür, daß die Wicklungen des Induktionsmotors derart mit Wechselspannungen beaufschlagt sind, wie dies zum Indrehungversetzen des Rotors notwendig ist.

Die sich rasch erholende Freilaufdiode 31, welche über die Klemmen der Drossel 29 geschaltet ist, verriegelt die Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 auf die am Filterkondensator 22 anliegende Spannung. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Spannung auf den GIeichspannungsschienen 26 und 27 überschießt, wenn die Leistungstransistoren des Wechselrichters eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die Freilaufdiode 31 sorgt ferner für einen Entladeweg für die induktive Energie, welche von der Drossel 29 wieder abgegeben wird.

Die Emitter-Kollektor-Strecke eines jeden der sechs Leistungstransistoren 31 - 36 ist durch eine in entgegengesetzter Richtung

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gepolte Freilaufdiode 44 kurzgeschlossen, welche nur beim Leistungstransistor 31 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Diese Freilaufdiode dient dazu, die Motorblindströme wieder zum Filterkondensator 22 zurückzuführen. Die sechs Freilaufdioden 44 verriegeln also die Motorklemmenspannung derart, daß sie nie die Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 überschreitet.

Über die Kollektor-Emitter-Strecke eines jeden der Leistungstransistoren 31-36 ist ferner ein Sumpfkreis geschaltet, der verhindert, daß der Transistor durch die in der Last gespeicherte induktive Energie beschädigt wird, wenn er beim normalen Arbeiten des Wechselrichters 25 durch die Steuerschaltung 42 abgeschaltet wird. Da diese sechs Sumpfkreise gleichen Aufbau haben, wird nur der den Leistungstransistor 31 überbrückende Sumpfkreis beschrieben. Wird der Leistungstransistor 31 von der Steuerschaltung abgeschaltet, so wird die auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 anstehende Gleichspannung von der Motorwicklung weggenommen und die induktive Energie aus dieser Wicklung lädt einen Kondensator 46 des Sumpfkreises rasch über eine in Reihe geschaltete Diode 47 auf. Wird der Leistungstransistor 31 später durch die Steuerschaltung 42 wieder eingeschaltet, so wird der Kondensator 46 langsam über einen über die Diode 47 geschalteten Widerstand 48 entladen.

In Fig. 1 ist ein jeder der bipolaren Leistungstransistoren 31 bis 36 als herkömmlicher NPN-Transistor wiedergegeben, um die Zeichnung übersichtlich zu halten. In Wirklichkeit besteht ein jeder der Halbleiterschalter vorzugsweise aus einer an sich be-

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kannten Leistungs-Darlingtonstufe mit zwei Transistoren. Bei einer solchen Darüagtonstufe weist also ein jeder der Leistungstransistoren 31 - 36 zwei Transistoren auf, während die Stufe insgesamt weiterhin nur drei Klemmen aufweist, nämlich eine Basisklemme , eine Emitterklemme und eine Kollektorklemme, so daß letztlich dieselben Verhältnisse vorliegen, wie in Fig. 1 gezeigt.

Durch die Steuerschaltung 42 werden die Basisklemmen der Lei= stungstransistoren 31 - 36 also in vorprogrammierter Weise mit Steuerströmen beaufschlagt und als Resultat hiervon gibt der Wechselrichter 25 an den Induktionsmotor 41 eine Wechselspannung ab, deren Amplitude direkt proportional zur Amplitude der Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 ist. Die Frequenz der am Ausgang des Wechselrichters 25 bereitgestellten Wechselspannung ist durch die Frequenz der von der Steuerschaltung 42 auf die Basisklemmen der Leistungstransistoren 31 - 36 gegebenen Steuersignale vorgegeben» Diese Frequenz kann man in an sich bekannter Weise durch die auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 stehende Gleichspannung vorgeben, wozu man z.B. einen spannungsgesteuerten Oszillator verwenden kann, der einen Teil der Steuerschaltung 42 bildet und dessen Steuerklemmen 'über Leitungen 51 und 52 mit der auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 stehenden Spannung beaufschlagt sind= Die Arbeitsfrequenz des Oszillators ist somit durch die auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 stehende Spannung vorgegeben und ändert sich direkt mit dieser,, so daß das Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz des am Ausgang des Wechselrichters 25 bereitgestellten lspannung im wesentlichen, konstantgehalten wird. Die Dreh-

