AT512623B1

AT512623B1 - Spannungsbegrenzer mit Rückspeisung

Info

Publication number: AT512623B1
Application number: ATA284/2012A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-07-15
Also published as: AT512623A1

Abstract

Parasitäre Induktivitäten sind nicht zu vermeiden. Sie treten bei jeder realen Schaltung auf und hängen von den geometrischen Abmessungen des Schaltungsaufbaus ab. Werden gekoppelte Spulen verwendet, so kommt noch die nicht vermeidbare Streuinduktivtät der gekoppelten Spulen ins Spiel. Ein einfacher Spannungsbegrenzer besteht aus einem Kondensator C1 in Serie mit einer Diode D1. Um die Energie im Kondensator nicht zu groß werden zu lassen, lässt man die Spannung am Begrenzernetzwerk, das ist auch die maximal am Schalter auftretende Spannung, bis zu einem vorgegebenen Wert steigen und entlädt den Kondensator C1 über den Hilfsschalter S1 und die Spule L dann ganz oder teilweise durch einen Schwingvorgang z.B. in die Eingangsspannungsquelle U. Dadurch steht diese in den Streu- bzw. parasitären Induktivitäten gespeichert Energie großteils wieder zur Verfügung. Es ist eine potentialbehaftete und eine potentialfreie Variante mit gekoppelten Spulen möglich.

Description

Beschreibung

SPANNUNGSBEGRENZER MIT RÜCKSPEISUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Spannungsbegrenzernetzwerk, bestehend aus einer, zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator C1 und einer ersten Diode D1, einer Spule L, einer zweiten Diode D2 und einem aktiven Schalter S1 mit Ansteuerung.

[0002] Parasitäre Induktivitäten sind nicht zu vermeiden. Sie treten bei jeder realen Schaltung auf und hängen von den geometrischen Abmessungen des Schaltungsaufbaus ab. Kurze Verbindungsstrecken einerseits und genaue Analyse der Auswirkung der Induktivität andererseits und davon ausgehend geschicktere Verdrahtung sind entscheidend. Werden gekoppelte Spulen verwendet, so kommt noch die nicht vermeidbare Streuinduktivtät der gekoppelten Spulen ins Spiel. Besonders Konverter mit Potentialtrennung, aber auch Konverter, die Spartrafostrukturen verwenden, müssen mit diesem Problem leben. Neben dem Versuch die Ansteuerung so zu geschalten, dass der Strom im kritischen Bauteil null ist wenn ausgeschaltet wird, gibt es zwei mögliche Zusatzbeschaltungen, nämlich Entlastungsnetzwerke und Überspannungsbegrenzungsnetzwerke. Entlastungsnetzwerke verringern zusätzlich die Schaltbelastung des damit beschalteten Schaltelements, während Spannungsbegrenzer nur die maximale Spannung am Schaltelement begrenzen. Ein einfacher Spannungsbegrenzer besteht aus einem Kondensator in Serie mit einer Diode. Beim Ausschalten wird die überschüssige Energie, das ist die Energie der parasitären Induktivitäten bzw. die Energie der Streuinduktivität, in den Kondensator geladen. Damit die Spannung am Kondensator nun nicht beliebig ansteigt und damit auch die Spannung am zu schützenden Bauteil, muss die Energie am Kondensator begrenzt werden. Dies geschieht z.B. durch Umformung in Wärme in einem Widerstand. Für kleine Konverter ist das eine einfache Lösung, die zwar auf Kosten des Wirkungsgrads geht, aber leicht zu realisieren ist. Bei höheren Streuenergien sollte aber doch eine Spannungsbegrenzung mit Energierückgewinnung in Betracht gezogen werden. Im Artikel K.H. Edelmoser, F. A. Himmelstoss: DC-to-DC Solar Converter with Controlled Active Clamping System, Conference on Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC’06 Portoroz, Slovenia Aug. 30- Sept. 1,2006, pp. 124-127 wird für einen Solarkonverter, der bei niedriger Betriebsspannung und daher mit hohem Strom arbeitet, ein aktives Spannungsbegrenzernetzwerk eingesetzt. Dabei wird ein kleiner DC/DC Konverter verwendet, der die Energie des Kondensators und daher auch seine Spannung konstant hält.

