AT505534B1 - Resonante einschaltentlastung - Google Patents

Abstract

Einschaltentlastungen bestehen aus einer Serieninduktivität in Serie zum zu entlastenden Schalter und einer Vorrichtung parallel zu dieser, um beim Abschalten die durch die Einschaltentlastungsinduktivität entstehende Überspannung zu begrenzen und gleichzeitig die Induktivität zu entmagnetisieren. Das Problem, die Einschaltentlastungsinduktivität zu entmagnetisieren, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass die Entmagnetisierungsvorrichtung aus einer Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators besteht und parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist und nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird, bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem großen Kondensator entmagnetisiert wird.

Description

österreichisches Patentamt AT505 534B1 2011-07-15

Beschreibung

RESONANTE EINSCHALTENTLASTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, bestehend aus einer ersten Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators geschaltet ist.

[0002] Einschaltentlastungen bestehen aus einer Serieninduktivität in Serie zum zu entlastenden Schalter und einer Vorrichtung parallel zu dieser, um beim Abschalten die durch die Einschaltentlastungsinduktivität entstehende Überspannung zu begrenzen und gleichzeitig die Induktivität zu entmagnetisieren. Einschaltentlastungen vermeiden das Auftreten von großen Verlusten am Halbleiterschalter beim Einschalten desselben.

[0003] Zwei Methoden zur Entmagnetisierung der Einschaltinduktivität sind seit langem in Gebrauch und zwar die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand oder einer Avalan-chediode parallel zur Induktivität. Der Vorteil bei der Verwendung des Widerstandes sind der geringe (finanzielle) Aufwand. Nachteilig ist aber der stromabhängige Maximalwert der auftretenden Spannung und die durch die Zeitkonstante L/R bestimmte Entmagnetisierungszeit. Die Entmagnetisierung folgt der e Funktion. Bei Verwendung der Avalanchediode ist die Entmagnetisierungsspannung nahezu konstant, der Strom nimmt linear ab und ist, bei gleichem Strom und gleicher auftretenden Maximalspannung, schneller auf null. Nachteilig sind hier nur die höheren Kosten, da nun ein zusätzliches Halbleiterbauelement statt eines ohmschen Widerstands verwendet werden muss.

[0004] Wie aus der Patentliteratur ersichtlich, kann man auch parallel zur Einschaltinduktivität die Serienschaltung einer Diode mit einem Kondensator zu schalten. Die Entmagnetisierung erfolgt nun durch eine resonante Umladung entsprechend einer Viertelschwingung. Die Spule

ist entmagnetisiert, führt also dann keinen Strom mehr und der Kondensator ist auf 70 aufgeladen, wobei 70 der Strom in der Entlastungsspule zum Abschaltzeitpunkt ist. Der Kondensator ist nun bis zum nächsten Ausschaltzeitpunkt zu entladen.

[0005] Dies kann am einfachsten dadurch erfolgen, dass parallel zum Kondensator ein Widerstand geschaltet wird. Der Kondensator entlädt sich nun mit der Zeitkonstante RC. Dies ist die passive Lösung. Es sei hier angemerkt, dass bedingt durch den parallel liegenden Widerstand, die Aufladung des Kondensators und damit die auftretende Überspannung geringer ist. Die in der Einschaltinduktivität gespeicherte Energie wird in Form von Wärme an dem Widerstand umgesetzt. Dies ist auch bei kleinen auftretenden Leistungen akzeptabel.

[0006] Bei höheren Schaltfrequenzen (bei jedem Ausschaltvorgang ist ja die Energie aus der Entlastungsspule zu entfernen) und/oder größeren Leistungen ist dies jedoch nicht sinnvoll, da die auftretende Verlustwärme abgeführt werden muss. Hier empfiehlt sich eine Rückgewinnung der gespeicherten Energie durch einen DC/DC Konverter, dessen Eingang parallel zum Kondensator und dessen Ausgang in den Eingang oder Ausgang des Gesamtsystems speist.

