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Stellglieder sollen einen elektrischen Strom einstellen (dosieren, schalten, begrenzen, ...), dies möglichst schnell, mit möglichst wenig Verlusten und sie sollen dabei selbst möglichst langlebig, möglichst einfach handhabbar und möglichst zuverlässig sein.
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Stand der Technik:
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Auf dem elektromechanischen Gebiet zählen bistabile Relais und Motor betriebene Potenziometer zu den verlustärmsten Lösungen, sie sind aber nicht verschleißfrei, nicht so schnell wie Halbleiter, und i. a. nicht besonders gut für Hochspannung geeignet.
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Unter den Halbleitern zählen hier Dioden zu den am einfachsten handhabbaren Stellgliedern, weil sie ganz ohne Ansteuerung auskommen und ihren Schaltzustand selbstständig anhand der anliegenden Spannung bestimmen. Sie werden hier sozusagen als Stellglied ohne Steuereingang verstanden (z. B. kann man mit ihrer Hilfe bei Wechselstrom eine Heizleistung auf rund 50% einstellen, diese Einstellung jedoch nicht verändern). Herkömmliche Dioden sind aber mittlerweile nicht mehr als besonders verlustarm zu werten, denn Mosfet basierte, so genannte Synchrongleichrichterschaltungen bieten mehr Effizienz.
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Mosfets wiederum (und auch IGBTs) benötigen i. a. zur Energieversorgung ihrer Gatesteuerstufen zusätzliche Leitungen, was z. Z. dazu führt, dass sie sich nur in Neugeräten als Diodenersatz durchsetzen.
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Auch im Einsatz als steuerbare Halbleiterstellglieder benötigen moderne Transistoren, – IGBTs und Mosfets – je nach Leistung ein gewisses Maß an Steuerenergie. Diese können die so genannten 'Photovoltaic Coupler' (Optokoppler mit Mosfet-Ausgang) zwar mit ihrer Sende-Leuchtdiode einstrahlen, doch scheint dieses Konzept auf vergleichsweise langsame Anwendungen kleiner Leistung beschränkt zu bleiben.
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Auf Optotriacs basierende Lösungen, – sogenannte Solid-State-Relais – benötigen zwar ebenfalls keine zusätzlichen Leitungen für ihre Steuerenergie, sie sind aber i. a. auf Wechselstrom und Netzfrequenz beschränkt, ähnlich verlustträchtig wie Dioden und verursachen bei stetiger Regelung durch ihren Phasenanschnitt starke Strom-Oberwellen.
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Dies gilt i. a. auch für die meisten Thyristor basierten Anwendungen, wie z. B. Stromrichter.
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Abschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristoren) benötigen zum Abschalten kurzzeitig einen größeren negativen Gatestrom (ca. 10–30% des Anodenstromes), was bei negativer Gate-Kathoden-Spannung eine positive Leistung ergibt. Es wird also eine gewisse Energiemenge benötigt, die vorteilhaft schon während der Einschaltzeit gesammelt und bis zu einem dann beliebigen Abschaltzeitpunkt vorgehalten werden kann. Ferner kann ihr Sperrverhalten bei hohen Spannungen durch eine kleine negative Gatespannung und einen kleinen negativen Gatestrom verbessert werden.
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Vorrichtungen zum Entladen von Hochspannungskondensatoren sollen unter möglichst allen denkbaren äußeren Fehlerbedingungen zuverlässig arbeiten, wodurch Konzepte, die ohne äußere Hilfsenergie auskommen, im Vorteil sind.
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Die angesprochenen Halbleiterstellglieder weisen bezüglich ihres Steuerenergiebedarfs Gemeinsamkeiten auf:
- G1: Für einen dauerhaft sicher ausgeschalteten Zustand benötigen sie keine, oder nur eine geringe Steuerleistung (hauptsächlich nur Thyristoren in der Nähe ihrer maximalen Sperrspannung).
- G2: Für einen dauerhaft sicher eingeschalteten Zustand benötigen sie eine ggf. kleine, aber von Null verschiedene Steuerleistung (Thyristoren: Backporch-Gatedauereinschaltstrom gegen unerwünschtes teilweises Verlöschen bei kleinen Anodenströmen, Mosfets und IGBTs: Leckstromausgleich).
- G3: Zum Einschalten und oft auch zum Ausschalten benötigen sie eine größere Steuerenergie, wodurch die erforderliche Steuerleistung mit der Betriebsfrequenz steigt.
- (G1) werden oft schon einfachste bekannte Mittel, wie z. B. Gate-Ableit-Widerstände gerecht, oder auf die Sperrverbesserung wird einfach verzichtet.
- (G2) wird häufig durch externe Hilfsenergie-Einspeisung gelöst.
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DE000010045093A1 entnimmt die Energie parallel zum Halbleiterstellglied mit einem per Widerstand begrenzten 'Minimalstrom'. Sie erwähnt, dass die Reihenschaltung mehrerer Halbleiterstellglieder für Hochspannungsanwendungen parallel zu den Schaltgliedern angeordnete Symmetrierwiderstände benötigt, und dass dieser notwendige Symmetrierstrom zur Steuerenergieerzeugung der Gatesteuerstufen genutzt werden kann. Ferner wird hier ein kapazitiv gekoppelter Pfad zur Steuerenergieerzeugung offenbart, wodurch die Verlustleistung so genannter Snubber-Glieder (RC-Schutzbeschaltung der Halbleiterstellglieder) genutzt wird, was (G3) Rechnung trägt.
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Überhaupt macht die Energieentnahme von der Ausgangsseite der Halbleiterstellglieder zur Steuerenergieerzeugung viel Sinn, weil dies mit kurzen Wegen verbunden ist (wichtig bei Hochspannungsanwendungen) und sie die Stellglieder energetisch autark macht.
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In der IPC-Untergruppe H02M 1/096 sind viele derartige Vorrichtungen, mit paralleler Energieentnahme beschrieben. Ein Prinzip, welches in 1 skizziert dargestellt ist.
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DE102008049677A1 beschreibt verschiedene Methoden der Energieentnahme aus den Induktionsspannungen von in Reihe geschalteten Induktivitäten. Damit überhaupt Induktionsspannungen entstehen können, bedingen diese Methoden zeitliche Stromänderungen, die aber nicht immer gegeben sind, und deren Erzeugung mithilfe des Halbleiterstellgliedes in der Regel eine eigentlich unerwünschte Störung darstellt und nur zu diesem Zweck auch unverhältnismäßig aufwändig ist.
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Aufgabe:
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Erfindungsaufgabe ist, eine zu den jeweiligen Bedarfslagen gut passende, für möglichst viele Frequenzen, – insbesondere einschließlich 0-Hertz-Dauerzuständen – geeignete, effiziente, preiswerte und einfach handhabbare Methode der Steuerenergieerzeugung für Gatesteuerstufen von Halbleiterstellgliedern und ggf. ihre nächste Umgebung zu schaffen, die vor allem ohne zusätzliche Leitungsanschlüsse auskommt.
