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Titel der Erfindung
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Schaltungsanordnung für ein halbgesteuertes elektronisches Zweigpaar
Anwendungsgebiet der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zur
Kommutierung induktivitätsbehafteter (stromeinprägender) Ströme vorgesehen. Die
Kommutierung kann bei einer vorgebbaren PulsSrequenz an zwei verschiedene Potentiale
mit dem Ziel, Strom- und Spannungsverlauf zu steuern, erfolgen. Die erfindungsgemäßen
halbgesteuerten elektronischen Zweigpaare sind vorzugsweise in Gleichstrompulsstellern,
Zwischenkreisumrichtern, aber auch in Direktumrichtern, einsetzbar.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Im Schalterbetrieb
arbeitende selbstausschaltende Halbleiterzellen, wie z.B. bipolare Transistoren,
Unipolartransistoren und G20-hyrietoren, welche auch als Einwegschalter bezeichnet
werden, da ihr Hauptstromfluß betriebsmäßig auf eine Richtung beschränkt ist, sind
soweit wie möglich von dynamischen Verlusten zu entlasten, damit die relativ empfindlichen
und in ihrer Herstellung teuren selbstausschal-
tenden Halbleiterzellen
maximal durch den Laststrom (verbunden mit statischen Verlusten) ausgelastet werden
können.
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Solche nicht ideal schaltenden Einwegschalter, denen zum Abfließen
des beim Ausschalten des Einwegschalters durch den induktiven Lastanteil induzierten
Stromes ein Freilaufventil antiparallelgeschaltet ist, sind von den prinzipbedingten
Verlustenergien zu entlasten, die während des Umschaltvorganges, in der Zeitspanne
bis das Freilaufventil den Strom Ubernehmen kann, dadurch entstehen, daß der Strom
auf Grund stets vorhandener parasitärer Serieninduktivitäten bei Abschaltung des
Einwegschalters durch diesen nicht schlagartig, sondern in einer endlichen Zeitspanne
zurEckgeht, die Spannung zwischen den Hauptelektroden aber schnell ansteigt. Dazu
sind Entlastungsnetzwerke bekannt, die über den Einwegschalter angeordnet werden
und die ab einer bestimmten Spannungaerhöhung den Ausgangsstrom übernehmen. Solche
als RO-Glieder, RCD-Glieder oder als LD-RCD-Glieder allgemein bekannten Entlastungenetzwerke
haben aber den Nachteils daß sie die zugeführte Energie wieder in ohmsche Verluste
umsetzen. Bei hoher Umschalthäufigkeit des Einwegschalters treten damit hohe Belastungen
für den ohmschen Widerstand auf. Generell verursachen diese Entlastungsschaltungen
bis auf wenige Ausnahmen (in Schaltnetzteilen) eine Wirkungsgradverschlechterung
für den Stromrichter.
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Es sind auch bereits Lösungen bekannt geworden, die Abschaltentlastungsnetzwerke
beinhalten, welche ohne prinzipbedingte Verluste arbeiten (DE-PS 26 39 589).
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Diese verlustfreien Entlastungsschaltungen erfordern einen erheblichen
Aufwand an Bauelementen und fUhren zur Einschränkung der Anwendungsmöglichkeiten
(Pulsfrequenz, Sicherheitszeiten, aktiver Schutz) sowie
zur geringeren
Auslastung der Halbleiter durch die Lastströme, wegen zusätzlicher Umschwingströme
aus der Entlastungsschaltung. Außerdem verschlechtern diese Entlastungsschaltungen,
da sie größtenteils eine Vielzahl elektronischer Bauelemente enthalten, die Gesamtzuverlässigkeit
des Stromrichters erheblich.
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Die bekannten Beschaltungsnetzwerke haben weitere Nachteile, wenn
zwei aus einer Reihenschaltung von Einwegschalter und Preilaufdiode bestehende Zweigpaare
zu einer Antiparallelschaltung zusainmengefugt werden, um z.B. Wechaelrichterschaltunzen
aufzubauen.
