DE2927837C2

DE2927837C2 - Transistorwechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2927837C2
Application number: DE2927837A
Authority: DE
Inventors: Peter 7750 Konstanz Kreutzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-10
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE2927837A1; EP0023263A1; EP0023263B1; ATE2246T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorwechselrichterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die bisher zumeist verwendete Schaltung für statische Wechselrichter, gespeist aus einer Niedervoltbatterie, ist die sog. Gegentaktschaltung von Transistoren in Verbindung mit einem Transformator. Für höhere Speisespannungen, z. B. oberhalb 150 Volt wird vielfach die Brücken- oder die Halbbrückenschaltung zur Anwendung gebracht. Die Aussteuerung der Transistoren erfolgt bekannterweise mit Hilfe einer Steuerwicklung, welche üblicherweise eine Wechselspannung von etwa 2 bis 4 Volt 'iefert. Mit Hilfe eines Widerstandes im Basiskreis wird dabei die Größe der Aussteuerung des Transistors entsprechend dem Laststrom bestimmt.

Die Verluste in den Transistoren setzen sich bekanntlich aus den Spannungsverlusten an der Kollektor-Emitter-Strecke und aus den Umschaltverlusten zusammen, während die Steuerverluste verhältnismäßig klein sind. Besonders kritisch werden die Umschaltverluste, wenn die Spannungsform der erzeugten Wechselspannung nicht rechteckig oder die Betriebsfrequenz hoch liegt, z. B. höher als 500 Hz. Auch die Leistung, weiche über den Wechselrichter geführt wird, beeinflußt in starkem Maßf die Verluste und somit die Erwärmung der Transistoren.

Bekanntlich ist die ideale Spannungsform zur Aussteuerung von Transistoren die Rechteckform, wodurch die periodische Umschaltung am schnellsten und praktisch verlustlos vollzogen wird.

Beim Betrieb mit einer nicht rechteckförmigen Steuerspannung werden die Umschaltverluste, insbesondere mit zunehmender Frequenz, unzulässig hoch, wodurch neben einem schlechten elektrischen Wirkungsgrad eine starke Erwärmung der Transistoren eintritt, was zu schwierigen Kühlproplemen der Bauteile führt und gleichzeitig die Betriebssicherheit gefährde!. In der Praxis hilft man sich vielfach durch eine Übermessung der Bauteile, was entsprechend teuer ist.

Aus der DE-OS 22 45 073 ist ein Wechselrichter bekannt, bei dem die Basissteuerung der Transistoren von Schwankungen der Speisegleichspannung unabhängig sein soll. Zu diesem Zweck enthält jeder Transistor zwei parallele Steuerkreise, von denen jeweils einer die Reihenschaltung einer Steuerwicklung mit einem Kondensator aufweist. Der Kondensator ist über eine Diode an eine im Gleichstromkreis liegende Drossel angeschlossen, die mit ihrem Spannungsabfall als Ladestromquelle dient. Hierdurch soll durch den bei steigender Batteriespannung kleiner werdenden Spannungsabfall an der Drossel eine entsprechend geringere Aussteuerung der Transistoren erreicht werden. Eine solche Regelung setzt voraus, daß die Transistoren nicht

im Sättigungsbetrieb arbeiten, sondern einen Arbeitspunkt im normalen Betriebsbereich der Kennlinie besitzen. Wegen der hierbei auftretenden Verluste in den Transistoren ist eine solche Schaltung nur für kleine Leistungen einsetzbar.

Aus der DE-AS 20 18 152 ist ein Wechselrichter bekannt, bei dem die im Gegentaktbetrieb arbeitenden Transistoren, denen jeweils eine gesonderte Steuerwicklung zugeordnet ist, \iinen diese Steuerwicklung in Reihe mit einem Kondensator aufweisenden Steuerkreis besitzen. Der Kondensator wird hierbei auf eine für den zugehörigen Transistor in Sperrichtung gepolte Spannung aufgeladen. Dem Kondensator parallel geschaltet ist die Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode, sadaß sich der Kondensator nur auf eine im wesentlichen der Durchlaßspannung der Diode entsprechende Spannung aufladen kann. Hierdurch kann eine Verringerung der Schaltverluste der Transisioren nicht erzielt werden.