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Die Forderung der unabhängigen Energieversorgung ohne zusätzliche Leitungen stellt sich in zahlreichen Anwendungen, weil dadurch ungemein einfach handhabbare Konzepte befördert werden. Nicht nur Diodenersatz, Schätzersatz, Thyristorersatz, steuerbare Gleichrichter, ja genau genommen Stromrichter aller Art können verbessert werden, wobei insbesondere im Kleinspannungsbereich eine zum Teil deutliche Verringerung der Verluste erzielbar sein dürfte. Gleiches gilt auch für kondensatorlose IGCTs in Hochspannungs-Kaskaden, Insellösungen, z. B. für die Entladevorrichtung von Hochspannungskondensatorenbatterien von Kondensatorentladungsschweißanlagen, Batteriezellen-Entladewächter, Sicherungen und Strombegrenzer, und zwar im Vergleich zu konventionellen Lösungen in den Punkten Sicherheit, Präzision, Schnelligkeit und Handhabbarkeit.
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Lösung:
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Aufgrund der Vorgabe, ohne zusätzliche Leitungsanschlüsse auszukommen, fallen Lösungen, die die Energie z. B. aus der Versorgungsspannung einer das Halbleiterstellglied (1) umgebenden Gesamtschaltung beziehen aus. Es verbleiben die parallele und serielle Energieentnahme.
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Die Erfindung löst die Aufgabe im wesentlichen durch ein Energieversorgungsmittel (3), welches zum Halbleiterstellglied (1) in Reihe geschaltet ist. 2 zeigt diese beiden Komponenten zusammen mit der Gatesteuerstufe (2) in einer Zelle (Z).
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Insbesondere ist die vorwiegend serielle Energieentnahme gegenüber der parallelen bei statischen Steuerzuständen und niedrigen Frequenzen im Vorteil.
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Die Parallelentnahme hat nämlich zur Energieentnahme während eines permanenten Ein-Zustandes nur die geringe Restspannung des Halbleiterstellgliedes zur Verfügung, muss aber andererseits während des Aus-Zustandes die ggf. hohe Sperrspannung vertragen. Sie muss den im Ein-Zustand größeren Energiebedarf aus der gerade dann geringeren Spannung erzeugen, und im Aus-Zustand möglichst wenig Strom verbrauchen. Die dazu verwendeten Halbleiter benötigen daher sowohl eine hohe Spannungsfestigkeit als auch niedrige Einschaltwiderstände.
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Seriell entnehmende Energieversorgungsmittel, deren Eingangsseite gemäß Anspruch 1 in Reihe zur Ausgangsseite des Halbleiterstellgliedes geschaltet ist, stecken hingegen nicht in diesem Dilemma. Sie benötigen nur einen geringen Innenwiderstand. Sie sollten sehr kleine Spannungen (von unter 1 V) auf das für den Betrieb der Gatesteuerstufe(n) erforderliche Niveau (von z. B. 10 V) herauf setzen können.
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Zudem besteht die Erfordernis des sehr kleinen Innenwiderstandes meistens auch nur während großen Stromflusses. Drohenden übermäßigen Verlustleistungen kann mit eingangsseitigen Spannungsbegrenzungsmitteln (3: 3B), – wie in Anspruch 2 erwähnt – begegnet werden.
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Weist das Energieversorgungsmittel (3) einen selbstständig anspringenden Resonanzumformer gemäß Anspruch 2 auf, so wird insbesondere das Handling einfach. Erwähnt sei, dass bei ausreichender Energieversorgungslage auch regelbare Spannungsbegrenzungsmittel (3B) innerhalb des Energieversorgunsmittels (3) eingesetzt werden können, wofür ggf. sogar der, bzw. die eingangsseitigen Transistor(en) des Resonanzumformers selbst verwendet werden können.
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Beispiel Diodenersatz:
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In der Anwendung des Diodenersatzes resultiert dies nach außen hin in nur zweipolig in Erscheinung tretenden Schaltungen. Sie können z. B. als Modul oder Gleichrichterplatten realisiert werden und bestehende Diodenlösungen ohne weitere Änderungen des Umfeldes ersetzen. Vor allem funktionieren sie in allen Betriebszuständen und auch bei reiner Gleichspannung andauernd wie herkömmliche, – nur bessere – Dioden. Auch beim Schaltungsentwurf sind als Einzelbauteil verfügbare Dioden leichter einzuplanen, als Konzepte mit weiteren Anschlüssen u./o. Betriebsbedingungen.
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In 3 ist eine Anordnung für die Anwendung des Diodenersatzes dargestellt. Hierbei soll die resultierende Gesamtschaltung nur in der Richtung leiten, wie es die parasitären Bodydioden der Mosfet-Halbleiterstellglieder vorgeben, dann aber möglichst gut. Bei sehr kleiner Spannung in Flussrichtung der Bodydioden, bei Spannung in Sperrichtung der Bodydioden und bei nicht ausreichender Versorgungsspannung der Gatesteuerstufe (2) werden alle Halbleiterstellglieder (1, 4) ausgeschaltet. Bei ausreichender Spannung in Flussrichtung der Bodydioden beginnt über diese ein Stromfluss, aus dem des ersten Halbleiterstellgliedes (1) generiert das Energieversorgungsmittel (3) die Betriebsenergie der Gatesteuerstufen (2, 5) und diese können einschalten, wodurch sich die bis dahin maßgeblich von den Bodydioden bestimmte Flussspannung reduziert.
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Weist das erste Halbleiterstellglied (1) gemäß Anspruch 7 ein parallel geschaltetes Anlaufverbesserungsmittel (1A) auf, welches z. B. eine Schottky-Diode sein kann, so findet dieser Vorgang bereits bei kleineren Spannungen statt.
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Mit einem Energiespeicher (3E) können insbesondere periodisch auftretende Versorgungslücken überbrückt werden.
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Sind, wie in Anspruch 5 und Anspruch 6 Bezug genommen wird, noch weitere Halbleiterstellglieder (4) parallel geschaltet, so können die Verluste insgesamt noch weiter reduziert und die Leistungsfähigkeit der Gesamtschaltung gesteigert werden.
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Diese zusätzlich parallel geschalteten Halbleiterstellglieder reduzieren die Durchflussspannung der Gesamtschaltung und erschweren damit auch die Möglichkeit, aus der verbleibenden Spannung noch genügend Energie zum Betrieb der Gatesteuerstufe(n) zu gewinnen. Dieses Problem tritt insbesondere bei kleinen Strömen auf, bei welchen die Effizienzsteigerung durch zusätzliche parallel leitende Halbleiterstellglieder (4) aber meist nicht vordringlich ist.
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Mit einer Regel-, bzw. Logik-Stufe (2R) gemäß Anspruch 6 wird in diesem 'Grenzbereich' das Ansteuersignal der Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) abhängig von der Energieversorgungslage der Gatesteuerstufen (2; 5; ...) moduliert, wobei mehr oder weniger einfache oder intelligente Regelstrategien zum Einsatz kommen können, z. B. um das Optimum für die Gesamtenergiebilanz zu treffen. Dabei können folgende Aspekte gegeneinander abgewogen werden:
- • Eine hohe Ansteuerung der Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) führt zu geringen Durchflussspannungen.