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zahl, mit welcher der Induktionsmotor 41 läuft, ist durch die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters 25 vorgegeben und direkt zu dieser proportional. Obwohl dies in der Zeichnung nicht wiedergegeben ist, versteht sich, daß die Welle des Induktionsmotors 41 mit einer mechanischen Last verbunden ist. Dadurch, daß man ein festes Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz der am Ausgang des Wechselrichters 25 abgegebenen Wechselspannung aufrechterhält, gibt der Induktionsmotor 41 an seiner Welle ein konstantes Drehmoment ab, ganz gleich, wie groß die Motordrehzahl ist.

Um die Motordrehzahl zu verändern, kann man das Arbeiten der Thyristoren 11 - 16 über die Steuerschaltung 42 und die Steuerschaltung 17 so ändern, daß die Amplitude der Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 einen gewünschten Sollwert aufweist, und auf diese Weise wird dann auch der Strom zum Wechselrichter 25 und zum Induktionsmotor 41 geregelt. So kann z.B.in der Steuerschaltung 42 eine Referenzspannung verwendet werden, welche die gewünschte Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 darstellt, welche dazu führt, daß der Induktionsmotor 41 mit der gewünschten Drehzahl angetrieben wird. In der Steuerschaltung 42 wird diese Referenzspannung mit der Istspannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 verglichen,.und es wird ein entsprechendes Fehlersignal erzeugt, welches über Leitungen 54 und 55 an die Steuerschaltung 17 weitergegeben wird. Dieses Fehlersignal ändert sich somit in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen dem Sollwert für die Spannung auf den Gleichspannungs» schienen 26 und 27 (dargestellt durch die Referenzspannung) und

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dem Istwert der Gleichspannung auf den Gleichspannungsschxenen 26 und 27, mit welcher der Wechselrichter 25 beaufschlagt ist. Die Steuerschaltung 17 spricht auf das ihr über die Leitungen 54 und 55 überstellte Fehlersignal so an, daß sie den Steuerklemmen der Thyristoren 11 - 16 entsprechend synchronisierte Steuerstromimpulse überstellt, die so gewählt sind, daß die Schließwinkel der Thyristoren so eingestellt werden, daß man auf den Gleichspannungsschxenen 26 und 27 eine Gleichspannung derjenigen Amplitude erhält, die zum Antreiben des Induktionsmotors 41 mit der gewünschten Drehzahl erforderlich ist. Wird z.B. die Amplitude dieser Gleichspannung unter den für eine bestimmte Drehzahl erforderlichen Wert abgesenkt (was zu einer Abnahme der Motordrehzahl führt), so ändert sich das Fehlersignal entsprechend und die Steuerschaltung 17 wird veranlaßt, den Schließwinkel der Thyristoren 11 - 16 zu vergrößern, worauf dann die Amplitude der Gleichspannung auf den Gleichspannungsschxenen 26 und 27 ebenfalls so lange vergrößert wird, bis die richtige Amplitude wieder eingestellt ist. Soll eine andere Motordrehzahl eingestellt werden, z.B. eine geringere Drehzahl, so kann man die Referenzspannung entsprechend ändern, z.B. durch manuelles Verstellen eines Potentiometers. Das dann erzeugte Fehlersignal führt dazu, daß die Steuerschaltung 17 den Sphließwinkel der Thyristoren 11 - 16 so stark verkleinert, daß die Spannung auf den Gleichspannungsschxenen 26 und 27, mit welcher der Wechselrichter 25 beaufschlagt ist, bis auf denjenigen Wert abgesenkt wird, der zum Antreiben des Induktionsmotors 41 mit der neuen, niedereren Solldrehzahl erforderlich ist.