Die DE-OS 23 11 833 offenbart eine als Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Konstantstromquelle, die für elektrostatische Anwendungen bei einer Ausgangsspannung von 4 bis 6 SkV einen konstanten Ausgangsstrom in der Größenordnung von 100 bis 400 μΑ liefern soll. Es handelt sich um eine Gegentaktwechselrichterschaltung mit einem Lasttransformator, dessen Prämärwicklung eine Mittelanzapfung aufweist, die direkt mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Je eine der Endanschlüsse der Primärwicklung ist mit dem Kollek tor eines von zwei Transistoren verbunden, deren Emitter zusammengeschlossen und über einen Emitterwiderstand mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die beiden Endanschlüsse einer Steuerwicklung sind mit den Basen der beiden Transistoren verbunden. Eine Mittelanzapfung dieser Steuerwicklung ist mit einem Anschluß eines Kondensators verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitterwiderstand und der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der Aufladekre'S für den Kondensator enthält eine an die Gleichspannungsquelle angeschlossene Z-Diodenschaltung mit nachfolgendem Spannungsteiler. Aufgrund der gegenkoppelnden Wirkung des Emitterwiderstandes ergibt sich der nahezu konstante Ausgangsstrom als as Funktion der diesem Emitterwiderstand von der an dem Kondensetor anliegenden Spannung und der Steuerwechselspannung eingeprägten Spannung. Diese regelnde Funktion setzt voraus, daß die Basis-Emitterspannung beider Transistoren stets unterhalb der Sättigungssparinung c'eibt. Das heißt die beiden Transistoren der Gegentaktschaltung werden in ihrem normalen Arbeitsbereich ausgesteuert. Dies ist in Anbetracht der auftretenden geringen Ströme ohne weiteres möglich. Bei höheren Strömen müssen jedoch η die Transistoren eines Transistorwechselrichters als Schalter betrieben werden, die möglichst schnell zwischen ihrem Sperrzustand und ihrem Sättigungszustand hin- und hergeschaltet werden. Die Klemmenspannung des Kondensators als Steuergleichspannung dient bei der Entgegenhaltung nicht dazu, einen Schällvörgäng der Transistoren zu beschleunigen, sondern dazu, deren Arbeilspunkt und damit die Höhe des Ausgangsstroms vorzugeben. Die Tatsache, daß beim Stand der Technik die Sleuergleichspannung aus der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle gewonnen wird, bedingt Verluste, insbesondere an den Widerständen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Transistorwechselrichterschaltung zu schaffen, die auch für höhere Leistungen geeignet ist und bei möglichst sinusförmiger Ausgangsspannung geringe Verluste aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch I gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Drossel bildet mit dem Stromwendekondensator und der Primärwicklung des Transformators einen Resonanzkreis der bewirkt, daß die Spannung an der Primärwicklung des Transformators periodisch auf Null geht. In diesem Moment ist auch die Steuerwechselspannung Mull, so daß kurzzeitig beide Transistoren von der Steuergleichspannung durchgesteuert werden können. Da die Spannung an der Primärwicklung Null ist, ist das gleichzeitige ■ Durchsteuern beider Transistoren in diesem Moment völlig unkritisch.

Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Transistorwechselrichter in Form einer Gegentaktschaltung,

F i g. 2 den Verlauf des Basisstn -. «es eines der beiden Transistoren,

F i g. 3 den Verlauf des Basisstromes beider Transistoren; und

F i g. 4 einen Transistorwechselrichter in Form einer Halbb.^rückenschaltung.

Die in Fig.) dargestellte Transistorwechselrichterschaltung die als Gegentaktschaltung aufgebaut ist, wird anhand ihrer Wirkungsweise erläutert.