- • Die dann ggf. zu geringen Durchflussspannungen könnten einen kontinuierlichen Betrieb des Energieversorgungsmittels (3) vereiteln.
- • Das Energieversorgungsmittel (3) kann ggf. mit weniger Eingangsspannung auskommen, wenn die Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) mit weniger Intensität angesteuert werden.
- • Das Energieversorgungsmittel (3) kann ggf. mit weniger Eingangsspannung auskommen, wenn eine Anzahl Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) von der Ansteuerung ganz ausgenommen wird.
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Ein gutes Ergebnis wird z. B. erzielt, wenn die Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) genau so stark zum Leiten gebracht werden, dass für eine ausreichende Versorgung der wichtigsten Steuerstufen gerade noch genug Durchflussspannung verbleibt.
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Gemäß Anspruch 5 werden durch ein oder mehrere Energie-Entkopplungsmittel (2E) die weiteren Gatesteuerstufen (5) der Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) von der Energieversorgung der ersten Gatesteuerstufe (2) entkoppelt, z. B. um die zur Verfügung stehende Energie ggf. auf die erste Gatesteuerstufe zu konzentrieren. Die Energie-Entkopplungsmittel (2E) können ggf. auch eine stetige Einstellbarkeit aufweisen.
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Sowohl mit dem Energie-Entkopplungsmittel (2E) gemäß Anspruch 5, wie auch mit der Regel-, bzw. Logik-Stufe (2R) gemäß Anspruch 6 kann der Gefahr eines diskontinuierlichen Betriebes des Energieversorgungsmittels (3) begegnet werden.
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4: Moderne Leistungsstellglieder (Mosfets und IGBTs) benötigen insbesondere zum schnellen Schalten relativ viel Ansteuerenergie. Mithilfe eines zusätzlichen kapazitiv gekoppelten Energieversorgungsmittels (6) nach Anspruch 7 kann insbesondere der frequenzabhängig steigende Energiebedarf passend gedeckt werden. Idealer weise kann der ggf. für das Halbleiterstellglied erforderliche (hier nicht dargestellte) Snubberkondensator kleiner ausgelegt werden, oder ganz entfallen, wodurch die sonst verloren gehende 'Snubberenergie' zumindest teilweise sinnvoll genutzt wird.
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Beispielsweise können Vorrichtungen für die Anwendung Diodenersatz recht einfach handhabbare und universell einsetzbare Zweipole sein, insbesondere wenn für die Auslegung für höhere Frequenzen nur solche einfachen Mittel erforderlich und kaum Einbußen bei anderen Eigenschaften in Kauf zu nehmen sind. Hierzu kann ein kapazitiv gekoppeltes, ergänzendes Energieversorgungsmittel (6) nach Anspruch 7 sehr hilfreich sein.
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5: In vielen Fällen, – z. B. wenn die Halbleiterstellglieder vorwärts betrieben werden – in denen eine ausreichende Energieversorgung über die Serien-Energieentnahme und ggf. über die zusätzliche kapazitiv gekoppelte Energieentnahme gewährleistet ist, wird aber noch für das erste Einschalten oder nach einer längeren Pause eine minimale Startenergie benötigt. Diese kann mit einem parallel zum Halbleiterstellglied (1) geschalteten, Minimalstrom liefernden Widerstand (7R) nach Anspruch 7 bereit gestellt werden.
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6 zeigt die Kombination aus serieller und paralleler Energiegewinnung mit je einem separaten Energieversorgungsmittel (3, 3P). Damit kann auch bei größerem Energiebedarf in allen statischen Stellungen des Halbleiterstellgliedes (1) ausreichend Steuerenergie gewonnen werden. Wie für das serielle Energieversorgungsmittel (3), ist auch für das parallel angeordnete Energieversorgungsmittel (3P) eine eingangsseitige Spannungsbegrenzung zweckmäßig. Mit ihr kann bei Hochspannungskaskaden sogar ein ggf. geringerer und zugleich nutzbringender Symmetrierstrom erreicht werden, als ihn konventionelle Symmetrierwiederstände in einer Worst-Case-Auslegung benötigen. Auch kann das parallel angeordnete Energieversorgungsmittel (3P) eingangsseitig eine Reihenschaltung mehrerer, ggf. weniger spannungsfester Stufen aufweisen.
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Beispiel IGCT-Kaskode:
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7 zeigt eine Weiterbildung der Reihenschaltung aus Halbleiterstellglied (1), welches hier ein GCT-fähiger (Gate Commutated Thyristor) GTO (Gate-Turn-Off Thyristor) ist, mit einem Energieversorgungsmittel (3), welches ein 'steuerbares Spannungsbegrenzungsmittel' (3B) am Eingang aufweist, und gemäß Anspruch 3 dazu eingerichtet ist, den Strompfad (nicht figürlich dargestellt: einschließlich der Energieentnahme) auf Befehl hin zu unterbrechen. Damit stellt die Reihenschaltung eine Kaskode dar, bei welcher der Thyristor kathodenseitig abgeschaltet werden kann.
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Diese Anordnung, – die z. B. für HGÜ-Anwendungen zweckmäßig kaskadiert werden kann – kann sich in folgenden Betriebszuständen befinden:
- 1. Der GTO sperrt: Die Gatesteuerstufe (2) steuert das Gate des GTO-Thyristors auf Low-Potential. Das Energieversorgungsmittel (3) ist weitgehend stromfrei und erzeugt daher keine Steuerenergie. Zweckmäßiger weise geht es aber in einen Spannungsbegrenzungsmodus von z. B. 2 V (verhält sich wie eine 2 V-Z-Diode). Der Dunkelstrom (Leckstrom des Thyristors, z. B. durch kosmische Strahlung) bewirkt, dass sich diese 2 V-Spannung ggf. tatsächlich einstellt, was gleichbedeutend ist mit einer Gate-Kathodenspannung von –2 V, die wiederum bei einigen GTOs als Randbedingung für den Betrieb mit hohen Sperrspannungen genannt ist.
- 2. Der GTO wird gezündet: Das Spannungsbegrenzungsmittel (3B) wird voll leitend gesteuert und kurz danach wird der GTO-Thyristor von der Gatesteuerstufe (2) gezündet, wie ein 'normaler' Thyristor in einer konventionellen Umgebung. Hierfür muss die erforderliche Startenergie über eine der vorgenannten ergänzenden Methoden zur Verfügung gestellt worden sein.
- 3. Der GTO leitet: Die Gatesteuerstufe (2) fährt den Zündimpuls bis auf einen kleineren Dauerwert zurück und das Energieversorgungsmittel (3) stellt die an ihm abfallende Spannung auf den kleinst möglichen Wert ein und erzeugt dabei fortlaufend die notwendige Steuerenergie.
