CH668518A5 - Inverter. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Inverter der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.

Inverter dieser Art sind bereits bekannt. So zeigt Fig. 1 eine Halbbrückenschaltung eines konventionellen Inverters, in der selbstsperrende Schaltelemente in den Stromzweigen vorgesehen sind. Die Schaltungsanordnung enthält positive und negative Anschlüsse P und N einer Gleichspannungsquelle, Schaltelemente 1U und IX in den Stromzweigen, die als Gate-Abschalt-Thyristoren (gate turn-off thyristors) ausgebildet sind und nachfolgend als GTO-Schaltelemente bezeichnet werden. Die GTO-Schaltelemente empfangen an ihren Gate-Anschlüssen Steuersignale von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) in der Weise, dass sie abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Zwischen den GTO-Schaltelementen 1U und IX sind Induktivitäten 2U und 2X geschaltet. Ausserdem sind Rückführdioden 3U und 3X vorgesehen, die den GTO-Schaltelementen 1U und IX jeweils anti-parallel geschaltet sind. Weiterhin sind Übernahmekreise 4U und 4X vorgesehen, die je aus einem Übernahmekondensator 41U bzw. 41X und einer Übernahmediode 42U bzw. 42X bestehen und den GTO-Schaltelementen 1U und 2X parallel geschaltet sind. Weiterhin ist ein geschlossener Stromkreis vorgesehen, der eine Diode 5, und die Primärwicklung eines Stromtransformators 6 enthält. Die Kathode der Diode 5 ist mit der Anode der Übernahmediode 42U verbunden, während die Anode mit der Kathode der Übernahmediode 42X verbunden ist. Die Primärwicklung des Stromtransformators 6 ist in Serie mit der Diode 5 geschaltet, während an die Sekundärwicklung des Transformators (Anschlüsse 6a und 6b) mit dem Wechselstromanschluss einer Gleichrichterbrücke 7 verbunden ist, die aus Dioden 7a, 7b, 7c und 7d besteht. Der Gleichspan-nungsanschluss der Gleichrichterbrücke 7 ist an die Anschlüsse P und N der Gleichspannungsquelle angeschlossen.

Als nächstes soll die Arbeitsweise dieses konventionellen Inverters in Verbindung mit den Zeitdiagrammen der Fig. 2a und 2b beschrieben werden. In Fig. 2a bezeichnen Tu und Tx die zweiten Einschaltzeiten der GTO-Schaltelemente 1U und IX, Iw den Laststrom einer z.B. induktiven Last, Iu und Ix die Ströme in den GTO-Schaltelementen 1U und IX, lud und Ixd die Ströme in den Rückführdioden 3U und 3X, Vue und Vxc die Spannungen über den Übernahmekondensatoren 41U und 41X und Id den durch die Diode 5 und den Stromtransformator 6 fliessenden Strom. Fig. 2b zeigt die Wellenform der Spannung und des Stromes des Stromtransformators 6 in einem Zeitraum unmittelbar nach dem Abschalten des GTO-Schaltele-mentes 1U, wobei Vct die Spannung über der Primärwicklung des Stromtransformators 6 darstellt.

Zum Zeitpunkt tl, wenn das leitende GTO-Schaltelement 1U abgeschaltet wird, wird der in dem Schaltelement 1U fliessende Strom an den Übernahmekreis 4U umgeleitet und die Aufladung des Übernahmekondensators 41U beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wird die in dem Kondensator 41X des Übernahmekreises 4X gespeicherte Ladung über die Diode 5, den Stromtransformator 6, die Diode 42U, die Induktivität 2U und die Wechselstromausgangsquelle U an die Last (nicht gezeigt) abgegeben. Zum Zeitpunkt t2 ist diese Entladung abgeschlossen und die Rückführdiode 3X wird leitend. Während dieses Zeitraums wird die von der Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 abgegebene Leistung über die Dioden 7a und 7b der Gleichrichterbrücke 7 an die Gleichstromquelle abgegeben und es wird über der Primärwicklung des Stromtransformators 6 eine Spannung erzeugt, die der Spannung der Gleichstromquelle proportional ist.

