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DE19620803A1 - Circuit arrangement for limiting current during switching on of load e.g for motor vehicle or photovoltaic applications - Google Patents

Circuit arrangement for limiting current during switching on of load e.g for motor vehicle or photovoltaic applications

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DE19620803A1
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Ulrich Prof Dipl Ing Schlienz
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ABAC ELEKTRONISCHE KOMMUNIKATIONSEINRICHTUNGEN GMB
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Abstract

The circuit arrangement for limiting the current during switching on an electric load (15) e.g. a voltage converter, with at least one electric switch (8 or 9) connected in-series to the load. Also with an inductance (1) connected in-series to the load, which determines the current limit value. A capacitor (4) is provided arranged parallel to the load, is supplemented with a diode (5) connected in-series to the load. A switch (6) is provided parallel to the diode (5), which allows a controlled current flow in both directions through the capacitor (4).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem klassischen Schaltregler wie zum Beispiel dem Eintaktflußwandler, dem Sperrwandler oder dem Gegentaktwandler und betrifft vor allem Wandler zur Spannungserhöhung, wie sie bei Kraftfahrzeug- oder Photovoltaikanwendungen vorkommen.The invention is based on a classic switching regulator such as the single-ended forward converter, the flyback converter or the push-pull converter and especially affects converters to increase the voltage, as in automotive or Photovoltaic applications occur.

Dort werden die Leistungsschalter möglichst schnell geschaltet, um die Schaltverluste klein zu halten.The circuit breakers are there as quickly as possible switched to keep the switching losses small.

Die Leistungsschalter schalten magnetische Bauteile, bei denen ein schnelles Schalten durchaus möglich und er­ wünscht ist, doch haben alle magnetischen Bauteile auch parasitäre Kapazitäten, die beim Ein- bzw. Umschalten zu Stromspitzen führen. Der gleiche Effekt tritt durch die Sperrverzugszeiten von Dioden auf, die im Leistungspfad vorhanden sind.The circuit breakers switch on magnetic components which a quick shift is quite possible and he is desired, but all magnetic components also have parasitic capacitances that when switching on or over Lead current peaks. The same effect occurs through the Blocking delay times of diodes on that in the power path available.

Die Stromspitzen führen mit den vorhandenen Induk­ tivitäten zu Schwingungen.The current peaks lead with the existing induc activities related to vibrations.

Beide Effekte bedeuten Streß für die Bauelemente, Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades und erhöhte Hochfrequenz­ abstrahlung der Schaltung.Both effects mean stress for the components, Ver  deterioration in efficiency and increased radio frequency radiation of the circuit.

Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung war es, die Stromspitzen und die Schwingungen zu unterdrücken, indem eine verlustlose Strombegrenzung vor den eigentlichen Wandler geschaltet wird.The object of the present invention was that Current peaks and to suppress the vibrations by a lossless current limitation before the actual ones Converter is switched.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die hauptsächlichen Auslöser der Überschwinger in einem Wandler sind - am Beispiel des Gegentaktwandlers er­ läutert - die Sperrverzugszeiten der Dioden (10) und (11) und die Wicklungskapazitäten des Transformators (7).The main triggers of the overshoot in a converter are - using the example of the push-pull converter he explains - the blocking delay times of the diodes ( 10 ) and ( 11 ) and the winding capacities of the transformer ( 7 ).

Zusammen mit den zwangsläufig vorhandenen Streuinduk­ tivitäten im Transformator (7) entstehen beim Schaltvor­ gang aus der Stromspitze gedämpfte Schwingungen.Together with the inevitably existing leakage inductances in the transformer ( 7 ), damped vibrations arise from the current peak during the switching operation.

Zur Vermeidung der Stromspitze beim Ein- bzw. Umschalten des Transformators wird die Induktivität (1) zwischen die Eingangsspannung und den Schaltregler (15) als Längsin­ duktivität geschaltet. Sie wirkt somit als induktiver Vorwiderstand.To avoid the current peak when switching on or switching over the transformer, the inductance ( 1 ) is connected between the input voltage and the switching regulator ( 15 ) as a longitudinal inductance. It therefore acts as an inductive series resistor.

Der Strom in einer Induktivität kann sich nicht sprunghaft ändern, so daß im Einschaltmoment von (8) oder (9) der Strom durch (1) unverändert weiter fließt. (1) begrenzt den Einschaltstrom auf den momentan in (1) vorhandenen Stromwert und schneidet damit die Stromspitze ab, die ohne (1) vorhanden wäre.The current in an inductance cannot change abruptly, so that the current flows through ( 1 ) unchanged when ( 8 ) or ( 9 ) is switched on. ( 1 ) limits the inrush current to the current value currently in ( 1 ) and thus cuts off the current peak that would be present without ( 1 ).