- 4. Der GTO wird gelöscht: Das Energieversorgungsmittel (3) unterbricht den Stromfluss. Die hierfür besonders stark ausgelegte Gatesteuerstufe (2B) hält das Potential des Gates weiter Low. Der Anodenstrom des Thyristors fließt fortan nicht mehr aus der Kathode wieder hinaus, sondern kommutiert auf das Gate. Der negative Gatestrom löscht den Thyristor. Der GTO-Thyristor muss hierfür die volle Höhe des Anodenstromes am Gate verkraften können, also ein sog. 'GCT' (Gate Commutated Thyristor) sein. Die Kommutierung soll dem Thyristor zuliebe möglichst schnell erfolgen.
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Diese Anordnung hat gegenüber den herkömmlichen IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristoren) besondere Vorteile:
- 1. Die sonst für den in der Löschphase negativen Gatestrom erforderliche Energie muss nicht auf Hochspannungspotenzial gewonnen (oder dort hin geführt) und zwischengespeichert werden, sondern kommt auf direktem Weg aus dem Laststromkreis. Die beste Lösung für Baugröße und Wirkungsgrad.
- 2. Die üblicherweise zum Zwischenspeichern der Löschenergie erforderlichen Kondensatoren entfallen und damit auch die Bedingung, dass sie zum Löschen ausreichend geladen sind. Der Gatestrom ist stets automatisch ausreichend bemessen, der Kathodenstrom wird einfach (ansatzweise hart) abgeschaltet.
- 3. Weiter entfallen damit auch ihre Innenwiderstände und ihre Serieninduktivitäten. Die Strompfade des Kommutierungskreises sind aufgrund des Fortfalls der Kondensatoren-Baugröße entsprechend kürzer. Eine kleine Löschkreisinduktivität in einem integriertem Konzept ergibt sich, wenn die während der Kommutierung miteinander konkurierenden Strompfade (über 2B und 3B) dicht nebeneinander angeordnet (Stichworte: bifilar, verdrillt, koaxial) sind. Die Toleranzen der ohnehin kleineren Löschkreisimpedanz beeinflussen außerdem kaum mehr die zeitlichen Verläufe der Gate- und Kathodenströme. Sie wirken sich in erster Linie nur auf die Kathoden-Gate-Spannungsverläufe aus. Der sich aus der negativen Gatespannung entwickelnde Gatestrom entlastet den abschaltenden Transistor des Spannungsbegrenzungsmittels (3B), wie es sonst ein Snubberglied tun würde. Bauteil- und Impedanztoleranzen wirken sich demnach auf Spannung und Abschaltverluste am Transistor aus, aber die Löschzeit des Thyristors wird quasi nur noch von ihm selbst bestimmt. Der Abschaltvorgang dürfte schneller werden und das bei kaskadierten Hochspannungsschaltgliedern wichtige gleichzeitige Schalten damit sicherer.
- 4. Weder Transistoren noch Transformatoren oder Leitungen kommen mit Hochspannung in Berührung. Von ihr werden lediglich der Lastkreis und seine Symmetrierwiderstände berührt, welche nach dem schon beschriebenen Minimalstromprinzip die energetische Erstversorgung bereitstellen können. Weiter muss nur noch die Signalübermittlung hohe Spannungen überwinden, was aber z. B. mit auf Lichtleiter basierenden Optokopplern auch für höchste Spannungen einfach möglich ist.
- 5. Auf der 'Point-of-Load' – Insel steht in allen Schaltzuständen genügend Steuerenergie für diverse Zwecke zur Verfügung.
- 6. Diese Art der energetischen Versorgung ist leicht über einen großen Arbeitsspannungsbereich machbar (weil ja zur Hochspannungsseite keinerlei Bezug besteht), und ebenso leicht über einen großen Strombereich: Bei 'Strommangel' führt das Spannungsbegrenzungsmittel (3B) automatisch weniger Strom und es verbleibt ein zweckmäßigerweise konstantes Spannungsniveau zur Energieentnahme. Für die Pausen einer Wechselstrom-Ansteuerung kann die so entnommene Energie leicht zwischengespeichert werden. Insbesondere große Hochspannungskaskaden werden kompakter.
- 7. Die zur Sperrverbesserung wünschenswerte negative Gatespannung entsteht bei beginnenden Leckströmen situativ automatisch.
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Stehen nur GTOs zur Verfügung, die nicht den vollen Anodenstrom an ihrem Gateanschluss vertragen, muss zwar auf einige der genannten Vorteile verzichtet werden, man hat aber auch dann die ideale Lösung: Die zum Löschen erforderliche Energie muss ja vor der Löschung in den Kondensatoren gesammelt werden. Das ist genau die Phase, in der es für das Energieversorgungsmittel (3) nichts näher liegendes gibt, als den es durchfließenden Strom dafür anzuzapfen.
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Beispiel Hochspannungskondensatorentladung:
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8: zeigt eine Anordnung zum kontrollierten Entladen der Kondensatorenbatterie von Kondensatorentladungsschweißmaschinen. Dabei schaltet z. B. ein Hochspannungs-IGBT einen mit der Hochspannungsseite (UC) der Kondensatoren verbundenen Entladewiderstand (R1). Es kommen nur geringe Schaltfrequenzen unterhalb 1 Hertz vor, dafür aber sollte ein (ggf. automatisches) Entladen unter möglichst allen äußeren Fehlerbedingungen, wozu auch der Ausfall externer Hilfsenergie zählt, möglich sein. Die hier dargestellte Anordnung ist dazu energetisch autark, verlustarm und in beiden Schaltzuständen wird genügend Energie zum Wechsel in den jeweils anderen generiert. Während des Aus-Zustandes liefert ein externer, gegen eine Spannungsbegrenzung (innerhalb des Energieversorgungsmittels 7 dargestellt) arbeitender spannungsfester Minimalstromwiderstand (7R) die zum ersten Einschalten der Entladung erforderliche Startenergie. Dieser Widerstand und das Halbleiterstellglied (1) sind die einzigen im Regelbetrieb mit Hochspannung in Kontakt kommenden Komponenten. Aus Sicherheitsgründen, – denn Halbleiter können durchschlagen – müssen aber auch alle möglicherweise von einem solchen Durchschlag betroffenen Komponenten an anderer Stelle zum restlichen steuerungstechnischen Umfeld der Schweißanlage hin sicher isoliert sein. Dies erfolgt mithilfe von Anspruch 8 gemäßen Signalübermittlungsmitteln, welche Signale beliebiger Richtung galvanisch trennen und zweckmäßig hoch isolierende Optokoppler sein können.
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Zum Starten der Entladung wird über ein erstes Signalübermittlungsmittel (8) der Entladebefehl an die Gatesteuerstufe (2) gesendet. Das Halbleiterstellglied (1) schaltet ein, Entladestrom beginnt zu fließen und das Energieversorgungsmittel (3) nimmt seine Funktion auf. Von da an steht auf dieser 'Insel' genügend Steuerenergie für alle weiteren Aktionen zur Verfügung.