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Anstelle der manuellen Einstellung der Motordrehzahl kann man natürlich auch die Referenzspannung dadurch erzeugen, daß man einen Arbeitsparameter der Anlage, zu welcher der in Fig. 1 gezeigte Wechselrichter 25 gehört, überwacht und so die Motordrehzahl automatisch in Abhängigkeit von dem durch den Fühler gemessenen Signal nachfährt.

Man kann auch für den Wechselrichter und den eingangsseitig mit ihm verbundenen Gleichrichter verschiedene Steuerkreise vorsehen, um das Arbeiten einer letztlich angetriebenen Last zu steuern. Es versteht sich ferner, daß die Gleichspannungsquelle eingangsseitig auch mit einphasigem Wechselstrom gespeist werden kann anstelle von Drehstrom wie beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Bei Speisung aus einem Einphasennetz würden der Netzleiter L₃ und die Thyristoren 13 und 16 entfallen. Man erhielte dann auf der Gleichspannungsschiene 26 immer noch eine bezüglich der Gleichspannungsschiene 27 positive Spannung.

Ein Schutz der Leistungstransistoren des Wechselrichters gegen Beschädigung durch überströme, welche durch gleichzeitiges Ansteuern zweier in Reihe geschalteter Leistungstransistoren hervorgerufen werden, wird durch die schon oben angesprochene Drossel 29 verhindert. Durch diese ist eine zusätzliche Impedanz zwischen dem Filterkondensator 22 und den Leistungstransistoren 31 - 36 gegeben, welche die Anstiegsgeschwindigkeit des aus dem Filterkondensator 22 herausfließenden Stromes begrenzt. Hierdurch wird die Gestalt der Lastlinien der Leistungstransistoren des Wechselrichters während eines durch fehlerhafte Transistoransteuerung bedingten Kurzschlusses so vorgegeben, daß die

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Lastlinien nicht in denjenigen Bereich der Arbeitsebene gelangen, in welchen Durchbrüche zweiter Art auftreten.

Dies sei an einem konkreten Beispiel näher erläutert:

Während des normalen Arbeitens des Wechselrichters 25 wird keiner der Leistungstransistoren 31 - 36 eingeschaltet, wenn der
mit ihm in Reihe geschaltete Leistungstransistor ebenfalls leitet. Wird dagegen einer der Leistungstransistoren eines Paares
fehlerhaft in den leitenden Zustand geschaltet (z.B. durch eingestreute Störsignale oder durch Wärmeeinwirkung), wenn der andere Leistungstransistor des Paares schon durch die Steuerschaltung 42 für das normale Arbeiten des Wechselrichters 25
durchgesteuert worden ist (oder werden beide Leistungstransistoren eines Paares gleichzeitig durch Störsignale oder aus anderem Grund eingeschaltet), so besteht zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 ein Kurzschlußweg. In solcher Situation würde der Filterkondensator 22 versuchen, sich über diesen Kurzschlußweg zu entladen, wodurch sich eine Durchschlagssituation für mindestens einen der fehlerhaft leitenden Transi-

FaIl,
stören ergäbe. Gegeben sei z.B.der . daß der Leistungstransistor

31 eingeschaltet ist und den Laststrom zum Induktionsmotor 41
überträgt, und daß der an und für sich dann nicht leitende
Leistungstransistor 34 fehlerhafterweise eingeschaltet wird. In diesem Falle kann man die beiden Transistoren zusammen als
"fehlerhaft leitende Transistoren" bezeichnen, obwohl der Leistungstransistor 31 an sich beim normalen Arbeiten des Wechselrlehters 25 durch die Steuerschaltung 42 eingeschaltet worden ist,

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Um nun die Arbeitsweise des Überstromschutzes für die Leisturjstransistoren näher zu erläutern , wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in welcher die Lastlinie für den zunächst eingeschalteten Leistungstransistor 31 und den zunächst ausgeschalteten Leistungstransistor 34 nach dem Eintreten einer KurζSchlußsituation bis hin zu deren Beendigung wiedergegeben sind.