Beim Einschalten einer Gleichspapnungsquelle 1 fließt ein Strom von wenigen mA über einen Anschwingwiderstand 3 zur Basis eines Transistors 4 und über die Wicklungsteile b und c einer Transformator-Steuerwicklung 6 zur Basis eines Transistors 5. Der Wechselrichter beginnt hierbei infolge der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Transistoren zu schwingen. Die Wicklungsteile a, b bzw. c, d der Steuerwicklung 6 liefern sofort über Dioden 7 und 8 einen Gleichstrom an einen Kondensator 9 und laden diesen auf (Aufladekreis). Mit Hilfe dieser Gleichstromquelle bestimmter Polarität werden die beiden Transistoren abwechselnd durchgesteuert, wobei die Wechselspannung der Steuerwicklung 6 zusätzlich einen Aussteuerstrom für die Transistoren liefert. Der Steuerstrom setzt sich somit zusammen aus der Überlagerung des Kondensatorglcichstromes und des Stromes, welcher aus der Steuerwicklung 6 z. B. in Sinusform geliefert wird. Mit Hilfe eines Widerstandes to wird die Größe des Basisstromes eingestellt. Gleichzeitig fließt der Laststrom über eine Drossel 2, die mit der Mitte der Primiirwicklung 1 la des Transformators 11 verbunden ist, abwechselnd über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 4 unJ 5. Ein Stromwendekondensator 12 „nd die Drossel 2 bilden einen Resonanzkreis, so daß bei geeigneter Abstimmung mit der Wechselricbterfrequenz in bekannter Weise die Spannujigsform des Transformators 11 sinusförmig wird. Normalerweise ergibt sich hierdurch bei den bekannten Schaltungen auch ein sinusförmiger Steuerstrom für die Transistoren, wodurch die Umschaltung der Transistoren im Schaltmomtent verlangsamt wird. Der Kondensator 13 sorgt dafür, daß der gewellte Strom füi die Gleichspannungsquelle 1 geglättet wird.

Der große Vorteil des gefundenen Schaltungsprinzips besteht vor allem darin, daß der durch den Kondensator 9 gelieferte Steuerstromanteil ein Rechteck bildet und somit unabhängig von der Form der Wechselspannung

ist. Überlagert wird diesem Steuergleichstromanteil während der jeweiligen Halbperiode ein von der Steuerwicklung 6 gelieferter Steuerstrom. Der aufgeladene Kondensator 9 liefert den Strom solange in konstanter Größe, bis der Polwcchsel der Spannung einsetzt. Die Wechselspannung der Steuerwicklung 6 kann diesen Kondensatorentladestrom nicht unterbrechen, sondern jeweils nur während des Polaritätswechsels umleiten, wodurch der ideale Rechteckstrom mit überlagertem Sinusstrom für die Basisaussteuerung entsteht.

Die beschriebene Schaltung bezieht sich auf die Verwendung von npn-Transistoren. Bei einer Anordnung mit pnp-Transistoren muß die Steuerglcichspannung umgekehrte Polarität aufweisen.

Einen besonders großen Gewinn bringt die erfindungsgemäße Schaltung bei einem Wechselrichter, bei dem der Transformator als Streufeldtransformator ausgebildet ist und die Frequenz mit etwa 20KHz schwingt, wobei afc Lasi i5 eine LeucniMuuiampc gespeist wird. Dabei dient der Stromwendekondensator 12 der Blindstromkompensation und zudem als Schwingkondensator mit der Drossel, wodurch ein Inversstrom von den Transistoren ferngehalten werden kann. Die Transistoren arbeiten bei diesem Betrieb im Schaltmoment mit der steilen Stromflanke eines Rechteckstroms und damit praktisch verlustfrei, wodurch ein hoher elektrischer Wirkungsgrad erzielt wird, was z. B. bei der Fahrzeugbeleuchtung und in Notstromeinrichtungen in Verbindung mit aus einer Batterie gespeisten Leuchtstofflampen von großer Bedeutung ist.