Gleichzeitig fällt an (1) eine Spannung ab, deren Höhe bis nahezu an die Höhe der Eingangsspannung Ue reichen kann. Der Transformator (7) liegt dadurch an einer ver­ ringerten Eingangsspannung an.At the same time, a voltage drops across ( 1 ), the level of which can reach almost the level of the input voltage U e . As a result, the transformer ( 7 ) is connected to a reduced input voltage.

Trotzdem fließt der Nennstrom durch den Trafo (7), wo­ durch einerseits die beschriebenen Kapazitäten gemächlich aufgeladen werden, bis sie die Nennspannung erreicht haben und andererseits die Dioden (10) oder (11) mit einem begrenzten Sperrstrom in den sperrenden Zustand übergeführt werden. Die Primärspannung am Wandler stellt sich dabei zu jedem Zeitpunkt automatisch auf den dafür notwendigen Wert ein. Nevertheless, the nominal current flows through the transformer ( 7 ), where on the one hand the capacities described are slowly charged until they have reached the nominal voltage and on the other hand the diodes ( 10 ) or ( 11 ) are converted into the blocking state with a limited reverse current. The primary voltage at the converter adjusts itself automatically to the necessary value at any time.

Sperren (8) und (9) (während taus), muß der Strom durch (1) weiter fließen. Hierzu dient der Kondensator (4), der den Strom über die Diode (5) aufnimmt. Ohne weitere Schaltungsmaßnahmen würde die Spannung auf (4) mit jedem Ausschaltvorgang weiter ansteigen, da der Kondensator (4) niemals entladen würde.Block ( 8 ) and ( 9 ) (during t off ), the current must continue to flow through ( 1 ). The capacitor ( 4 ), which takes up the current via the diode ( 5 ), serves this purpose. Without further switching measures, the voltage on ( 4 ) would increase with each switch-off process, since the capacitor ( 4 ) would never be discharged.

Zur Entladung von (4) dient der Transistor (6), der immer kurz nach Ablauf des Einschaltvorganges eingeschaltet wird und nur kurz vor dem Einschaltvorgang ausgeschaltet wird, wie in Fig. 2 dargestellt.The transistor ( 6 ) is used to discharge ( 4 ), which is always switched on shortly after the switch-on process has ended and is switched off only shortly before the switch-on process, as shown in FIG. 2.

Im leitenden Zustand von (6) kann der Strom in beiden Richtungen durch (6) fließen. Ist die Spannung auf (4), bedingt durch den Einschaltvorgang größer als Ue, so fließt ein Teil der Stromaufnahme des Wandlers (15) aus (4), wodurch dieser zwangsläufig wieder auf den ursprüng­ lichen Wert entladen wird.In the conductive state of ( 6 ), the current can flow through ( 6 ) in both directions. If the voltage on (4) is greater than U e due to the switch-on process, part of the current consumption of the converter ( 15 ) flows out ( 4 ), which inevitably discharges it back to the original value.

Die Spannung auf (4) stellt sich damit auf einen Wert ein, der nur geringfügig über Ue liegt.The voltage on ( 4 ) thus adjusts to a value that is only slightly above U e .

Durch die Strombegrenzung wird der Einschaltvorgang verlangsamt, was nur in bestimmten Grenzen erwünscht ist.The switch-on process is due to the current limitation slows down, which is only desirable within certain limits.

Mit der Ergänzung einer zweiten Wicklung (2), die mit (1) magnetisch verkoppelt ist, und der Diode (3) kann er­ reicht werden, daß zusätzlich zur Strombegrenzung eine untere Spannungsbegrenzung erfolgt. Dazu stützt sich die Wicklung (2) über die Diode (3) auf der negativen Strom­ versorgung ab und stellt über das Übersetzungsverhältnis von (1) und (2) die minimal mögliche Primärspannung am Eingang von (15) ein.With the addition of a second winding ( 2 ), which is magnetically coupled to ( 1 ), and the diode ( 3 ), it can be sufficient that, in addition to the current limitation, there is a lower voltage limitation. For this purpose, the winding ( 2 ) is supported by the diode ( 3 ) on the negative power supply and sets the minimum possible primary voltage at the input of ( 15 ) via the transmission ratio of ( 1 ) and ( 2 ).