Die in der Induktivität 2U gespeicherte Energie wird anschliessend über einen Stromkreis an die Gleichstromquelle zurückgeführt, die die Induktivitäten 2U und 2X, die Übernahmediode 42X, die Diode 5, den Stromtransformator 6 und die Übernahmediode 42U einschliesst. Der durch die Induktivität 2U und den Stromtransformator 6 fliessende Strom nimmt dabei ab. Zu dem Zeitpunkt t3, wenn der Kern des Stromtransformators 6 den Punkt der magnetischen Sättigung erreicht, erzeugt der Stromtransformator 6 kurzzeitig eine hohe Spannung entgegengesetzter Polarität, die Spannung zwischen den Anschlüssen 6a und 6b wird durch die leitenden Dioden 7b und 7c jedoch auf den Wert der Gleichspannungsquelle begrenzt. Obwohl diese Umkehrspannung dazu dient, den Strom durch die Übernahmediode 42U, die Induktivitäten 2U und 2X, die Übernahmediode 42X und die Diode 5 zu erhöhen, ist der Spannungsabfall in diesem Stromkreis jedoch gering, so dass der Stromtransformator 6 auf eine Spannung zurückgesetzt wird, die diesem Spannungsabfall entspricht. Der durch die Induktivität 2U und den Stromtransformator 6 fliessende Strom nimmt ebensosehr langsam ab. Zu dem Zeitpunkt t4, an dem die Pola5

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rität des Laststromes sich umkehrt, fliesst der Laststrom vom Anschluss U über die Induktivität 2X und das GTO-Schaltele-ment IX.

In dieser konventionellen Schaltung mit Energie-Übernahmekreisen erfolgt der Rücksetzvorgang des Stromtransformators 6 in Übereinstimmung mit dem Spannungsabfall in den Übernahmedioden 42U und 42X, den Induktivitäten 2U und 2X und der Diode 6, wodurch eine längere Rücksetzzeit benötigt wird. Ist der Rücksetzvorgang vor dem Zeitpunkt tl nicht voll abgeschlossen, so tritt der Zeitpunkt t3, an dem der Stromtransformator 6 in den Sättigungspunkt gelangt, früher auf, wodurch der Wirkungsgrad der Rückübertragung von Energie aus den Übernahmekreisen zur Gleichspannungsquelle verschlechtert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Inverter vorzuschlagen, bei dem die Rückübertragung der gespeicherten Energie aus den Übernahmekreisen zur Gleichspannungsquelle mit einem besseren Wirkungsgrad erfolgt. Hierzu muss das Rücksteilen des Stromtransformators des Rückübertragungskreises schneller erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss ein Inverter mit mindestens einem positiven und einem negativen Stromzweig ausgerüstet, von denen jeder ein selbstsperrendes Schaltelement enthält; mit zwei in Serie mit den positiven und negativen Stromzweigen geschalteten Induktivitäten; mit ersten und zweiten Übernahmekreisen, die aus je einer Serienschaltung eines Übernahmekondensators und einer Übernahmediode bestehen, die den positiven und negativen Stromzweigen jeweils parallel geschaltet sind; mit einem Stromtransformator, der eine Primär- und eine Sekundärwicklung zum Rückführen der in den Übernahmekreisen gespeicherten Energie aufweist; mit einem geschlossenen Stromkreis, der die Primärwicklung des Stromtransformators und ein selbstsperrendes Schaltelement enthält, wobei ein Anschluss des Stromkreises mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator des ersten Übernahmekreises und der andere Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator des zweiten Übernahmekreises verbunden ist; mit einem Gleichrichterkreis zur Übertragung der durch die Sekundärwicklung des Stromtransformators abgeleiteten Energie zurück an eine Gleichspannungsquelle und einer Steuerschaltung, die Steuersignale zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente der Stromzweige erzeugt sowie ein Steuersignal für das Schaltelement in dem geschlossenen Stromkreis, das dieses einschaltet und lange genug im leitenden Zustand hält, um die in den Übernahmekreisen gespeicherte Energie über den Stromtransformator und den Gleichrichterkreis zurück in die Gleichspannungsquelle zu übertragen und anschliessend das Schaltelement in Übereinstimmung mit dem Ein- und Ausschaltvorgang in den Schaltelementen der Stromzweige auszuschalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der wesentlichen Teile eines konventionellen Inverters;

Fig. 2a ein Impulsdiagramm für die verschiedenen Signale, Spannungen und Ströme in der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 2b eine Ausschnittsvergrösserung aus einem Teil der Darstellung nach Fig. 2a;

Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Teile der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a ein Impulsdiagramm, das die verschiedenen Signale, Spannungen und Ströme der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 zeigt;

Fig. 4b einen vergrösserten Ausschnitt aus einem Teil der Darstellung nach Fig. 4a und