Fig. 2 stellt in Abhängigkeit von der Zeit den Basisstrom eines der beiden Transistoren dar. Man sieht hierbei deutlich, daß die sinusförmige Stromkuppe einem Rechteckstrom überlagert ist.

Fig.3 stellt den am Widerstand 10 gemessenen Basisstromverlauf für die beiden Transistoren dar. Man kann erkennen, daß der Gleichstrom aus dem Kondensator 9 keine Unterbrechung erfährt und die Umschaltung bzw. die Umleitung des Steuerstromes nahe dem Nulldurchgang der Wechselspannungskurve bzw. der Wechselstromkurve der Steuerwicklung 6 erfolgt.

F i g. 4 zeigt als ein weiteres Schaltungsbeispiel eine Transistorwechselrichterschaltung in Form einer Halbbrückenschaltung, wobei die Teile, die mit Fig. 1 übereinstimmen nicht nochmals erläutert sind. Die grundsätzliche Wirkungsweise einer Halbbrückenschaltung im Gegensatz zu einer Gegentaktschaltung darf als bekannt unterstellt werden. Beispielsweise ist sie in der Zeitschrift Bauteile-Report 14, 1976, Heft 2, Seiten 63 bis 66. beschrieben.

Im vorliegenden Fall weist der Transformator 111 der die Primärwicklung lila enthält und die Last 151 speist, ferner zwei Steuerwicklungen 61 und 62 auf, durch die die Transistoren 41 und 51 ausgesteuert werden. Im vorliegenden Fall enthält jede Steuerwicklung zwei Abgriffe und ist somit in Wicklungsteile a'. b' und c'

ίο unterteilt. Jeder Steuerkreis enthält in Reihe zu dem Teil b' der Steuerwicklung einen Kondensator 91 bzw. 92 und einen die Größe des Basisstromes des betreffenden Transistors 41 bzw. 51 bestimmenden Widerstand 101 b/w. 102. Zur Aufladung der Kondensatoren 91 bzw. 92

Ii sind Aufladekreise vorgesehen, die in Reihe zum Kondensator die Teile ,·»' und b' der jeweiligen Steuerwicklung sowie eine Diode 71 bzw. 72 enthalten. Die Teile β'und 6'der Steuerwicklung sind so gewählt, daß die gewünschte Gleichspannung am Kondensator

t2 rTÄicli WiTu DtC ϊ^ιΓϊίαΠΐ

/Π Ol ύ/.w.

72 muß so sein, daß die den Transistor aufsteuernde Halbwelle der am Wicklungsteil b' abgegriffenen Steuerwechselspannung unterstützt wird. d. h. im vorliegenden Fall muß der Kondensator 91 bzw. 92 so 2i aufgeladen werden, daß sein Pluspol am Wicklungsabgriff liegt. Bei pnp-Transistorcn ist die Polarität umgekehrt.

Während bei dem Beispiel nach Fig. I der Steuergleich!;,<am beim Umschalten vom Transistor 4 auf den jo Transistor 5 sofort über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5 weiterfließen kann, ist dies bei der Schaltung nach Fig. 4 nicht möglich. Es muß deshalb hier ein gesonderter Steuerstronvableitkreis vorgesehen werden, der solange der zugehörige Transistor gesperrt j5 ist, den diesem Transistor zugeordneten Steuerstrom ableitet. Im vorliegenden Fall enthält der Steuerstromableitkreis für den Kondensator 91 den Teil c' der Steuerwicklung 61, die Diode 41 als Diodenstrecke und den Widerstand 101. Die Diode 141 weist bezüglich des Kondensators 91 die entgegengesetzte Polarität auf wie die Diode 71 des Aufladekreises. Zur Ableitung des Steuerstroms des Kondensators 92 während des gesperrten Zustandes des Transistors 51 ist die Diode 142 vorgesehen.