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Aus diesem Grunde wurde in der DE-OS 31 20 469 ein aus Einwegschalter
und Breilaufventil bestehendes zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle liegendes
Zweigpaar vorgeschlagen, das eine Einschaltentlaatungadrossel, einen Abschaltentlastungskondensator
und einen unipolar betriebenen Speicherkondensator als dritten Energiespeicher,
der die Energie der beiden anderen Blindelemente zeitweise zwischenspeichert, enthält.
Neben einem zweiten Preilaufventil werden pro Zweigpaar zusätzlich noch eine Abschaltentlastungsdiode
und eine Sperrdiode benötigt. Bei einer Antiparallelschaltung zweier solcher Zweigpaare,
wovon eine für einen positiven Laststrom und eine für einen negativen Laststrom
ausgelegt sein muß, besteht die Möglichkeit, den Laststrom in beiden Richtungen
zu führen. Allerdings müssen dazu die Zweigpaare mittels Dioden und/ oder Induktivitäten
noch entkoppelt werden.
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Eine solche Antiparallelschaltung von Zweigpaaren kann zwar noch vereinfacht
werden, wie es in der DE-OS 32 15 589 vorgeschlagen wird, aber auch wenn einzelne
Bauelemente für beide Zweigpaare gemeinsam genutzt werden, ist der Aufwand immer
noch erheblich.
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Es ist ferner zu berticksichtigen, daß die bisher be-
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Entlastungsschaltungen mit der Erschließung neuer Strom- und Spannungsbereiche (bis
250 A und 1000 V) für selbstausschaltende Halbleiterzellen immer aufwendiger und
verlustbehafteter werden, da die dynamischen Verluste proportional mit Strom und
Spannung steigen. Der Einsatz sowohl verlustbehafteter als auch verlustfreier Entlastungsschaltungen
läßt in diesem Strombereich keine technisch-ökonomisch sinnvollen Lösungen mehr
zu.
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Ziel der Erfindung Die Erfindung hat das Ziel, eine Schaltungsanordnung
für im Schalterbetrieb auf der Grundlage selbstausschaltender Halbleiterzellen arbeitende
halbgesteuerte elektronische Zweigpaare zu schaffen, die auch bei härtesten Belastungsbedingungen,
wie sie z.B. in der Antriebstechnik zu finden sind, mit geringem Beschaltungsaufwand
bzw. beschaltangafreiem Aufbau eine wirkungsgradoptimale Kommutierung induktivitätsbehafteter
(atromeinprägender) Ströme ermöglichen.
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Darlegung des Wesen der Erfindung Die technische Aufgabe, die durch
die Erfindung gelöst wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die während des Umachaltvorganges der
selbstausschaltenden Halbleiterzelle eines halbgesteuerten elektronischen Zweigpaares
entstehenden Energien, die bislang in verlustbehafteten bzw. verlustireien Entlastungsschaltungen
abgeführt wurden, auf ein solches halbleiter- und gerätetechnologisches Niveau herabzusetzen,
daß die Entlastungsschaltungen minimiert bzw. ganz weggelassen werden
können
und damit auch universell einsetzbare modulartige selbstausschaltende leistungselektronische
Halbleiterbauelemente-Kuhlkbrper-Anordnungen realisierbar werden, deren interne
Überspannungen an den Halbletterzellen unabhängig von den Belastungsbedingungen
klein bleiben, und die durch die Ansteuerschaltung aktiv vor Uberströmen geschlitzt
werden.
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Merkmale der Erfindung Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß zur Abblockung der prinzipbedingten und/oder parasitären Induktivitäten aus
dem Gleichspannungskreis, in dem das Zweigpaar liegt, der Reihenschaltung aus Einwegschalter
und Preilaufventil ein Kondensator parallelgeschaltet ist, und daß die Parallelschaltung
induktivitätsarm erfolgt, indem die Anschlüsse des Kondensators direkt an die Elektroden
der Elemente der Reihenschaltung geführt sind, die mit der Gleichspannungsquelle
in Verbindung stehen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Verringerung
von Überspannungen am Einwegschalter beim Ausschalten des Einwegschalters dem Freilaufventil
eine einschaltsclmelle Diode direkt parallelgeschaltet.