[0003] Bedingt durch die niedrigen Spannungsniveaus kann mit leicht erhältlichen integrierten Steuerschaltungen ein passender Tiefsetzsteller realisiert werden, der zu einer merkbaren Verbesserung des Wirkungsgrads führt.

[0004] Im Folgenden wird die Patentliteratur besprochen. EP 0427594 A1 (MARELLI AUTRO-NICA) zeigt eine Vorrichtung um die Überspannung an einem oder mehreren aktiven Schaltern zu begrenzen. Es wird auch hier die überschüssige magnetische Energie in einen Kondensator transferiert, der durch eine Diode getrennt parallel zum zu schützenden Schalter liegt. Die Energie des Kondensators wird dann mittels eines Tiefsetzstellers in die Versorgungsspannung zurückgespeist. Dieses Konzept unterscheidet sich deutlich von dem Konzept der gegenständlichen Erfindung. Obwohl dieselbe Anzahl und Sorte Bauelemente verwendet wird, wurden sie anders zusammengeschaltet. Auch sind der Ablauf und die Funktion der Schaltung eine andere wie aus der später folgenden Beschreibung ersichtlich wird. Es handelt sich bei der gegenständlichen Erfindung nicht um einen Tiefsetzsteller mit dem die Energie zurückgespeist wird.

[0005] DE 3634990 A1 (SCHRACK ELEKTRONIK-AKTIENGESELLSCHAFT) zeigt eine interessante Methode zur Spannungsbegrenzung für Sperr- oder Durchflusswandler und einen guten Überblick über den weiteren Stand der Technik. Alle hierin besprochenen Vorrichtungen sind im Gegensatz zur gegenständlichen Erfindung rein passiv, benötigen also keinen zusätzlichen aktiven Schalter. Um den Einfluss des Stroms zu kompensieren wird mittels einer Hilfs-

Wicklung ein dem Strom proportionaler Anteil in das Überspannungsnetzwerk gespeist.

[0006] Zusammenfassend gilt für beide Patentanmeldungen, dass sich die Vorrichtungen topologisch als auch funktionsmäßig unterscheiden. Ein Vorteil der gegenständlichen Erfindung ist auch die Möglichkeit, sie bei aktiven Schaltern anzuwenden, die nicht gegen Masse geschaltet sind. Ebenso eignet sich die Schaltung unabhängig vom Laststrom. Der Rückspeisvorgang wird dann nur seltener durchgeführt.

[0007] Die weiteren Dokumente zeigen den weiteren Stand der Technik.

[0008] US 3819986 A (SONY CORPORATION) zeigt eine Längsreglerschaltung, bei der im Fehlerfall (bei Durchlegieren des Längsreglers oder bei fehlerhafter Ansteuerung, die zu einem dauernden Durchschalten des Längstransistors führt) bei einer gewissen Überspannung am Ausgang ein Thyristor gezündet wird, der die Schaltung über das Auslösen einer Sicherung von der Versorgungsspannung trennt.

[0009] US 6373731 B1 zeigt eine Überspannungsbegrenzung, die auf die Reduktion der Schaltgeschwindigkeit abzielt. Dies ist besonders bei der Kurzschlussstromabschaltung bei Umrichter interessant. Durch die Reduktion der Schaltgeschwindigkeit sinkt auch die an den parasitären Induktivitäten auftretenden Spannungen.

[0010] JPH1169799 A (ΤΟΚΟ INC) zeigt eine Überspannungsüberwachung der Ausgangsspannung eines Hochsetzstellers. Wird eine gewisse Ausgangsspannung überschritten, wird der aktive Schalter gesperrt und somit keine neue Energie zugeführt.

[0011] Bei der gegenständlichen Erfindung wird nun ein anderer Weg eingeschlagen. Man verwendet keine fixe Spannungsbegrenzerspannung, sondern lässt die Spannung am Begrenzernetzwerk, das ist auch die maximal am Schalter auftretende Spannung, bis zu einem vorgegebenen Wert steigen und entlädt den Kondensator dann ganz oder teilweise durch einen Schwingvorgang z.B. in die Eingangsspannungsquelle. Dadurch steht diese in den Streu- bzw. parasitären Induktivitäten gespeicherte Energie großteils wieder zur Verfügung. Auch die Ansteuerung ist relativ simpel. Wenn die Spannung am Begrenzernetzerk den maximalen Wert übersteigt (leicht zu detektieren mit einem Komparator) und gleichzeitig der zu schützende Schalter eingeschaltet wird (diese zweite Bedingung ist aber nicht grundsätzlich nötig, sondern erleichtert nur die Ablaufsteuerung), wird der resonante Umladevorgang ausgelöst. Der Rückspeisevorgang erfolgt also abhängig von der überschüssigen Energie. Bei kleinen Strömen sind auch die Energien, die pro Schaltvorgang vom Begrenzernetzwerk aufzunehmen sind, entsprechend geringer, der Umschwingvorgang erfolgt seltener.