Unmittelbar vor dem Auftreten einer KurζSchlußsituation befindet sich der Arbeitspunkt des Leistungstransistors 3T bei dem Punkt 56 seiner in Fig. 2 wiedergegebenen Lastlinie, da durch diesen Leistungstransistor ein hoher Laststrom und damit ein hoher Kollektorstrom I_ fließt. Dieser Transistor ist also gesättigt, und seine Kollektor-Emitter-Spannung V (also die an der Kollektor-Emitter-Strecke abfallende Spannung) hat einen nur kleinen Wert von fast O Volt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Arbeitspunkt des ausgeschalteten Leistungstransistors 34 beim Punkt 57 seiner Lastlinie; sein Kollektorstrom ist nahezu O, während die volle Spannung an den Gleichspannungsschienen 26 und 27 (300 V) am Transistor abfällt.

Sowie nun der Leistungstransistor 34 fehlerhafterweise ebenfalls durchgesteuert wird, fällt die Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27 sofort auf praktisch 0 Volt ab, da die Drossel 29 eine in Reihe zum Kondensator 22 geschaltete Impedanz darstellt und die Gleichspannungsschienen 26 und 27 durch die Leistungstransistoren 31 und 34 praktisch kurzgeschlossen sind. Nun fällt die gesamte Spannung am Kondensator 22 (300 Volt) an der Drossel 29 ab. Wäre dagegen die Drossel 29 nicht vorgesehen, so bliebe die Spannung auf den Gleichspannungsschienen 26 und 27

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auch nach Beginn des Kurzschlusses auf 300 VoIt₇ da der Filterkondensator 22 durch Entladen mehr Strom abgeben kann als durch die Leistungstransistoren 31 und 34 abfließen kann. Der Filterkondensator 22 würde so die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 weiterhin auf dem Ausgangswert (300 Volt) halten, obwohl die Gleichspannungsschienen praktisch kurzgeschlossen sind. Ist dagegen, wie oben beschrieben, die Drossel 29 zwischen den Filterkondensator 22 und die fehlerhafterweise
leitenden Leistungstransistoren 31 und 34 geschaltet, so ist ein weiterer Widerstand (der Blindwiderstand der Drossel 29) zu dem Filterkondensator 22 hinzugeschaltet, und die volle Kondensatorspannung (300 Volt) fällt an der Drossel 29 ab. Auf diese Weise wird die Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und
27 sofort auf fast O Volt reduziert, und gleichzeitig wird ein rasches Ansteigen des KurzSchlußstromes, d.h. auch des Kollektorstromes durch die fehlerhaft leitenden Leistungstransistoren 31 und 34 verhindert. Beträgt z.B. die Induktanz der Drossel 26 8 Mikrohenry, wie oben beschrieben, so kann man unter Verwendung der Gleichung E=L di/dt berechnen, um wieviel der Anstieg des Kurzschlußstromes durch Vorsehen der Drossel 29 verlangsamt wird. Bei den bevorzugten Schaltungsparametern beträgt die Anstiegsgeschwindigkeit des aus dem Filterkondensator 22 fließenden Kurzschlußstromes 37 Ampere pro Mikrosekunde. Durch Verwenden der
kleinen Drossel 29 wird somit der Anstieg des Kurzschlußstromes ganz erheblich' vermindert; man erhält einen im wesentlichen sägezahnförmigen, linearen Stromanstieg.

Wäre dagegen die Drossel 29 nicht vorgesehen, so würde der Strom durch den Leistungstransistor 34 praktisch sofort auf einen ex-

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treiti hohen Wert ansteigen, und da die Kollektor-Emitter-Spannung immer noch auf der normalen Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 (300 Volt) gehalten wäre, würde die Lastlinie zu diesem Zeitpunkt vom Punkt 57 in Fig. 2 eine ganz erhebliche Strecke nach oben schießen und in den Bereich hineinlaufen, in welchem Durchbrüche zweiter Art eintreten. Dies würde dazu führen, daß der Leistungstransistor innerhalb weniger Mikrosekunden durch Durchbrüche zweiter Art zerstört würde.