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Eine noch günstigere Punktionsweise ergibt sich, wenn zur Verringerung
von Überspannungen am Einwegschalter beim Ausschalten des Einwegechalters dem Preilaufventil
die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors so parallelgeschaltet wird, daß
der Kollektor des Transistors mit der Katode des Freilaufventils und der Emitter
des Transistors mit der Anode des Freilaufventils verbunden ist.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann als ein- und
ausschaltbarer elektronischer Einwegschal ter ein bipolarer Transistor, ein Unipolartransistor,
aber auch ein GTO-Thyristor eingesetzt werden.
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Bei einer Parallelschaltung eines positiven Ausgangsstrom führenden
Zweigpaares mit einem negativen Ausgangsstrom führenden Zweigpaar kann der Parallelkondensator
beiden Zweigpaaren gemeinsam zugeordnet sein.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausfürungsbei
spielen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1: ein erfindungsgemäßes
halbgesteuertes Zweigpaar für positiven Ausgangs strom; Fig. 2s ein erfindungsgemäßes
halbgesteuertes Zweigpaar für negativen Ausgangsstrom; Fig. 3: den Strom-Spannungs-Zeitverlauf
an einem halbgesteuerten Zweigpaar mit Parallelkondensator unter Berücksichtigung
parasitärer Leitungsinduktivitäten; Fig. 4: einen Gleichstrompulssteller mit einem
erfindungsgemäßen Zweigpaar; Fig. 5: einen Zwischenkreisumrichter mit erSindungsgemäßen
Zweigpaaren; Fig. 6: induktivitätsarme Bauelemente-KUhlkdrperanordnungen des erfindungsgemäßen
Zweigpaares für positiven Ausgangs strom.
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Die Erfindung geht davon aus, daß die parasitären (in den Schaltungen
meist nicht eingezeichneten) Beitungsinduktivitäten aus dem Gleichgpannungskreis,
in dem ein solches Zweigpaar liegt, soweit reduziert werden müssen, daß die dynamischen
Verluste auf ein solches Maß absinken, daß Entlastungsschaltungen weggelassen bzw.
minimiert werden können. Dabei ist zu beachten,
daß schon auf Jedem
Stück Leitung, auf dem die Ströme bei den derzeit erreichten Stromänderungsgeschwindigkeiten
(im tis-Bereich) ein- und ausgeschaltet werden, während des Kommutierungsvorganges
interne Überspannungen entstehen.
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Fig. 1 zeigt ein aus der Reihenschaltung eines ein-und ausschaltbaren
Einwegschalters T und eines ungesteuerten Freilaufventils D1 bestehendes Zweigpaar
ZP+. Als Einwegschalter T ist eine selbstausschaltende Halbleiterzelle, im Ausfiihrungsbeispiel
ein Bipolartransistor, vorgesehen. Es ist aber auch möglich, dafür einen Unipolartransistor
oder einen abschaltbaren GTO-Thyristor einzusetzen. Das Freilaufventil Dl ist eine
nichtselbstausschaltende Halbleiterzelle, beispielsweise eine Diode, die in ihrem
Schaltzustand "leitend" oder "sperrend" vom Einwegschalter T geführt wird. In der
dargestellten Polung ist dieses Zweigpaar bei eingeschaltetem Einwegschalter T geeignet,
positiven Ausgangsstrom (ia> O) am Lastanschlußpunkt L zu führen.
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Erfindungsgemäß ist der Reihenanordnung von Einsegschalter T und Freilaufventil
Dl ein Kondensator Cp parallelgeschaltet, dessen Anschlüsse direkt an den Elektroden
E1, E2 des Zweigpaares ZP+ angeordnet sind.
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Dadurch werden die parasitären Leitungsinduktivitäten (L6 in Fig.
4 und 5) des Gleichspannungskreises, an dem das Zweigpaar ZP+ liegt, überbrückt
bzw. abgeblockt.
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Die grundsätzlich gleiche Funktionsweise eines Zweigpaares ergibt
sich, wenn die Polarität der Gleichspannungsquelle Ud, die Polarität des Einwegschalters
X und die Polarität des Freilaufventils D1 vertauscht werden. Damit entsteht ein
Zweigpaar ZP-, das geeignet ist, negativen Ausgangsstrom (ia < 0) zu führen (Fig.