Fig. 5 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Halbbrücken-Schaltung wie im Falle der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Die Schaltungsanordnung enthält jedoch ein selbstsperrendes Halbleiter-Schaltelement 10 anstelle der Diode nach Fig. 1. Dieses Halbleiter-Schaltelement 10 ist im vorliegenden Beispiel ein Gate-Abschalt-Thyristor (gate turn-off thyri-stor). Die anderen Schaltungskomponenten sind denen der Fig. 1 gleich und sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung wird nachfolgend in Verbindung mit den Impulsdiagrammen der Fig. 4a und 4b beschrieben. Zum Zeitpunkt tl, wenn das leitende GTO-Schaltelement 1U abgeschaltet wird, wird der durch das GTO-Schaltelement 1U fliessende Strom auf den Übernahmekreis 4U umgeleitet und der Übernahmekondensator 41U beginnt, sich aufzuladen. Zur gleichen Zeit erhält das GTO-Schaltelement 10 ein Einschaltsignal von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) und wird eingeschaltet. Die in dem Übernahmekondensator 41X des Übernahmekreises 4X gespeicherte Ladung wird in den Lastkreis (nicht gezeigt) entladen, und zwar über das GTO-Schaltelement 10, den Stromtransformator 6, die Diode 42U, die Induktivität 2U zum Wechselspannungsan-schluss U. Zum Zeitpunkt t2, wenn die Entladung abgeschlossen ist, werden die Dioden 42X und die Rückführdiode 3X leitend. Der Entladestrom IG, der durch das GTO-Schaltelement fliesst und nachfolgend «Rückführstrom» genannt wird, wird durch die Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 gesammelt und über die Gleichrichterdiodenbrücke 7 in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist. Nach dem Zeitpunkt t2 fliesst der Strom in der Induktivität 2U durch die Induktivität 2U, die Diode 42X, das GTO-Schaltelement 10, den Stromtransformator 6 und die Diode 42U und wird in die Gleichspannungsquelle über die Dioden 7a und 7d an der Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 zurückgespeist. Zum Zeitpunkt t3,

wenn der Rückführstrom Ig auf null fällt, wird der Strom in der Induktivität 2U ebenfalls gleich null und der Laststrom fliesst durch die Diode 3X und die Induktivität 2X. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 erzeugt der Stromtransformator 6 kurzzeitig eine Spannung, die wie bei der bekannten Schaltung nach Fig. 1 auf den Wert der Gleichspannungsquelle begrenzt wird, und anschliessend wird der Stromtransformator 6 auf einen Spannungswert zurückgesetzt, der dem Spannungsabfall über der Übernahmediode 42U, den Induktivitäten 2U und 2X, der Übernahmediode 42X und dem GTO-Schaltelement 10 entspricht. Zum Zeitpunkt t4, wenn das GTO-Schaltelement 10 abgeschaltet wird, ist die Primärwicklung des Stromtransformators 6 im wesentlichen offen und der Erregerstrom für den Stromtransformator 6 wird über die Dioden 7b und 7c an der Sekundärwicklung des Stromtransformators 6 in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt. Dies bedeutet ein Zuführen einer Spannung an die Sekundärwicklung des Stromtransformators 6, deren Wert gleich dem Wert der Gleichspannungsquelle ist, jedoch eine entgegengesetzte Polarität hat. Zum Zeitpunkt t5, wenn der Erregerstrom auf null abfällt, fällt die dem Stromtransformator 6 zugeführte Spannung ebenfalls auf den Wert null.

Auf diese Weise wird der Stromtransformator 6 in kurzer Zeit sicher zurückgestellt, so dass die in dem Übernahmekreis gespeicherte Energie wirksam in die Gleichspannungsquelle zurückgeführt werden kann. Das GTO-Schaltelement 10 hat eine Anoden-Kathoden-Arbeitsspannung, die mit der Primärspannung des Stromtransformators 6 vergleichbar ist. Normalerweise ist das Wicklungsverhältnis des Transformators kleiner als eins. Das GTO-Schaltelement 10 hat eine Abschaltcharakteristik, bei der der Strom auf nahezu null reduziert wird, so dass es mit sehr niedrigen Sperranforderungen gegenüber den GTO-

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Schaltelementen 1U und IX der Stromzweige bemessen werden kann.

Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform GTO-Schalt-elemente 10 in der Form von selbstsperrenden Halbleiterelementen verwendet wird, können auch andere selbstsperrende Halbleiter-Schaltelemente verwendet werden, wie z.B. Transistoren, MOS-FET oder SIT. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung ein Übernahmekreis und eine anti-parallel geschaltete Diode in Verbindung mit dem GTO-Schaltelement 10 nicht erwähnt wurde, kann das GTO-Schaltelement 10 mit solchen Komponenten versehen werden.

Obwohl die Beschreibung der Arbeitsweise in Verbindung mit den Fig. 4a und 4b für eine induktive Last erfolgte, arbeitet der erfindungsgemässe Inverter auch für kapazitive Lasten zufriedenstellend. Wird das GTO-Schaltelement 1U z.B. abgeschaltet, während ein positiver Strom durch die Last über die Diode 3X und die Induktivität 2X fliesst, so wird der Übernahmekondensator 41U geladen und der Übernahmekondensator 41X entladen. Auch in diesem Fall wird die in den Übernahmekreisen gespeicherte Energie über den Stromtransformator 6 in die Gleichspannungsquelle zurückübertragen. Das Einschalten des GTO-Schaltelementes 10 erfolgt in diesem Fall zur gleichen Zeit wie das Abschalten des GTO-Schaltelementes 1U.