Bei Vorsehen des oben beschriebenen Kurzschlußschutzes fällt dagegen bei Beginn einer Kurzschlußsituation die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors 34 sofort von der normalen Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 auf im wesentlichen O Volt ab. Die Lastlinie des Leistungstransistors 34 läuft somit vom Punkt 57 in Richtung der eingezeichneten Pfeile zum Punkt 58 (vergl. Fig. 2). Der Kollektorstrom durch den Leistungstransistor 34 wird dann mit verhältnismäßig geringer Anstiegsgeschwindigkeit aufgebaut, so daß die Lastlinie ausgehend vom Punkt 58 dann längs der I_c-Achse nach oben läuft.

Mittlerweile hat ein dv/dt-Überwachungskreis 64, welcher die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27 überwacht, festgestellt, daß ein plötzlicher Spannungsabfall auf fast O Volt eingetreten ist. Auf diesen Spannungsabfall hin überstellt der Überwachungskreis 64 über eine Leitung 65 ein Steuersignal an die Steuerschaltung 42, welche daraufhin die Steuerströme an die Basisklemmen aller Leistungstransistoren 31 - 36 beendet. Hierdurch werden die Leistungstran-

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sistoren 31 und 34 ausgeschaltet. Leistungstransistoren können nun aber nicht ganz plötzlich abgeschaltet werden, da sie ein sogenanntes Ladungsspeichervermögen aufweisen. Wird nämlich ein Leistungstransistor durch einen entsprechenden Basisstrom in völlige Sättigung gefahren (wie dies bei den Punkten 57 und 58 gescchieht), so werden Minoritätsträger in seiner Basis und den Kollektorregionen gespeichert, und diese Ladungsträger müssen nach Beendigung des Basisstromes ausgeschwemmt werden, was durch Rekombination oder Absorption erfolgen kann. Erst dann wird der Transistor aus der Sättigung gefahren und schaltet aus. Das Heraus schwemmen der Minoritätsträger erfordert ein endliches Zeitintervall, welches man auch als Speicherzeit bezeichnet.

Ausgehend vom Punkt 58 bis hin zum Punkt 59 der Lastlinie des Leistungstransistors 34, d.i. während der Speicherzeit dieses Transistors, wächst der Kollektorstrom sägezahnförmig an, bis der Transistor dann beim Punkt 59 endgültig abschaltet. Nachdem der Leistungstransistor 34 abgeschaltet worden ist, läuft die Lastlinie vom Punkt 59 zum Punkt 60 (dieser entspricht dem Strom O und dem Abfall der halben Spannung zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27, also 150 VoIt)₀ Die Form dieses Abschnittes der Lastlinie ist durch den Sumpf kreis, welcher über die Kctllektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors geschaltet ist^ in gleicher Weise vorgegeben wie beim normalen Abschalten des Transistors beim normalen Arbeiten des Wechselrichters 25„

Beginnt der Kurzschlußstrom beim Punkt 58 durch den Leistungs» ■transistor 2c au ilieSsn^ so fließt derselbe Stroia aucla durch den

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Leistungstransistor 31. Da durch den Leistungstransistor 31 schon der normale Laststrom fließt (Punkt 56), führt der Kurzschlußstrom nun dazu, daß die Lastlinie des Leistungstransistors 31 vom Punkt 56 zum Punkt 61 weiterläuft. Dieses Weiterlaufen erfolgt wiederum innerhalb der Speicherzeit des Transistors, bevor der Transistor dann schließlich abschaltet. Der sich anschließende Abschnitt der Lastlinie des Leistungstransistors 31 vom Punkt 61 zum Punkt 60 ist in seiner Form wieder durch den dem Transistor zugeordneten Sumpfkreis vorgegeben. Sind die Leistungstransistoren 31 und 34 beide abgeschaltet, so fällt die halbe Spannung zwischen den " Gleichspannungsschienen 26 und 27 an jedem der beiden Transistoren ab.