2). In einer Paralleischaltung eignen sich die beiden positiven bzw. negativen Ausgangs-
strom
führenden Zweigpaare ZP+, ZP- zur Steuerung eines Wechselstromes (ia a °) Bei einer
solchen Parallelschaltung eines positiven Ausgangsstrom führenden Zweigpaares ZP+
mit einem negativen Ausgangs strom führenden Zweigpaar ZP- kann beiden Zweigpaaren
ZP+, ZP- ein Parallelkondensator Cp gemeinsam zugeordnet sein.
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Der Kondensator Cp ist so eingesetzt, daß bei den Umschaltungen (Kommutierungen)
des Laststromes vom Einwegachalter T auf das Freilaufventil D1 und umgekehrt die
induktiven Komponenten des Eingangsstromes id bzw.
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des Ausgangsstromes ia über den Kondensator Cp fließen.
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Bei der Kommutierung des Stromes in einem solchen Zweigpaar ZP ergeben
sich unter Berücksichtigung der parasitären Beitungsinduktivitäten die in den Diagrammen
der Fig. 3 aufgezeigten Strom-Spannungs-Zeitver läufe. Der Kommutierungsvorgang
von der Diode D1 auf den Transistor T des Zweigpaares wird über den Steueranschluß
St des Transistors T mittela des Steuerstromes ist Fig. 3b gesteuert. Nach Ablauf
der Einschaltserzögerungszeit td beginnt der Transistor T, den Strom zu übernehmen
(Kollektorstrom iC in Fig.3a).
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Da sich der Stromfluß id von der Gleichapannungsquelle über den Transistor
T aufgrund der Leitungsinduktivität nur langsam aufbaut (Fig. 3d), muß der Kondensator
Cp den Ausgangsstrom ia für diese kurze Zeit bereitstellen, bis sich der Strom id
aus dem Gleichspannungskreis aufgebaut hat. Gleichzeitig hat der KOndensator ap
bei der Kommutierung des Ausgangsstromes ia von der Diode D1 auf den Transistor
s die Aufgabe, Blindstrom zum Sperren der Diode D1 bereitzustellen.
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Dadurch kann der Transistor T in der Sperrverzugszeit der Diode D1
im aktiven Bereich (hohe Verlustleistung im Transistor) betrieben werden. Der Abreißvorgang
des USE-Stromes der Diode D1 erzeugt im aktiv betrie-
benen Transistor
T, da nur noch minimale parasitäre Leitungsinduktivitäten vorhanden sind, auch nur
noch minimale Überspannungen. Damit kann eine Einschaltentlastung für den Transistor
T entfallen, Der zeitweilig vom Kondensator Cp bereitzustellende Ausgangsstrom ia
und der Ausschaltstrom iF für die Diode Dl addieren sich zum Kondensatorstrom $p,
wovon der sich aufbauende Strom id aus dem Gleichspannungskreis ab zuziehen ist
(Fig. 3d).
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In der Fig. 3c bezeichnet die Linie 1 während des Einschaltvorganges
in der Stromanstlegs- bzw. Spannungsabfallzeit tr den markanten Punkt, an dem die
Spannung am lsastanschlußpunkt L von der Diode D1 auf den Transistor T umschaltet.
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Wenn der Transistor T den Ausgangsstrom ia wieder abgeben soll, was
durch die Umkehrung des Steuerstromes iSt erfolgt (Fig. 3b, Linie 2), fließt für
die Speicherzeit t5 des Transistors 2 der Strom ic im Kollektor des Transistors
2 noch bis zu Beginn der Fallzeit tf weiter. Gleichzeitig steigt die Kollektor-Emitter-Spannung
UcE prinzipbedingt weiter an, denn erst wenn die Eollektor-Rmitter-Spannung UcE
die Spannung des Gleichspannungskreises Ud erreicht hat, kann die Diode D1 leitend
werden und den Ausgangs strom da während der Fallzeit tf übernehmen. Der Strom id
von der Gleichspannungsquelle Ud wird für kurze Zeit weiter von den Leitungsinduktivitäten
angetrieben.
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Diesen Strom übernimmt der Kondensator Cp wodurch die Kondensatorspannung
Ucp etwas zunimmt (Fig. 3d).