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Dazu zählt vor allem eine besonders sichere Strom-fließt-Rückmeldung eines zweiten Signalübermittlungsmittels (9): Falsch positive Meldungen sind dabei unter energetischen Gesichtspunkten erschwert, wenn das Signalübermittlungsmittel (9) ohne wirklich über das Halbleiterstellglied (1) und dem Energieversorgungsmittel (3) fließenden Strom nicht genügend Betriebsenergie erhalten kann.
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Weiter (nicht figürlich dargestellt) können z. B. Spannungserfassungsmittel, wie aktive Messteiler, u./o. Entladestromregler zur Beschleunigung der sonst mit Fortschreiten der Entladung immer langsamer werdenden Entladung betrieben werden.
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Beispiel AC-/DC-Stellglied:
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Ist das Energieversorgungsmittel (3) gemäß Anspruch 4 dazu eingerichtet, dem Strompfad in jeder der beiden Stromrichtungen Energie zu entnehmen, so wird damit ein energetisch autarker, rückwärts (wie beim o. g. Diodenersatz) gut leitender und vorwärts (wie bei der Kondensatorentladung) normal ansteuerbarer Transistor ermöglicht.
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Anwendung findet dieser insbesondere in Reihenschaltung mit einem zweiten, entgegengesetzt gepolten Transistor, wodurch mithilfe dieser Reihenschaltung ein universelles Stellglied entsteht, welches sowohl Gleichstrom in beiden Richtungen, wie auch Wechselstrom einstellen kann.
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Gegenüber vergleichbaren Universalschaltern, – wie sie Photovoltaic Coupler darstellen – weisen sie eine vielfach höhere Leistungsfähigkeit und einen erheblichen Geschwindigkeitsvorteil auf, durch welchen Wechselströme auf einfache Weise mit Mittelfrequenzen im Bereich von z. B 1 bis 50 kHz durch Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt werden können. Auch elektromechanische Leistungsschütze können ersetzt werden, und zwar mit geringeren Verlusten als es Triac basierte Module tun und sind mit weniger Stromoberwellen stetig einstellbar (auch wenn meistens hierauf verzichtet werden dürfte). Eine neue Qualität von Solid-State-Relais!
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9: Eine Zusammenschaltung mehrerer Anordnungen (hier nur zwei ausgezeichnet) in einer Baueinheit gemäß Anspruch 9 reduziert die nach außen sichtbare Anzahl Anschlüsse ('Pincount'). Diese Zusammenschaltungen sind einsetzbar:
- • Durch Parallelschaltung für Gleichströme, die höher als die Maximalströme der einzelnen Zellen sind. Sie können sowohl abschaltbar, wie auch nicht abschaltbar sein. Sie können sowohl rückwärts leitend, rückwärts sperrend oder für den Rückwärtsbetrieb unzulässig sein.
- • Für Wechselströme, insbesondere wenn diese Zusammenschaltung nur zwei rückwärts gut leitende Zellen aufweist: Hierbei werden außen die beiden innen nicht verbundenen Pole (10A + 20A) der Zellen angeschlossen. Jede der beiden, rückwärts leitenden Zellen übernimmt im Bedarfsfall für die eine Stromrichtung die Sperrfunktion, die der anderen, entgegengesetzt orientierten Zelle unmöglich ist. Werden beide Halbleiterstellglieder von einem Signalübermittlungsmittel (hier nicht dargestellt, die zweite Zelle 20Z folgt der ersten logisch als 'Slave') gesteuert, so werden Betriebsarten und Konfigurationen gängiger Photovoltaic Coupler für höhere Leistungen und Frequenzen erreicht. Ggf. kann diese Zusammenschaltung anstatt zweier Energieversorgungsmittel (103 + 203) auch nur ein gemeinsames Energieversorgungsmittel (wie in 12: 3), welches eingangsseitig dazu eingerichtet ist, dem Strompfad gemäß Anspruch 4 in jeder der beiden Stromrichtungen Energie zu entnehmen, aufweisen.
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Baueinheit in Reihe geschalteter Zellen:
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10: Eine Reihenschaltung mehrerer Anordnungen (hier nur zwei ausgezeichnet) in einer Baueinheit, gemäß Anspruch 10 in gleicher Orientierung, ermöglicht Aufbau und Betrieb folgender Konfigurationen:
- • Durch Kaskadierung als Halbleiterstellglied für Gleichspannungen, die höher sind, als die Sperrspannungen der einzelnen Zellen. Diese können sowohl abschaltbar, wie auch nicht abschaltbar sein. Sie können sowohl rückwärts leitend, rückwärts sperrend oder für den Rückwärtsbetrieb unzulässig sein.
- • Zusammenschaltung in einer Baueinheit, nur zwei, – vorzugsweise rückwärts sperrende – Zellen aufweisend, wodurch die von Thyristormodulen als 'Phaseleg' ('Phasenzweig') und die von Transistoren als Halbbrücke bekannte Konfiguration gegeben ist. Sie kann sowohl abschaltbar, wie auch nicht abschaltbar sein. Sie kann prinzipiell in allen Einsatzfeldern dieser Thyristormodule und Transistorhalbbrücken betrieben werden, inklusive Drehstromgleichrichter, Wechselrichter, Wechselstromgleichrichter, oder Wechselstromsteller (in sog. 'Antiparallelschaltung'), Drehstromsteller und Frequenzumrichter.
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Beispiel Batteriezellenentladewächter:
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11 zeigt eine Anordnung für einen Umpol- bzw. Tiefentladeschutz für eine galvanische Zelle (BT). Diese werden häufig in Reihenschaltungen von 6 oder mehr gleichartigen galvanischen Zellen verwendet. Hat dabei eine der galvanischen Zellen während eines Entladevorganges 'vorzeitig' nicht mehr ausreichend Energieliefervermögen, so wird ihr in der Regel mithilfe der Energie der anderen galvanischen Zellen ein weiterhin relativ hoher Entladestrom aufgezwungen. Dies führt i. d. R. zum Unterschreiten der Entladeschlussspannung und ist für die betreffende galvanische Zelle schädlich. Im allgemeinen führt dieser Vorgang sogar zur Umpolung dieser galvanischen Zelle und dies ist dann auch noch der nutzbaren Leistung der übrigen galvanischen Zellen abträglich. Die Anordnung nach 11 weist hierfür eine Halbbrückenschaltung aus zwei Halbleiter-Zellen, ähnlich wie in 10 auf. Der Anschaulichkeit zuliebe sind diese beiden Halbleiter-Zellen nicht detailliert heraus gezeichnet, sondern nur mit einem der äußeren Funktion entsprechenden Symbol dargestellt. Die Transistorzelle (20Z) ist dabei ein (zum Laden) rückwärts gut leitender Transistor und kann zum Beenden des Entladens von einem Batteriezell-Controller (202C) ausgeschaltet werden. Dieser Batteriezell-Controller braucht im einfachsten Fall nur die Entladeschlussspannung zu überwachen und kann selbst von der Energieversorgung der Gatesteuerstufe von (20Z) mitversorgt werden. Die Halbleiter-Zelle (10Z) ist eine, – wie zu 3 beschriebene – Anordnung, die wie eine verbesserte Diode funktioniert, und stellt für die erschöpfte galvanische Zelle automatisch einen Bypass zur Verfügung. Die besonderen Vorteile dieser Anordnung liegen darin, dass erstens: die Anordnung mit einer derart geschützten galvanischen Zelle nach außen, – wie die ungeschützte galvanische Zelle – zweipolig ist, und deshalb leicht an deren Einbaustelle treten kann; und zweitens: dass für Zellschutz und Bypass keinerlei Restenergie aus der galvanischen Zelle selbst erforderlich ist. Damit wird die maximal mögliche Restleistung von Reihenschaltungsanordnungen von galvanischen Zellen auch für ggf. unverhoffte Totalausfälle einzelner galvanischer Zellen gewährleistet. Ein, – insbesondere für Notstromaggregate – wichtiger Sicherheitsaspekt!