[0012] Die Figuren stellen dar: einen Tiefsetzer mit Spannungsbegrenzer (Fig. 1) und die beiden Grandausformungen der gegenständlichen Erfindung und zwar potentialbehaftet (Fig. 2) und potentialfrei (Fig. 3).

[0013] Die Abbildung Fig. 1 stellt einen Tiefsetzsteller, wie er z.B. als Motorantrieb vorkommt, dar. Die eigentliche Last ist als Stromquelle I repräsentiert und der Steller besteht aus dem aktiven Schalter S, beispielhaft durch einen IGBT gezeichnet und der Freilaufdiode D. In L6 ist die Streuinduktivität zusammengefasst. Diese kann aber auch durch die Stromanstiegsbegrenzungsspule gebildet sein. Über die Diode D1 kann die Streuinduktivität ihre Energie an den Kondensator C1 abgeben. Die Diode D2, die Spule L und der aktive Schalter S1, beispielhaft als MOSFET dargestellt, bilden die Rückspeisevorrichtung um Energie aus dem Kondensator C1 in die Quelle U, die gleichzeitig die Versorgung des Tiefsetzers ist, zu transportieren.

[0014] Fig. 2 stellt die Grundschaltung des Spannungsbegrenzers mit Rückspeisung dar. Der zu schützende Schalter wird beim Spannungspfeil us angeschlossen, die Quelle, in die zurückgespeist wird, wird durch den Spannungspfeil U repräsentiert. Man erkennt, ein Pol des zu schützenden Schalters und ein Pol (der negative) der Quelle, in die zurückgespeist wird, sind miteinander verbunden.

[0015] Fig. 3 zeigt die Grundschaltung des Spannungsbegrenzers mit potentialfreier Rückspeisung. Der zu schützende Schalter wird beim Spannungspfeil us angeschlossen, die Quelle, in die zurückgespeist wird, beim Spannungspfeil U.

[0016] Die Schaltung soll an Hand eines Tiefsetzstellers erklärt werden (Fig. 1). Die Stromquelle repräsentiert die Lastinduktivität (z.B. eine Maschinenwicklung), die Quelle der Streuinduktivität, beispielhaft durch L6 gezeichnet, spielt aber für die Untersuchung des Rückgewinnungsvorgangs keine Rolle. Sie ist aber die Ursache, dass sich der erste Kondensator C1 auf eine Spannung größer als die Betriebsspannung U auflädt. Der Energietransfer vom ersten Kondensator C1, der auf die Spannung U-xaufgeladen ist (x>1), in die Spannung U mit dem Wert U kann bei eingeschaltetem aktivem Schalter S1 und leitender Diode D2 ab dem Einschaltzeitpunkt (t=0) des aktiven Schalters S1 durch die Differentialintegralgleichung

[0017] beschrieben werden. Der Umschwingstrom ergibt sich damit zu

[0018] Diese Gleichung ist nur gültig, solange der Strom positiv ist. Wird der Strom null, so sperrt die Diode D2, der Stromfluss ist beendet. Der Spannungsverlauf an der Begrenzerkapazität C1 ergibt sich zu

Der Kondensator C1 entlädt sich daher von

auf den Wert

[0019] Man erkennt, der Kondensator wird vollständig entladen, wenn er auf die doppelte Spannung als die Spannung der Quelle, in der die Energie transportiert werden muss, aufgeladen war. War er mehr als doppelt so stark aufgeladen, würde die Spannung am Kondensator negativ werden. Ist der zu entlastende Schalter eingeschaltet, so wird die Entlastungsdiode D1 einschalten und die Spannung auf einen leicht negativen Wert klemmen. Der Rückspeisestrom wäre ab dann nicht mehr sinusförmig, sondern würde linear abnehmen. Man könnte auch parallel zum Kondensator C1 eine weitere Diode schalten, um zu verhindern, dass die Spannung an ihm negativ wird. Welchen Wert man für x nehmen wird ist von der konkreten Anwendung abhängig.