[0007] Betrachtet man einen Gleichstromsteller, z.B. einen Tiefsetzsteller, bei dem der aktive Schalter 100 A einzuschalten hat, so benötigt man bei einer Eingangsspannung von 1000 V und einer gewünschten Stromanstiegsgeschwindigkeit von 50 V/us eine Einschaltinduktivität von 20 uH. Damit ergibt sich eine Energie von 0,1 Ws, die in der Einschaltinduktivität gespeichert ist. Bei einer Schaltfrequenz von 1 kHz bedeutet das, dass 100 W letztlich in Wärme umgesetzt werden muss und diese Verlustwärme aus dem Gerät abzuführen ist. Man erkennt daher den Vorteil einer verlustarmen Entlastung, bei der diese Energie rückgewonnen wird.

[0008] Zur Vermeidung von zu großen Überspannungen im Fehlerfall, so z.B. einem Lastkurzschluss verbunden mit einem raschen Anstieg des Stroms, wird man sinnvollerweise eine Über- 1 /7 österreichisches Patentamt AT505 534B1 2011-07-15

Spannungsbegrenzung vorsehen. Diese kann parallel zum einschaltentlasteten Schalter liegen und/oder parallel zum Kondensator des resonanten Einschaltentlastungsnetzwerks.

[0009] Neben der Anwendung zur Einschaltentlastung soll auch hingewiesen werden, dass die Schaltung auch als Vorrichtung zum Abbau von in Streuinduktivitäten gespeicherter Energie verwendet werden kann.

[0010] Im Rahmen dieser Erfindung wird eine spezielle aktive Rückgewinnung der Kondensatorenergie gezeigt. Nachdem der Kondensator geladen wurde, wird dieser mit Hilfe einer Serienschaltung eines strömunidirektionalen Schalters (einer Serienschaltung eines aktiven Schalters mit einer Diode oder einem Thyristor) mit einer Induktivität verbunden. Es wird nun die Energie aus dem Kondensator in die Spule übertragen. Dies geschieht innerhalb einer Viertelschwingung. Wird die Kondensatorspannung zu null, wird der stromunidirektionalen Schalter abgeschaltet und der Strom kommutiert in einen Hilfsfreilaufkreis mit einer Diode und baut sich in eine Spannungsquelle, typischerweise die Eingangsspannung, ab. Wird der Strom durch die Freilaufdiode null, so schaltet diese aus. Der Vorgang ist beendet.

[0011] Im folgenden wird eine Abgrenzung zur Patentliteratur durchgeführt. DE 26 44 715 A1 (BOEHRINGER) zeigt in Fig. 15 eine Anordnung, bei welcher ein gemischt ohmsch-induktiver Verbraucher unter Zwischenschaltung eines elektronischen Einwegschalters, beispielhaft als npn-Transistor ausgeführt, aus einer Gleichspannungsquelle gespeist wird, mit einer stroman-stiegsbegrenzenden Drossel, zu welcher parallel eine Diode in Serie zu einem Kondensator geschaltet ist, sowie einem Gleichstromsteller in potentialverbindender Hoch- und Tiefsetzausführung, welcher die dosierte Entnahme elektrischer Energie aus dem Kondensator und deren Rücktransport zur speisenden Gleichspannungsquelle bewerkstelligt. Topologisch kann die Schaltung auch als resonantes Entlastungsnetzwerk angesehen werde. Der Unterschied zum Betrieb als Gleichstromsteller liegt in der Ausnutzung der Resonanzvorgänge. Während mit einem Gleichstromsteller die dosierte Entnahme der elektrischen Energie aus dem Kondensator und deren Rücktransport zur speisenden Gleichspannungsquelle bewerkstelligt wird, erfolgt die Entladung des Kondensators bei einem Betrieb als resonanter Ladungspumpe innerhalb einer Viertelschwingung der Resonanzperiode. Dadurch kann die Schaltfrequenz des Konverters, bei dem eine solche resonante Entlastung beim Schaltelement (bzw. den Schaltelementen) vorgesehen ist, erhöht werden. Höhere Schaltfrequenz führt typischerweise zur Reduktion der erforderlichen Speicherelemente des Konverters und daher zu einem kompakteren Aufbau.