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Weitere zweipolige Beispiele: Geregeltes AC-/DC-Stellglied, Fernschalter, Sicherung, Strombegrenzung:
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12 zeigt eine optimierte Anordnung eines 2-poligen AC-/DC-Stellgliedes mit Strommessung. Anders als die in 9 dargestellte Anordnung ist hier kein Kathodenanschluss herausgeführt, sondern es sind nur die Anschlüsse (10A) und (20A) von außen zugänglich. Beide Halbleiterstellglieder (101, 201) werden von einer gemeinsamen Gatesteuerstufe (2) angesteuert. Das Energieversorgungsmittel (3) ist ebenfalls nur noch einmal vorhanden und ist dafür gemäß Anspruch 4 eingangsseitig dazu eingerichtet, dem Strompfad in jeder der beiden Stromrichtungen Energie zu entnehmen. Ferner ist das Minimalstrom basierte, ergänzende Energieversorgungsmittel (7, mit 7R) gemäß Anspruch 7 über die beiden Dioden (107D, 207D) parallel zu den, – zweckmäßig rückwärts leitenden – Halbleiterstellgliedern (101, 201) angekoppelt, um den Anlauf in jeder der beiden Stromrichtungen zu ermöglichen. Damit wird für den ersten Anlauf ein minimaler Strom parallel zu dem Halbleiterstellglied geleitet, das vorwärts zur Stromrichtung orientiert ist und deshalb ohne Ansteuerung noch sperrt.
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Mit Bestehen einer ausreichenden Betriebsspannung kann dann die Gatesteuerstufe (2) den Hauptstrom – je nach Wunsch – ganz, teilweise oder pulsierend über die Halbleiterstellglieder (101, 201) einschalten. Dieser fließt im Regelbetrieb größtenteils, – d. h. abgesehen von dem minimalen, über (7R) möglichen Strom – über das Halbleiterstellglied (101), die Eingangsseite des Energieversorgungsmittels (3), das Stromerfassungmittel (9R, dem ein Stromauswertemittel 9A nachgeordnet ist) und das Halbleiterstellglied (201), oder umgekehrt.
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Vorzugsweise ist dies Anordnung gemäß Anspruch 11 dazu eingerichtet, in die Ansteuerung der Halbleiterstellglieder (1, 4, ...; 101, 104; 201, 204, ...) den erfassten Strom mit einzubeziehen, so dass mit dieser nach außen 2-poligen Anordnung ein Strom nicht nur gestellt, sondern auch geregelt werden kann, oder es kann in noch anderer Form (z. B. bei Überstrom abschaltend) darauf reagiert werden. Die Steuerung kann von außen (z. B. per Funk) oder auch selbsttätig erfolgen, z. B. in begrenzender Funktion (Sanftanlauf), abschaltend (Sicherung), oder auch beides (ein in die Halterung relativ ungefährlich einsetzbares Sicherungselement). Dabei kann die Auslösecharakteristik je nach Bedarf – z. B. für den Motorschutz, Leitungsschutz oder Halbleiterschutz – angepasst werden. Es kann dazu z. B. ein Effektivwert oder ein Grenzlastintegral gebildet werden, es kann aber auch z. B. für Thyristoren mithilfe moderner μC-Technik und gegebener Spannungsfunktion zum Strom (Stichwort ABCD-Parameter), sowie eine entsprechende Wärmeabfuhr-Modellierung, welche den transienten thermischen Impedanzkurven entspricht, eine noch präzisere und weitaus flinkere Abschaltcharakteristik eingeprägt werden. Zweckmäßiger weise wird in gleicher Baueinheit auch noch eine 'normale' Schmelzsicherung integriert, zu welcher Selektivität gegeben ist, so dass die Schmelzsicherung im Regelfall nie schmilzt sowie ein Selbstschutz-Widereinschaltprogramm für den Fall, dass die maximale Abschaltspannung der Halbleiter induktiv überschritten wird.
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Generelle Funktionsprinzipien:
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Auflistend erwähnt sei auch die Verwendbarkeit einer Anordnung oder Zusammenschaltung nach einem der nachfolgend aufgeführten Funktionsprinzipien
- • nach der Funktionsweise einer Diode (automatisch vorwärts leitend und rückwärts sperrend, als Low-Side- oder High-Side-Switch),
- • eines Transistors (vorwärts regelbar leitend, rückwärts leitend, sperrend oder verboten)
- • eines Thyristors (vorwärts nur mit und nach Ansteuerung leitend, rückwärts sperrend oder verboten),
- • eines Triacs (vorwärts und rückwärts mit und nach Ansteuerung leitend, ohne Ansteuerung jedoch nur so lange die Stromrichtung gleich bleibt),
- • eines monostabilen elektromechanischen Relais (vorwärts und rückwärts nur während der Ansteuerung leitend),
- • eines bistabilen elektromechanischen Relais (vorwärts und rückwärts mit und nach Ansteuerung leitend, bis zu einer weiteren Ansteuerung, vorzugsweise an einem anderen Steueranschluss),
- • eines einstellbaren ohmschen Widerstandes (ggf. für beide Stromrichtungen),
- • einer einstellbaren, oder fest eingeprägten Spannungsbegrenzung (Gegenzellen),
- • einer einstellbaren, oder fest eingeprägten Strombegrenzung (z. B. für LEDs),
- • einer rücksetzbaren, ggf. programmierbaren u./o. protokollierenden, uni- oder bidirektionalen Überstromabschaltung (Sicherung),
- • von Sanftanlaufgeräten (für Motoren, Kondensatorlade- und Entladeschaltungen),
- • oder von Funkstellgliedern,
wobei die Anwendungen der Halbleiterfunktionsweisen eher in Gleichrichtern, Wechselrichtern, Umrichtern, Gleichstromstellern, Wechselstromstellern, Drehstromstellern oder in Polygonschaltungen liegen, und die der elektromechanischen Funktionensweisen eher in der übrigen elektrischen Schaltungstechnik.