Dieser Betriebsmodus ist besonders bei langen taus-Zeiten vorteilhaft, weil dann der Strom durch (1) im Einschalt­ moment einen zu kleinen Wert haben kann und unnötig viel Zeit für den Stromanstieg bis zum Nennstrom vergehen würde. Die magnetisch verkoppelten Wicklungen (1) und (2) wirken transformatorisch und liefern schon ab dem ersten Moment des Einschaltens einen definierten Spannungsstart­ wert, durch den der Stromstartwert für einen konkreten Wandler (15) eingestellt werden kann.This operating mode is particularly advantageous with long t off times, because then the current through ( 1 ) at switch-on torque can be too small and unnecessarily much time would pass for the current rise to the nominal current. The magnetically coupled windings ( 1 ) and ( 2 ) act as transformers and deliver a defined voltage start value from the very first moment they are switched on, by means of which the current start value can be set for a specific converter ( 15 ).

Beide Funktionen zusammen erlauben ein genaues Einstellen der Dauer des Umschaltvorganges und des maximal auftre­ tenden Stromes.Both functions together allow precise setting the duration of the switching process and the maximum tendency current.

Die Diode (3) wird nur mit einem kurzen Stromimpuls zu Beginn des Einschaltvorganges belastet und bleibt die übrige Zeit stromlos. Dadurch kann sie relativ klein gewählt werden. Für kleine Eingangsspannungen Ue wird sie zweckmäßigerweise als Schottky-Diode ausgeführt, da diese praktisch keine Sperrverzugszeiten aufweisen.The diode ( 3 ) is only loaded with a short current pulse at the start of the switch-on process and remains de-energized for the rest of the time. As a result, it can be chosen to be relatively small. For small input voltages U e , it is expediently designed as a Schottky diode, since these have practically no blocking delay times.

Für die Diode (5) kann in dem hier vorliegenden speziel­ len Fall die interne Body-Diode von (6) verwendet werden.The internal body diode of ( 6 ) can be used for the diode ( 5 ) in the present special case.

Ihre relativ große Sperrverzugszeit tritt hier nicht auf, da (6) die eventuell noch leitende Diode (5) durch einen Parallelkurzschluß von den Ladungsträgern befreit, sie also bei Diodenspannung Null ausschaltet.Their relatively long blocking delay time does not occur here, since ( 6 ) the possibly still conducting diode ( 5 ) is freed from the charge carriers by a parallel short circuit, that is, it switches off at zero diode voltage.

Der Kondensator (4) wird ebenfalls mit einem im­ pulsförmigen Strom belastet, der vorwiegend beim Abschal­ ten von (8) oder (9) auftritt und in den Einschaltzeiten von (8) oder (9) auf kleine Werte abklingt, so daß ins­ gesamt der Stromeffektivwert durch (4) nur ein Bruchteil des Wandlerstromes beträgt. The capacitor ( 4 ) is also loaded with a pulsed current, which occurs mainly when switching off ( 8 ) or ( 9 ) and decays in the on times of ( 8 ) or ( 9 ) to small values, so that the total RMS current through ( 4 ) is only a fraction of the converter current.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht die Reduzierung der Einschaltstromspitze bei hart schaltenden Wandlern bei gleichzeitiger Reduzierung der Schaltver­ luste und der Stoßstrombelastung in den Leistungsschal­ tern und vermeidet dabei zusätzliche Verluste in einem ohmschen Widerstand.The circuit arrangement according to the invention enables Reduction of the inrush current peak with hard switching Converters while reducing the switching ver and the surge current load in the power scarf and avoids additional losses in one ohmic resistance.

(6) schaltet praktisch verlustleistungsfrei, da entweder die geschaltete Spannung oder der geschaltete Strom nahezu Null sind.( 6 ) switches practically without loss of power, since either the switched voltage or the switched current are almost zero.

Die Belastung des Wandlertrafos (7) mit hochfrequenten Strömen unterbleibt, wodurch der Skineffekt gegenüber dem harten Schalten stark reduziert wird.The transformer transformer ( 7 ) is not loaded with high-frequency currents, which greatly reduces the skin effect compared to hard switching.

Auch an den Wicklungsaufbau des Trafos werden weniger harte Anforderungen gestellt, da eine größere Wick­ lungskapazität verkraftet werden kann.There is also less on the winding structure of the transformer made tough demands because of a larger wick capacity can be coped with.