Man erkennt, daß durch die Drossel 29 der Verlauf der Lastlinien der fehlerhafterweise leitenden Leistungstransistoren 31 und 34 innerhalb einer Kurzschlußphase vorgegeben ist, und zwar derart, daß die Lastlinien nicht in den Bereich der Arbeitsebene hineinlaufen, in welchem Durchbrüche zweiter Art auftreten. Hierdurch wird eine Zerstörung der Transistoren durch Durchbrüche zweiter Art verhindert. Die Emitter-Kollektor-Spannung und der Kollektorstrom eines fehlerhafterweise leitenden Leistungstransistors werden so gesteuert, daß man nie eine Spitzenleistung solcher Größe erhält, daß hierdurch der Transistor zerstört würde. In Kurzschlußsituationen hält somit die Drossel 29 die fehlerhafterweise leitenden Leistungstransistoren in Leistungsbereichen, für welche sie ausgelegt sind.

Es versteht sich, daß man von der vorliegenden Erfindung auch zum Schutz von Transistoren bei Auftreten von Kurzschlüssen

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außerhalb des Wechselrichters 25 Verwendung machen kann, z.B. bei einem Kurzschluß zwischen den Ausgangsklemmen des Wechselrichters 25. Nimmt man z.B. an, daß die Netzwerksknoten 37 und 38 des Wechselrichters 25 zu einem Zeitpunkt kurzgeschlossen werden, zu dem die Leistungstransistoren 32 und 34 durch die Steuerschaltung 42 beim normalen Arbeiten des Wechselrichters 25 eingeschaltet sind, so erhält man bei Verbinden der Netzwerksknoten 37 und 38 einen Kurzschluß zwischen den Gleichspannungsschienen 26 und 27, so daß wiederum die Gefahr einer Zerstörung der Leistungstransistoren 32 und 34 besteht. Diese Leistungstransistoren sind aber wiederum gegen eine Bestätigung geschützt, wobei der Überstromschutz in genau der gleichen Weise gewährleistet ist, wie dies obenstehend im einzelnen beschrieben wurde.

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Lö*

L e e r s e j t e

Claims

Patentanwälte

Dipl. Ing. H. HaucE:

Dipl. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfs

Dipl. Ing. W. Wehnert

Dipl. Phys. W. Carstens

Dr.-ing. W. Döring

MozartstraQe 23
80O0 München 2

Borg-Warner Corporation

South Michigan Ave* Anwaltsakte M-5300

Chicago, 111.60604 (USA) 22. September 1980

Durchschlagsschutz für bipolare Transistoren in Spannungswechselrichtern

Patentansprüche

( 1 ·) Durchschlagsschutz zum Verhindern von bei Durchbrüchen zweiter Art an bipolaren Transistoren in Spannungswechselrichtern dadurch entstehenden Schaden, daß vom Filterkondensator der den Wechselrichter speisenden Gleichspannungsquelle ein hoher Durchschlagsstrom durch fehlerhaft leitende Transistoren fließt, gekennzeichnet, durch eine Schutzeinrichtung, (29), welche die Lastlinien der fehlerhaft leitenden Transistoren (31 - 36) während eines durch das fehlerhafte Leiten erfolgenden Durchschlages derart formt, daß der Arbeitspunkt der fehlerhaft arbeitenden Transistoren aus demjenigen Bereich der Arbeitsebene herausgehalten wird, in welchem Durchbrüche zweiter Art erfolgen, wodurch eine bleibende Zerstörung der Transistoren durch einen Durchbruch zweiter Art verhindert wird»
2. Durchschlagsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (29) die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchschlagsstromes begrenzt=
3. Durchschlagsschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Schutzeinrichtung (29) eine Impedanz aufweist, welche zwischen den Filterkondensator (22) und die Transistoren (31 - 36) des Wechselrichters (25) geschaltet ist.
4. Durchschlagsschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (29) in einem fehlerhaft leitenden der Transistoren (31 - 36) verhindert, daß die Emitter-Kollektor-Spannung und der Kollektorstrom zusammen eine Spitzenleistung einer Größe ergeben, durch welche der Transistor zerstört würde.
5. Durchschlagsschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

wobei die Gleichspannungsguelle über Gleichspannungsschienen mit dem Wechselrichter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (29) nach dem Beginn eines Kurzschlusses dafür sorgt, daß die an den Gleichspannungsschienen (26, 27) anliegende Gleichspannung sofort auf im wesentlichen Null Volt abfällt, so daß die an den fehlerhaft leitenden der Transistoren (31 - 36) abfallende Spannung im wesentlichen entfernt ist.
6. Durchschlagsschutz nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (29) eine Drossel