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In vielen Fällen ermöglicht die Erfindung den vorteihaften Austausch klassischer Halbleiter in gegebenen Umgebungen durch modernere.
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Perspektiven der Gerätekonstruktion:
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Darüber hinaus lassen sich auch für Neugeräte wichtige strukturelle Vorteile ausmachen: Die Leistungshalbleiter, ihre Ansteuerung und ihre energetische Versorgung werden der jeweiligen Leistung entsprechend perfekt auf einander abgestimmt. Insbesondere können dabei sehr leicht große Spannungsbereiche (Sperrspannungen, Zwischenkreisspannungen) gemeinsam abgedeckt werden. Die so anspruchslos gemachten und universell einsetzbaren Module können kompakt aufgebaut und mit Volumen produziert und vermarktet werden, denn sie passen in die verschiedensten Anwendungsumgebungen und können z. B. direkt von Mikroprozessoren angesteuert werden. Die zentralen Steuerplatinen wiederum benötigen keinerlei 'Starkstrombereiche' mehr und können bei den Geräten ggf. vollständig an anderer Stelle, z. B. innerhalb einer Bedieneinheit unterkommen. Zudem wird die Störproblematik geringer. Die Konstruktion der Geräte wird verkürzt und weniger fehlerträchtig.
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Hinweise zum Verständnis:
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Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale und Weiterbildungen der einzelnen Erfindungsgegenstände sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen und deren Beschreibungen enthalten.
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Die Ansprüche an der Erfindung beschränken sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfassen auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Realisierungen. Zudem ist die Erfindung auch nicht auf die in jedem der unabhängigen Ansprüche enthaltene Merkmalskombination beschränkt. Dies bedeutet, dass grundsätzlich jedes Einzelmerkmal eines jeden unabhängigen Anspruchs weggelassen oder durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als Formulierungsversuch für die Erfindung zu verstehen.
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Insbesondere die Darstellungen der Halbleiterstellglieder (überwiegend) als Mosfets beschreiben letztlich nur beispielhaft eine Vielzahl möglicher erfindungsgemäßer Realisierungen. Diese Mosfets können aber auch (ggf. mitsamt der parallel geschalteten Anlaufverbesserungsmittel 1A) durch IGBTs, (GTO-)Thyristoren, Triacs, bipolare Transistoren und anderen ersetzt sein. Bei letzteren ist deren 'Basis-Anschluss' für die hier genommene Bezeichnung 'Gate' zu sehen.
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Ferner müssen die Regel-, bzw. Logik-Stufen (3: 2R) der Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) nicht innerhalb der Gatesteuerstufen (2) für das erste Halbleiterstellglied (1) untergebracht sein, sondern können sich auch ganz oder teilweise in, vor, oder nach den Gatesteuerstufen (5) für die Ergänzungshalbleiterstellglieder (4) befinden.
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Schließlich seien auch Module erwähnt, die z. B. zwei in Reihe liegende Transistoren enthalten (Halbbrücken), oder z. B. ESBT (Emitter Switched Bipolar Transistoren, mit Mosfet in der Emitterleitung eines bipolaren Transistors), die ggf. sowohl dem Halbleiterstellglied (1), wie auch dem Energieversorgungsmittel (3) angehören können.
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Figurenliste:
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1 Anordnung: Halbleiterstellglied und parallel geschaltetes Energieversorgungsmittel (Stand der Technik)
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2 Anordnung: Halbleiterstellglied und in Reihe geschaltetes Energieversorgungsmittel (Haupt-Erfindungsidee)
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3 Anordnung: Weiteres parallel geschaltetes Halbleiterstellglied, beispielhaft mit Mosfet in 'Rückwärts'-Betriebsrichtung (Leistung gesteigerter Diodenersatz)
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4 Anordnung: Ergänzende parallele, kapazitiv gekoppelte Energieentnahme, Mosfet beispielhaft 'rückwärts' betrieben (höherfrequenter Diodenersatz)
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5 Anordnung: Ergänzende parallele, Minimalstrom basierte Energieentnahme, Mosfet beispielhaft 'vorwärts' (z. B. Kondensatorentladeschalter)
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6 Anordnung: Serien- und Parallel-Energieversorgungsmittel kombiniert, Mosfet beispielhaft 'vorwärts', bei größerem Steuerenergiebedarf in allen Zuständen
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7 Kaskodenschaltung aus abschaltbarem Energieversorgungsmittel und GCT
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8 Anordnung: Zwei galvanisch trennende Signalübergaben, beispielhaft mit Mosfet in 'Vorwärts'-Betriebsrichtung (z. B. Kondensatorentladeschalter)
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9 Parallelschaltung (hier nur einpolige Verbindung der Kathoden) mehrerer Zellen (Z = vorgenannte Anordnungen) in einer Baueinheit.
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10 Reihenschaltung mehrerer Zellen (Z) in einer Baueinheit durch innere Verbindung ungleichnamiger Pole (Kaskade/Phasenzweig/Halbbrücke)
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11 Anordnung als Umpol- bzw. Tiefentladeschutz für Energiespeicher
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12 optimierte Anordnung eines 2-poligen AC-/DC-Stellgliedes mit Strommessung
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Bezugszeichen:
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- A, K: Anode, Kathode genannter Ausgangsanschluss (9, 10)
- Hinweis: Die Vergabe der Bezeichnungen Anode und Kathode ist willkürlich und wurde in 9 und 10 entgegen der in Mosfets enthaltenen Bodydioden gemacht, um besser zu den Gegebenheiten bei Thyristoren zu passen.
- BT: Batterie, bzw. vorzugsweise nur eine galvanische Batteriezelle
- G1, G2, G3: situationsbezogene Gemeinsamkeiten des Steuerenergiebedarfs von Halbleiterstellgliedern unterschiedlicher Technologie
- RL: Lastwiderstand des Halbleiterstellgliedes, speziell Entladewiderstand einer Kondensatorenbatterie
- UC: Hochspannungspotential einer Kondensatorenbatterie
- Z; 10Z, 20Z: (Halbleiter-)Zelle (2); Zelle mit Ordnungsnummer (9, 10)
- 1; 1A: erstes Halbleiterstellglied (ggf. einer jeden Zelle), meistens als N-Kanal-Mosfet mit Bodydiode dargestellt; Anlaufverbesserungsmittel, z. B. (nur bei rückwärts leitenden Halbleiterstellgliedern), wie hier dargestellt eine Schottky-Diode, welche die bei kleinen Rückwärtsspannungen des Halbleiterstellgliedes (1), die dem Anlaufen hinderliche Flussspannung der Bodydiode reduziert.
- 2; 2A, 2B; 2C: Gatesteuerstufen für das erste Halbleiterstellglied; oberer, unterer Halbbrückentransistor dieser Gatesteuerstufe; Strombegrenzung
- 2R; 2E Regel-, bzw. Logik-Stufe zur Modulation der Ansteuersignale der Ergänzungshalbleiterstellglieder (4), ggf. mit mehrpoligem (Bus)-Ausgang zur individuellen Ansteuerung einzelner; Energie-Entkopplungsmittel 'weiterer' Gatesteuerstufen (5)
- 3: Energieversorgungsmittel der Gatesteuerstufe(n) und ggf. anderer Schaltungsteile. Durch eine ggf. hier angegebene Polarität auf der Energie-Eingangsseite wird auch die Betriebsrichtung des Mosfet-Halbleiterstellgliedes angezeigt.