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Die induktivitätsarme Anordnung des Kondensators 0p ermöglicht somit
die schnelle Kommutierung des Laststromes ia vom Transistor T auf die Diode Dl und
zurück, wobei interne Überspannungen am Transistor T, resultierend aus dem nichtidealen
Schaltverhalten der Diode D1 und schnellen Stromänderungen an internen
Induktivitäten,
klein bleiben und Entlastungsschaltungen minimiert bzw. weggelassen werden können.
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In spannungseinprägenden Gleichstrompulsstellern und spannungseinprägenden
Zwischenkreisumrichtern (Fig. 4 bzw. 5) unter der Voraussetzung LdX LG) reduziert
der Kondensator Cp als Stützkondensator die den Kommutierungsvorgang des Ausgangsstromes
ia beeinflussenden parasitären Leitungsinduktivitäten auf jenes konstraktiv-technologisch
bedingte Minimum, das durch den Bauelementehersteller vorgegeben wird. Der Kondensator
Cp stellt für den Kommutierungsvorgang des Ausgangsstromes ia von der nichtselbstausschaltenden
Halbleiter-Zelle D1 auf die selbstausschaltende Halbleiterzelle T den Kommutierungsblindstrom
bereit. Damit wird unabhängig vom Geräteaufbau ein eindeutig definierter Kommutierungskreis
realisiert, der wiederum einen definierten Kommutierungsvorgang gegebenenfalls unter
Ausnutzung des aktiven Arbeitsbereichs (mittels Formung des Steuerstromes bzw. -spannung)
der selbstausschaltenden Halbleiterzelle ermöglicht. Dies gilt für den unterachiedlichsten
Einsatz der Zweigpaare ZP in Stromrichtergeräten und unabhängig vom Betrag des zu
kommutierenden Ausgangsstromes ia.
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Der Einsatz des Kondensators Cp ist Voraussetzung für die Realisierung
stromeinprägender Gleichstrompulssteller und stromeinprägender Zwischenkreisumrichter
(Fig.5 bzw. 6 unter der Voraussetzung Cd = 0) mit selbstausschaltenden Halbleiterzellen.
Er dient dabei der Begrenzung der Zwischenkreisspannung Ud und stellt nach jedem
Schaltvorgang im stromeinprägenden Pulssteller bzw. Wechselrichter die erforderlichen
Ausgleichsblindströme bereit.
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Neben der Begrenzung interner Überspannungen des Zweigpaares, der
Begrenzung der Zwischenkreinspannung eignet sich der parallele Kondensator Cp im
Zusammenwirken mit
der Diode D1 auch generell zur Begrenzung externer
Uberspannungen.
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Die technische Realisierung eines SOndensators als Parallelkondensator
Cp für das erfindungsgemäße Zweigpaar ist Stand der Technik. Es wird ein induktivitätsarmer
und bis zu hohen Frequenzen verlustarmer Metall-Papier- oder Metall-Polypropylenfolie-Kondensator
mit schmalem stirnkontaktierten Wickel eingesetzt.
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Besonders vorteilhaft ist es, der in ihrem Ein- und Ausschaltverhalten
optimierten und an den Transistor T angepaßten Diode D1 eine zweite Diode D2 parallelzuschalten
(Fig. 1 und 2). Der Einsatz zweier Halbleiterzellen D1 und D2 nichtselbstausschaltender
Art als freilaufventil gestattet eine getrennte halbleitertechnologische Optimierung,
angepaßt an die selbstausschaltende Halbleiterzelle. Während D1 optimal an das Einschaltverhalten
der selbstausschaltenden Halbleiterzelle angepaßt wird (Konirnutierungsblindstrom,
kapazitive Ströme), bestimmt D2 wesentlich das Ausschaltverhalten der selbstabschaltenden
Halbleiterzelle (Spannungsüberhöhung, Laststromkommutierungsverlauf). Die Diode
D2 muB dabei im Vergleich zur Diode D1 einschaltflinker sein, um den von T auf Dl
zu kommutierenden Laststrom a für eine bestimmte Zeit zu übernehmen und nur eine
kleine dynamische Flußspannung zuzulassen, die wiederum verhindert, daß die selbstausschaltende
Halbleiterzelle mit unzulässigen Spannungen, die wesentlich größer als die Zwischenkreisspannung
Ud sind, beansprucht wird. Dadurch, daß aber die statische Plußspannung von D2 höher
festgelegt wird als die von D1, wird erreicht, daß der Laststrom ia nach einer bestimmte
Zeit selbständig von D2 auf D1 kommutiert.