Wegen dieses schnellen Rückstellverhaltens des Stromtransformators 6 kann die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung vorteilhafterweise auf einen Inverter angewendet werden, der mit Hochfrequenz-Impulsbreiten-Modulation (PWM) arbeitet.

Obwohl in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die Rückführdioden 3U und 3X parallel zu den GTO-Schaltelemen-ten 1U und IX geschaltlet sind, und zwar in entgegengesetzter

Polarität, so kann der gleiche Effekt auch durch eine modifizierte Schaltungsanordnung nach Fig. 5 erzielt werden. Bei dieser Schaltung ist die Diode 3U parallel zu einer Serienschaltung gelegt, die aus dem GTO-Schaltelement 1U und den Induktivi-5 täten 2U und 2X besteht, während die Diode 3X parallel zu einer Serienschaltung gelegt ist, die aus dem GTO-Schaltelement IX und den Induktivitäten 2U und 2X besteht.

Obwohl eine Schaltungsanordnung und der Betrieb einer Halbbrücken-Schaltung beschrieben wurde, können die gleichen io Wirkungen auch bei einem Mehrphasen-Inverter erzielt werden, der aus der Parallelschaltung einer Mehrzahl von Halbbrücken-Schaltungen besteht.

Auch wenn die Benutzung von GTO-Schaltelementen als selbstsperrende Schaltelemente beschrieben wurde, so können 15 auch andere Schaltelemente mit Selbstsperrverhalten benutzt werden, wie z.B. Transistoren, SIT und SITH.

Auch ist es möglich, die in den Übernahmekreisen gespeicherte und durch den Rückführ-Stromtransformator rückgewonnene Energie einer getrennten Betriebsspannungsquelle zu-20 zuführen.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung enthält also ein selbstsperrendes Halbleiter-Schaltelement 10, das an der Primärwicklung des Stromtransformators 6 angeschlossen ist, 25 so dass der Rücksetzvorgang für den Stromtransformator 6 durch die Sekundärwicklung dieses Transformators durchgeführt wird, wobei der Stromtransformator 6 in einer kurzen Zeit sicher zurückgesetzt werden kann. Der Stromtransformator 6 kann also sehr klein ausgebildet sein, so dass die Schalt-30 frequenz des Inverters erhöht werden kann.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (5)

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1. Inverter mit mindestens einem positiven und einem negativen Stromzweig, von denen jeder ein selbstsperrendes Schaltelement enthält;

mit zwei in Serie mit den positiven und negativen Stromzweigen geschalteten Induktivitäten;

mit ersten und zweiten Übernahmekreisen, die je aus einer Serienschaltung eines Übernahmekondensators und einer Übernahmediode bestehen, die den positiven und negativen Stromzweigen jeweils parallel geschaltet sind;

mit einem Stromtransformator, der eine Primär- und eine Sekundärwicklung zum Rückführen der in den Übernahmekreisen gespeicherten Energie aufweist;

mit einem geschlossenen Stromkreis, der die Primärwicklung des Stromtransformators und ein Schaltelement enthält, wobei ein Anschluss des Stromkreises mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator des ersten Übernahmekreises und der andere Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator des zweiten Übernahmekreises verbunden ist;

mit einem Gleichrichterkreis zur Übertragung der durch die Sekundärwicklung des Stromtransformators abgeleiteten elektrischen Energie zurück an eine Gleichspannungsquelle einer Steuerschaltung, die Steuersignale zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente der Stromzweige erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung ein Steuersignal für das Schaltelement (10) in dem geschlossenen Stromkreis erzeugt, dass dieses einschaltet und lange genug im leitenden Zustand hält, um die in den Übernahmekreisen (4U, 4X) gespeicherte Energie über den Stromtransformator (6) und den Gleichrichterkreis (7) zurück in die Gleichspannungsquelle (P, N) zu übertragen und anschliessend das Schaltelement (10) in Übereinstimmung mit dem Ein- und Ausschaltvorgang in den Schaltelementen (1U, IX) der Stromzweige auszuschalten.

2. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuerte Schaltelement (10) in dem geschlossenen Stromkreis ein Gate-Abschalt-Thyristor (GTO) ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuerte Schaltelement (10) in dem geschlossenen Stromkreis ein Transistor, MOS-FET oder SIT ist.

4. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Stromzweige (1U, IX) eine Diode (3U, 3X) anti-par-allel geschaltet ist (Fig. 3).

5. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienschaltung des einen Stromzweiges (1U) mit den Induktivitäten (2U, 2X) und der Serienschaltung des anderen Stromzweiges (IX) mit den Induktivitäten (2U, 2X) jeweils eine Diode (3X, 3U) anti-parallel geschaltet ist (Fig. 5).