[0012] US 4 652 809 A (BARN) zeigt in den Figuren 3 und 4 ein Schaltnetzteil mit einer Befreiung eines Einwegschalters von hoher Verlustbeanspruchung nebst Entmagnetisierungseinrichtung, bestehend aus einer Serienschaltung eines Kondensators mit einer Diode. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird über ein Netzwerk an die Eingangsseite zurückgespeist. Es handelt sich dabei um ein Überspannungsbegrenzernetzwerk, bei dem der Kondensator auf eine höhere Spannung als die Eingangsspannung aufgeladen sein muss, damit sich der Transformator überhaupt entmagnetisieren kann. Wenn man das Tastverhältnis des Konverters auf etwas unter 0,5 beschränkt, erfordert das eine Spannung am Kondensator von mindestens zweimal der Eingangsspannung. Damit die Spannung am Kondensator aber durch den Entmagnetisierungsvorgang nicht immer weiter ansteigt, dient die Vorrichtung 32 in den oben genannten Figuren. Der Grad der Entladung ist dabei abhängig vom Tastverhältnis des Hauptkonverters. Je höher das Tastverhältnis, umso höher ist die zur Entmagnetisierung erforderliche Kondensatorspannung. Aus der Beschreibung der Schaltung folgt der grundsätzliche Unterschied der kombinierten Entmagnetisierungs-Überspannungsschutzvorrichtung. Bei dieser muss die Spannung am Kondensator gesteuert werden, beim Entlastungsnetzwerk wird der Kondensator nach der Aufladung beim Ausschalten wieder vollständig vor dem nächsten Ausschaltvorgang entladen.

[0013] EP 0 437 884 A (PHILIPS PATENTVERWALTUNG) zeigt eine Rückspeiseeinrichtung für ein Entlastungsnetzwerk für einen sehr komplexen Sperrwandler. Die Abbildung 1 zeigt einen Gleichspannungssperrwandler mit einer Primärwicklung in Reihe mit der Schaltstrecke eines mit einer Regeleinrichtung verbundenen steuerbaren Schalters, wobei parallel zur Pri- 2/7 österreichisches Patentamt AT505 534B1 2011-07-15 märwicklung ein Kondensator in Reihe mit einer Diode und parallel zur Schaltstrecke eine aus einer Spule, einer zweiten Diode und dem ersten Kondensator gebildete Reihenschaltung liegt. Die Schaltung benötigt, wenn sie im diskontinuierlichen Betrieb betrieben wird, keine eigene Einschaltentlastung. Auch hier wird nur ein Teil rückgespeist, der andere in einem Widerstand in Wärme umgesetzt. Die in der gegenständlichen Erfindung vorgeschlagenen resonanten Entlastungsnetzwerke für die Einschaltentlastung funktionieren jedoch immer ohne prinzipbedingte Verluste.

[0014] DE 100 20 137 A (DAIMLER CHRYSLER) zeigt ebenfalls eine Rückspeiseeinheit für ein Entlastungsnetzwerk. Dabei wird ein Teil der Entlastungsenergie (deswegen nur ein Teil, weil die Entlastung nicht vollständig ist) eines dreiphasigen Spannungszwischenkreisumrichters mit Einschaltentlastungsinduktivitäten über eine Hilfsschaltung, bestehend aus drei Dioden, zwei Spulen, einen aktiven Schalter und zwei Kondensatoren, in den Zwischenkreis gespeist. Die gegenständliche Erfindung zeichnet sich dagegen durch einen geringeren Aufwand aus. Es sei aber noch angemerkt, dass es sich hier um eine kombinierte Ein-Ausschaltentlastung handelt.

[0015] Das Problem, die Einschaltentlastungsinduktivität zu entmagnetisieren, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromuni-direktionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist (Anspruch 1). Weiters kann parallel zum Kondensator eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet werden (Anspruch 2). Die Ansteuerung erfolgt so, dass nach Aufladen des Kondensators der stromuni-direktionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird, bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem großen Kondensator entmagnetisiert ist. Weiters gilt, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient.