- 3B; 3E: Spannungsbegrenzungsmittel am Eingang des Energieversorgungsmittels (3). Kann auch regel- u./o. abschaltbar sein; Energiespeicher
- 3P: parallel angeschlossenes Energieversorgungsmittel der Gatesteuerstufe(n) und ggf. anderer Schaltungsteile. Vorzugsweise mit Eingangsfilter, (ggf. sinusförmig) selbstanschwingendem Resonazwandler, (ggf. piezoelektrischem) Transformator, oder photovoltaischer Energietransformation.
- 4: mindestens ein parallel zum ersten Halbleiterstellglied geschaltetes Ergänzungshalbleiterstellglied zur Leistungssteigerung des ersten Halbleiterstellgliedes
- 5: mindestens eine Gatesteuerstufe für Ergänzungshalbleiterstellglieder
- 6: weiteres Energieversorgungsmittel mit paralleler, kapazitiv gekoppelter Energieentnahme (Snubberstrom-Nutzung)
- 7; 7R: weiteres Energieversorgungsmittel mit paralleler, Minimalstrom basierter Energieentnahme; diskreter, spannungsfester Vorwiderstand
- 8, 9; galvanisch trennende Signalübermittlungsmittel, hier als Optokoppler dargestellt
- 9A; 9R: Stromauswertestufe; Stromerfassungmittel, z. B. Strommesswiderstand oder Stromwandler
- 10A, 20A; 20K: erster Anodenanschluss, zweiter Anodenanschluss; zweiter Kathodenanschluss
- 101, 102, 103, 107D; 201, 202, 203, 207D; ... Bestandteile wie 1, 2, 3, 7D, ..., jedoch speziell der ersten; der zweiten Zelle; ... angehörend
- 202C: Batteriezell-Controller
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Terme:
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DC/DC-Wandler: Elektronische Schaltung mit einem Gleichstromeingang für elektrische Energie und einem Gleichstromausgang für elektrische Energie, wobei die am Ausgang abgegebene elektrische Energie aus der am Eingang aufgenommenen Energie gewonnen wird. Vorzugsweise haben Ein- und Ausgangsspannung verschiedene Potentiale, u./o. stark unterschiedliche Größen.
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Diodenersatz: Anwendung, in welcher die geringen, durch Mosfets möglichen Einschaltwiderstände benutzt werden, um auf geringere Durchflussspannungen zu kommen, als dies herkömmlichen Dioden möglich ist. Da Mosfets aufgrund ihrer Bodydiode nur in Vorwärtsrichtung sperren können und die geringen Einschaltwiderstände auch in Rückwärtsrichtung erreichbar sind, werden die Mosfets dabei 'rückwärts' betrieben. Diese Methode wird oft auch 'Synchrongleichrichtung' genannt.
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Energiespeicher: Vorrichtung, die Gleichstrom abzugeben vermag, während sie eine Spannung aufrecht erhält. Kann auch mehrere einzelne Energiespeicherelemente, z. B. Kondensatoren oder galvanische Zellen, sowie Halbleiter und Energiemanagementmittel aufweisen, z. B. für spezielle Klemmspannungs-Energie-Kennlinien.
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Energieversorgungslage (der Gatesteuerstufe(n)): Von Gleichspannung versorgte Schaltungen akzeptieren i. a. einen gewissen Bereich zulässiger Eingangsspannungen. Im einfachsten Fall kann eine ausreichende Höhe dieser Spannung für kurze Zeit über einen (z. B. aus Kondensatoren bestehenden) Energiespeicher sichergestellt werden und die Energieversorgungslage anhand der Relation der aktuell anliegenden Spannung zur mindestens notwendigen Betriebsspannung der Schaltung festgestellt werden.
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Energieversorgungsmittel: Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, z. B. ein DC/DC-Wandler. Die Beschreibung der Position des Energieversorgungsmittels innerhalb der Erfindungsanordnung bezieht sich, wenn nicht anders erwähnt, auf die Energie-Eingangsseite.
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GCT (Gate-Commutated-Thyristor): GTO-Thyristor, der zum Abschalten durch eine erzungene Kommutierung des Anodenstromes von der Kathode zum Gate eingerichtet ist.
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GTO-Thyristor (Gate-Turn-Off-Thyristor): Thyristor, der durch negativen Gatestrom abgeschaltet werden kann. Oberbegriff zum GCT.
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Halbleiterschaltglied: Halbleiterstellglied, welches nicht nicht stetig einstellbar ist, sondern nur schalten kann, oder auch Baugruppe, die nur schaltend betrieben wird. Auch Dioden, werden hier als Halbleiterschaltglieder ohne Steuereingang verstanden.
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Halbleiterstellglied: Einzelner steuerbarer Leistungshalbleiter (zumeist: Transistor), oder Schaltung mit mindestens einem solchen, zum Einstellen eines elektrischen Stromes. Halbleiterstellglieder können auch Halbleiterschaltglieder (z. B. Thyristoren) umfassende Schaltungen (Baugruppen) sein und z. B. mithilfe einer stetig veränderbaren Pulsweite einen Strom trotz der nur schaltend betriebenen Halbleiterschaltglieder stetig einstellen (z. B. beim Tiefsetzsteller).
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IGCT (Integrated Gate-Commutated-Thyristor): Anordnung mit GCT und Kondensator-Stoßentladungsvorrichtung zum schnellen Löschen mit großem negativen Gatestrom.
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Minimalstrom basierte Energieversorgung/Kopplung: Meist mithilfe hochohmiger Widerstände in einer Anordnung, welche die eigentliche Funktion der Schaltung beeinträchtigen u./o. zu zu großen Verlusten führen würde, wenn sie nicht nur für minimalen Strom dimensioniert wäre. Sie ermöglicht nicht den Regelbetrieb mit Netz- oder höherer Frequenz, jedoch z. B. den Ausgleich von Kriech- und Leckströmen, u./o. Bauteiltoleranzen, eine Spannungsmessung, oder das Ansammeln der zum Schalten erforderlichen Energie über einen längeren Zeitraum.
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Signalübermittlungsmittel: Bauteil oder Vorrichtung zur (meistens galvanisch trennenden) Übermittlung von Signalen (Informationen). z. B. Optokoppler, Transformator, oder Funktransmitter.
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Zelle: Hier, – wenn nicht eine galvanische Zelle – Schaltungsanordnung, jeweils mindestens ein Halbleiterstellglied (1, 101, 201, ...), eine Gatesteuerstufe (2, 102, 202, ...) und ein Energieversorgungsmittel (3, 103, 203, ...) umfassend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000010045093 A1 [0011]
- DE 102008049677 A1 [0014]