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aufweist, welche in Reihe zum Filterkondensator (22) geschaltet ist, wodurch erreicht wird, daß der Durchschlagsstrom rampenförmig linear zunimmt und die auf den Wechselrichter (25) gegebene Gleichspannung sofort zu Beginn eines Kurzschlusses auf im wesentlichen Null Volt abfällt.
7. Durchschlagsschutz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (29) durch eine Freilaufdiode (31) überbrückt ist, durch welche die Gleichspannung auf den Gleichspannungsschienen (26, 27) auf die am Filterkondensator (22) anliegende Spannung verriegelt wird und durch welche ein Entladungsweg für die von der Drossel (29) wieder abgegebene magnetische Feldenergie gebildet wird,
8. Durchschlagsschutz nach einem, der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Sicherheitseinrichtung (64, 42), welche auf das Auftreten eines Durchschlages anspricht und die auf die Basis der fehlerhaft leitenden der Transistoren (31 - 36) gegebenen Ansteuersignale entfernt, so daß diese Transistoren abgeschaltet werden.
9. Durchschlagsschutz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einem jeden der im Hinblick auf ein fehlerhaftes Leiten gefährdeten Transistoren (31 - 36) ein parallel geschaltetes Sumpfnetzwerk (46 - 48) zugeordnet ist, welches die Gestalt der Lastlinie nach dem Abschalten des Transistors vorgibt.
10. Durchschlagsschutz für einen Transistoren aufweisenden Span-

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nungswechselrichter, der über Gleichspannungsschienen von einer solchen Gleichspannungsquelle her mit einer Gleichspannung beaufschlagt ist, welche einen über die Gleichspannungsschienen geschalteten Filterkondensator aufweist, wobei der Wechselrichter zumindest ein Paar von bipolaren Leistungstransistoren aufweist, die in Reihe über die Gleichspannungs— schienen geschaltet sind und die der Gefahr eines Durchschlagstromes ausgesetzt sind, der durch Entladen des Filterkondensators über die Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren immer dann fließt, wenn die Transistoren eines Paares fehlerhafterweise zum gleichen Zeitpunkt in den leitenden Zustand geschaltet werden, wodurch die Gleichspannungsschienen kurzgeschlossen werden, gekennzeichnet durch eine Drossel (29), welche in Reihe zu dem Filterkondensator (22) geschaltet ist, und verhindert, daß die Lastlinien der Transistoren (31 - 36) in denjenigen Bereich der Arbeitsebene eintreten, in welchem mit Durchbrüchen zweiter Art gerechnet werden muß.
11. Durchschlagsschutz für bipolare Transistoren in Spannungswechselrichtern, welcher verhindert, daß fehlerhaft in den leitenden Zustand geschaltete Transistoren infolge des durch sie fließenden Durchschlagstromes einen Durchbruch zweiter Art und damit einen bleibenden Schaden erleiden, wenn der Ausgang des Wechselrichters kurzgeschlossen wird, wobei der Durchschlagsstrom von dem Filterkondensator der auf den Wechselrichter arbeitenden Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, gekennzeichnet durch eine Schutzeinrichtung (29),welche die Lastlinien der fehlerhaft in den leitenden Zustand geschalteten der Transistoren (31 - 36) derart bei Auftreten

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eines ausgangsseitigen Kurzschlusses formt, daß die Lastlinien nicht in denjenigen Bereich der Arbeitsebene gelangen, in welchem Durchbrüche zweiter Art auftreten, so daß eine Zerstörung der Transistoren durch derartige Durchbrüche zweiter Art verhindert ist„
12. Durchschlagsschuts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (29) eine in Reihe zum Filterkondensator (22) geschaltete Drossel aufweist,,

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