[0016] Im Folgenden soll zum vertieften Verständnis die Erfindung an Hand einiger Abbildungen beschrieben werden. Figur 1 stellt die passive Lösung, Fig. 2 eine aktive und Fig. 3 die verlustarme Variante der resonanten Einschaltentlastung dar. Die Figuren 1 und 2 stellen dabei den Stand der Technik der resonanten Einschaltentlastung dar, Fig. 3 das hier vorgeschlagene Konzept. In Fig. 4 ist die Anwendung der Schaltung gemäß Fig. 3 bei einem Tiefsetzsteller, in Fig. 5 bei einem Hochsetzsteller, in Fig. 6 bei einem Hoch-Tiefsetzsteller und in Fig. 7 bei einem Cuk Konverter dargestellt.

[0017] Die passive Variante (Fig. 1) besteht, wie oben ausgeführt, aus einer Serienschaltung einer Diode (DE) mit einem Kondensator (CE) parallel zur Einschaltentlastungsinduktivität (LE). Zur Entladung des Kondensators (CE) dient der parallel liegende Widerstand (RE). Im Fehlerfall, bei Überstrom oder Kurzschluss, wird die am Kondensator (CE) auftretende Spannung, die ja auch die beim Ausschalten am entlasteten Schalter auftretende Überspannung bestimmt, durch eine Avalanchdiode (DA) begrenzt.

[0018] Figur 2 stellt das resonante Einschaltentlastungsnetzwerk mit einem DC/DC Konverter zur Entladung des Kondensators dar. Der DC/DC Konverter ist als Sperrwandler ausgeführt. Die Kondensatorenergie wird in die Spannungsquelle U1 (die Eingangsspannung des Konverters) gespeist, der als Hoch-Tiefsetzsteller mit IGBT als aktivem Schalter dargestellt ist.

[0019] Die verlustarme Variante (Fig. 3) besteht, wie oben ausgeführt, aus einer Serienschaltung einer Diode (DE) mit einem Kondensator (CE) parallel zur Einschaltentlastungsinduktivität (LE). Zur Entladung des Kondensators (CE) dient die parallel liegende Serienschaltung des stromunidirektionalen Schalters, hier beispielhaft als Serienschaltung einer Diode und eines MOSFETs gezeichnet. Nachdem der Kondensator (CE) entladen ist, kommutiert der Strom in der Spule in den Zweig mit der Diode (DU). Die einem Tiefsetzsteller z.B. wird dann Klemme 1 an Masse, Klemme 2 an die Eingangsspannung (positiver Pol) und Klemme 3 an den zu entlastenden Schalter angeschlossen. 3/7

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT505 534B1 2011-07-15 [0020] Figur 4 zeigt dies nun an einem Tiefsetzsteller. Der aktive Schalter des Tiefsetzstellers ist hier als GTO gezeichnet, auch um anzudeuten, dass dieses Entlastungsnetzwerk bei großen Leistungen zum Einsatz kommen kann. Die Diode (D) ist die Freilaufdiode des Konverters und die Spule (LF) und der Kondensator (CF) das Ausgangsfilter. Die Last wird an die Klemmen parallel zum Kondensator (CF) angeschlossen. [0021] In Fig. 5 wird das verlustarme resonante Einschaltentlastungsnetzwerk bei einem Hochsetzsteller angewendet. Der eigentlich Hochsetzsteller besteht aus der Spule (L), dem aktiven Schalter (S), der Freilaufdiode (D) und dem Ausgangskondensator (C). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) und die Freilaufdiode (D) in die Ausgangsspannung. [0022] In Fig. 6 wird das verlustarme resonante Einschaltentlastungsnetzwerk bei einem Hoch-Tiefsetzsteller angewendet. Der eigentlich Hoch-Tiefsetzsteller besteht aus der Spule (L), dem aktiven Schalter (S), der Freilaufdiode (D) und dem Ausgangskondensator (C). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) in die Eingangsspannung. [0023] Man erkennt aus diesen Beispielen, dass die resonante Einschaltentlastung universell einsetzbar ist. Figur 7 zeigt abschließend die Anwendung bei einem CUK Konverter. Dieser besteht in seiner Grundstruktur aus den Spulen (L1, L2), dem aktiven Schalter (S), dem passiven Schalter (D) und den Kondensatoren (C1, C2). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) und die Freilaufdiode (D) in den Kondensator (C2). Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, bestehend aus einer ersten Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird, bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem großen Kondensator entmagnetisiert ist.
4. 4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7