Bei den vorausstehend erläuternden Beispielen der Erfindung ist die Steuerwicklung als Teil des, der die jeweiligen Last speisenden,Transformators vorgesehen. Stattdessen kann die Steuerwicklung auch Teil eines zum Transformator parallel geschalteten Steuertransso formator sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorwechselrichterschaltung, umfassend einen Transformator (i 1; 1 H) mit einer Primärwicklung (Ha; HIaJl die in Reihenschaltung mit der ä Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors (4,5; 51) an eine Gleichspannungsquelle (1) anschließbar ist, mit einer Sekundärwicklung, an die eine Last (15, 151) anschließbar ist, und mit einer Steuerwicklung (6; 62), die mit einem Anschluß an die Basis des iu Transistors (4,5; 51) angeschlossen ist, die mit einem anderen Anschluß über eine Diodenstrecke (Basis-Emitterstrecke von 5 bzw. 4; Diode 142) an den Emitter des Transistors (4, 5; 51) angeschlossen ist, und die zwischen beiden Anschlüssen eine Anzapfung aufweist, welche mit einem Anschluß eines Kondensators (9, 92) verbunden ist, dessen anderer Anschluß über einen Widerstand (10; 102) an den Emitter des Transistors (4, 5; 51) angeschlossen ist, umfassend ferner einen Stromwendekondensator (12), der Teil eines die Frequenz der WechselrichterschaküP.g bestimmenden Schwingkreises ist. und einen Aufladekreis mit einer Diode (7, 8; 72) zur Aufladung des Kondensators (9; 92) auf eine für den Transistor in Durchlaßrichtung gepolte Steuergleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Transformators (11, 111) über eine Drossel (2), die ebenfalls Teil des die Frequenz der Wechselrichterschaltung bestimmenden Schwingkreises ist, ar. die Gleichspannungsquel-Ie (1) anschaltbar ist, daß der Aufladekreis ein von der als Gleichrichter dienenden Diode (7,8; 72), dem Kondensator (9; 92) und wenigstens einem Teil (a. b/c. d; a', b') der S.euerwi-klung (6; 62) gebildeter geschlossener Stromkreis ist und daß der mit dem Emitter des Transistors (· , 5; 51) verbundene Widerstand (10, 102) nur Teil des Basisstromkreises des Transistors ist (F i g. I; F i g. 4).

2. Transistorwechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Gegentaktschaltung handelt, bei der die Primärwicklung (llajdes Transformators (11) einen an einen Pol der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossenen Mittelabgriff aufweist und die beiden Enden der Primärwicklung abwechselnd über einen ersten und einen zweiten Transistor (4, 5) an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle (1) anschaltbar sind, und daß die den anderen Anschluß der Steuerwicklung (6) mit dem Emitter des Transistors (4) verbindende Diodenstrecke die Basis-Emitterstrecke des zweiten Transistors (5,4) ist (F i g. 1).

3. Transistorwechselrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (9) zwei Aufladekreise zugeordnet sind, die jeweils den Kondensator (9), eine jeweilige Diode (7, 8) und einen jeweiligen Teil (a, b/c. d) der Steuerwicklung (6) umfassen (Fig. 1).

4. Transistorwechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Halbbrückenschaltung handelt, bei der die fto Primärwicklung des Transformators (Hl) abwechselnd über einen ersten Transistor (51), die Drossel (2) und den Stromwendekondensator (12) an die Gleichspannungsquelle (1) anschaltbar bzw. durch einen zweiten Transistor (41) und den Stromwende· M kondensator (12). überbrückbar ist. wobei dem zweiten Transistor (41) ein gesonderter Steuerkreis mit einer gesonderten Steuerwicklung (61), einem gesonderten Kondensator (91) als Steuergleichspannungsquelle und einem gesonderten Aufladekreis (a', b', 71) für diesen zugeordnet ist (F i g, 4),

5. Transistorwechselrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Basis des ersten bzw. des zweiten Transistors (4, 5; 51, 41) verbundene Anschluß der Steuerwicklung (6; 62, 61) ein Abgriff der Steuerwicklung ist, und daß die ,Diode (7, 8; 72, 71) mit dem diesem Abgriff nächstgelefcenen Ende der Steuerwicklung verbunden ist (F i g. 1; F i g. 4).