[0020] Die besprochene Struktur ist besonders für gegen Masse geschaltete zu schützende Schalter (low side switch) geeignet. Man kann aber auch die Umschwingspule durch zwei miteinander gekoppelte Spulen ersetzen. Durch die Trafowirkung kann eine Potentialtrennung erzielt werden. Es ist nun nicht mehr nötig, dass zu schützender Schalter und Quelle, in die eingespeist werden soll, galvanisch verbunden sind. So können auch high side switches geschützt werden, oder die Energie auf eine potentialgetrennte Seite des Konverters gespeist werden. Die Sekundärseite des Trafos, die zweite der gekoppelten Spulen, kann natürlich nicht direkt an die Quelle, in die gespeist werden soll, angeschlossen werden. Um den Gleichanteil aufzunehmen ist ein Kondensator in Serie zur Wicklung zu schalten.

[0021] Schaltungstechnisch ist darauf zu achten, dass die Quelle, in die gespeist werden soll, eine geringe Impedanz aufweist. Das ist dadurch sicherzustellen, dass im Begrenzernetzwerk ein Kondensator parallel zu dieser geschaltet ist. Damit ist es auch möglich, dass die Quelle, in die gespeist werden soll, mechanisch weiter weg vom zu schützenden Schalter angeordnet ist, da die Leitungsinduktivität durch diesen Kondensator nicht mehr stört.

[0022] Um Schwingungen zwischen Schalterkapazität und Verdrahtungsinduktivitäten zu vermeiden, können parallel zu den elektronischen Schaltern Serienschaltungen eines Widerstands mit einem Kondensator geschaltet werden.

[0023] Die Aufgabe, die in parasitären Induktivitäten oder in Streuinduktivitäten gespeicherte Energie zu nutzen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass parallel zum ersten Kondensator C1 eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter S1, zweiter Diode D2, Spule L und aufnehmender Spannung U geschaltet ist oder dass parallel zum ersten Kondensator C1 eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter S1, zweiter Diode D2, erster Spule L1 und an die aufnehmende Spannung U eine Serienschaltung, bestehend aus zweiter Spule L2 und zweitem Kondensator C2, geschaltet ist. Um parasitäre Schwingungen zu vermeiden kann parallel zum schützenden Bauelement eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet sein. Ebenso kann parallel zum Schalter S1 eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet sein. Damit die aufnehmende Spannung aus der Sicht der Rückspeiseeinheit des Spannungsbegrenzers niederimpedant ist, sollte parallel zur aufnehmenden Spannung U ein weiterer Kondensator geschaltet werden. Um negative Spannung, die unter bestimmten Umständen am Kondensator C1 auftreten, zu vermeiden kann parallel zum ersten Kondensator C1 eine weitere Diode geschaltet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Spannungsbegrenzernetzwerk, bestehend aus einer zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einer ersten Diode (D1), einer Spule (L), einer zweiten Diode (D2), einer aufnahmefähigen Spannungsquelle (U) und einem aktiven Schalter (S1) mit Ansteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (C1) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (S1), zweiter Diode (D2), Spule (L) und aufnehmender Spannungsquelle (U), geschaltet ist.
2. Spannungsbegrenzernetzwerk, bestehend aus einer, zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einer ersten Diode (D1), zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen (L1, L2), einer zweiten Diode (D2), einem zweiten Kondensator (C2), einer aufnahmefähigen Spannungsquelle (U) und einem aktiven Schalter (S1) mit Ansteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (C1) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (S1), zweiter Diode (D2), erster Spule (L1) und an die aufehmende Spannung (U) eine Serienschaltung, bestehend aus zweiter Spule (L2) und zweitem Kondensator (C2), geschaltet ist.
3. Spannungsbegrenzernetzwerk gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum schützenden Bauelement eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet ist.
4. Spannungsbegrenzernetzwerk gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schalter (S1) eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet ist.
5. Spannungsbegrenzernetzwerk gemäß Ansprach 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur aufnehmenden Spannungsquelle (U) ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
6. Spannungsbegrenzernetzwerk gemäß Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (C1) eine weitere Diode geschaltet ist Hierzu 1 Blatt Zeichnung