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Bei einer Parallelschaltung eines positiven Ausgangsstrom führenden
Zweigpaares ZP+ mit einem Zweigpaar SP-, das negativen Ausgangsstrom führt, kann,
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fern der ein- und ausschaltbare elektronische Einwegschalter
U Jeweils ein Transistor ist, der transistor des Zweigpaares ZP- mit negativem Ausgangsstrom
in dem Zweigpaar ZP+ mit positivem Ausgangs strom gleichzeitig die Funktion der
dem Freilaufventil D1 parallelzuschaltenden Diode D2 übernehmen bzw. der Transistor
des Zweigpaares ZP+ die Funktion der Diode D2 im Zweigpaar ZP-. Bei Sperrspannungsänderungen
an den Dioden D1 und D2, wie sie während der Schaltvorgänge auftreten, treten auch
gleichzeitig kapazitive Verschiebeströme in den Dioden auf. Im Gegensatz zur pn-Struktur
können npn- und pnp-Strukturen kapazitive Verschiebeströme im Halbleiter bei Sperrspannungsänderungen
dUR/dt verstärken. Deshalb können mit Einsatz eines Transistors anstelle der Diode
D2 die Verschiebeströme vorteilhaft verstärkt werden. Bei einer Sperrspannungsänderung
an der pnp-Struktur dUdt < 0 kann der kapazitive Strom ig2 so weit verstärkt
werden, daß er die Größenordnung des Laststromes ia erreicht. Der Strom durch die
genannte pnp-Struktur verringert den Strom durch die selbstausschaltende Halbleiterzelle
T (wobei der Laststrom annähernd konstant bleibt) während der ansteigenden Spannung
UCE im Ausschaltvorgang.
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Sie bewirkt eine wesentliche Entlastung der selbstausschaltenden Halbleiterzelle
T durch eine wesentliche Verringerung der Ausschaltverlustarbeit in der Ausschaltzeit
torf' eine schnellere Wiederkehr der Sperrspannung UcE, verbunden mit einer Verkürzung
der Ausschaltzeit tofi, und erhöht die Sicherheit beim Einsatz von Transistoren
gegen den 1. (Spannung) und den 2. Durchbruch (momentane Verlustarbeit).
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Bei einer Sperrspannungsänderung an der pnp-Struktur dUdt> O (inverser
Betrieb) wird der kapazitive Strom iD2 nicht verstärkt, so daß keine Belastung für
die selbstausschaltende Halbleiterzelle T im Ein-
schaltvorgang
entsteht. Neben dem Kommutierungsblindstrom zum Ausschalten von D1 entstehen keine
weiteren Belastungen während der Einschaltzeit ton für die Halbleiterzelle T.
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Da die in den Kondensatorleitungen gespeicherten Energien in der seibstaussohaltenden
Halbleiterzelle T in sehr kurzer Zeit (tr bzw. tf in Fig. 3) in Wärme umgesetzt
werden, hat bei einem beschaltungsfreien Zweigpaar ein induktivitätsarmer Aufbau
entscheidenden Einfluß auf die elektrische Funktion.
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Der geometrische (räumliche) Aufbau der erforderlichen Verbindungen
bestimmt beim erfindungagemäßen Zweigpaar dessen parasitäre Induktivitäten. Die
Fig. 6 zeigt einige mögliche Beispiele solcher induktivitätsarmen Bauelemente-KUhlkörper-Anordnungen
für positiven Ausgangsstrom führende Zweigpaare ZP+, die die Basis für den beschaltungsfreien
Betrieb darstellen. Gleichzeitig ermöglichen die gezeigten Bauelemente-KUhlkörper-Anordnungen
den wirksamsten Einsatz von verlustbehafteten oder verlustfreien Entlastungsschaltungen,
die u.U. auf Grund bauelemente spezifischer Probleme erforderlich sind, wenn diese
wieder selbst geometrisch vorteilhaft realisiert werden.
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