Ein eventuell vorhandener sekundärseitiger Gleichrichter (hier (10) und (11) muß spannungsmäßig nicht überdimen­ sioniert werden und wird während der Sperrverzugszeit mit einem reduzierten Strom belastet.Any secondary rectifier (here ( 10 ) and ( 11 )) does not have to be over-dimensioned in terms of voltage and is loaded with a reduced current during the blocking delay time.

(5) kann die sowieso vorhandene Body-Diode von (6) sein.( 5 ) can be the body diode of ( 6 ) that is present anyway.

Zur Verminderung der Abschaltverluste von (8) und (9) kann eine Kapazität parallel zur Drain-Source-Strecke geschaltet werden, ohne daß diese beim Einschalten stören würde (Nachteil aller Snubber-Netzwerke).In order to reduce the switch-off losses of ( 8 ) and ( 9 ), a capacitance can be connected in parallel to the drain-source path without this interfering when switched on (disadvantage of all snubber networks).

Der Kondensator (4) führt nur eine (einstellbaren) Teil des Laststromes.The capacitor ( 4 ) carries only an (adjustable) part of the load current.

Insgesamt führt die Maßnahme durch die Vermeidung der hochfrequenten Schwingungen zu einer deutlichen Reduzie­ rung der elektromagnetischen Abstrahlung und macht zusätz­ liche Entstörfilter entbehrlich.Overall, the measure leads by avoiding the high-frequency vibrations for a clear reduction  electromagnetic radiation and makes additional Eliminate interference filters.

Da die Strombegrenzung bereits eingangsseitig erfolgt, wirkt sie auf alle parasitären Effekt, sowohl auf der Primärseite des Wandlers, als auch auf dessen Sekundär­ seite.Since the current limitation is already on the input side, it acts on all parasitic effect, both on the Primary side of the converter, as well as on its secondary page.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung beim Einschal­ ten einer elektrischen Last (15), mit wenigstens einem in Serie zur Last (15) geschalteten elektrischen Schalter (8) oder (9) und mit einer zur Last in Serie geschalteten Induktivität (1), die den Stromgrenzwert bestimmt.1. Circuit arrangement for current limitation when switching on an electrical load ( 15 ), with at least one series-connected load ( 15 ) connected electrical switch ( 8 ) or ( 9 ) and with an inductance ( 1 ) connected in series with the load, which Current limit determined. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß parallel zur Last (15) der Kondensator (4) mit der dazu in Serie geschalteten Diode (5) ergänzt wird.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that parallel to the load ( 15 ), the capacitor ( 4 ) with the series-connected diode ( 5 ) is supplemented. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß parallel zur Diode (5) ein Schalter (6) vorgesehen wird, der einen gesteuerten Stromfluß in beide Richtungen durch (4) erlaubt.3. A circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a switch ( 6 ) is provided in parallel to the diode ( 5 ), which allows a controlled current flow in both directions through ( 4 ). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Induktivität (1) eine zweite, magnetisch gekoppelte Wicklung (2) erhält, die mit einem Wicklungsende über die Diode (3) an die negative Strom­ versorgung angeschlossen wird und die mit dem zweiten Wicklungsende an den Knoten angeschlossen wird, an dem auch der Kondensator (4) und die Wicklung (1) angebunden sind.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the inductance ( 1 ) receives a second, magnetically coupled winding ( 2 ) which is connected to the negative current supply with one winding end via the diode ( 3 ) and which with the second End of the winding is connected to the node to which the capacitor ( 4 ) and the winding ( 1 ) are also connected. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Wicklung (2) deutlich weni­ ger Windungen enthält, als die erste Wicklung (1) und damit die am Wandler (15) anliegende Primärspannung im Strombegrenzungsfalle auf einen definierten Wert redu­ ziert.5. A circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the second winding ( 2 ) contains significantly fewer turns than the first winding ( 1 ) and thus the primary voltage applied to the converter ( 15 ) is reduced to a defined value in the current limiting case. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schalter (6) kurz vor dem Einschal­ ten von (8) oder (9) ausgeschalten wird und kurz danach wieder eingeschalten wird.6. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the switch ( 6 ) shortly before switching on th of ( 8 ) or ( 9 ) is switched off and is switched on again shortly thereafter. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Induktivitätswert von (1) so dimen­ sioniert wird, daß der Strom durch (1) nahezu dem mitt­ leren Laststrom des Wandlers entspricht.7. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the inductance value of ( 1 ) is dimen sioned so that the current through ( 1 ) almost corresponds to the mean load current of the converter.
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