DE19813769A1 - Schaltung zum Versorgen einer Last mit einer Gleichspannung - Google Patents

Abstract

Bei einer Schaltung zum Versorgen einer Last mit einer Gleichspannung ist eine Diode (24) in einen Strompfad zum Versorgen der Last geschaltet, ein Hochsetzsteller (34, 36, 38) ist parallel zu der Diode (24) in den Strompfad geschaltet, und eine Steuereinrichtung (40) steuert den Hochsetzsteller (34, 36, 38) nach vorbestimmten Kriterien an, um die Last zumindest teilweise über den Hochsetzsteller (34, 36, 38) zu versorgen. Eine derartige Schaltung hat günstige Leistungsaufnahmeeigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen, die einen aufwendigen Filter erfordern, ist die erfindungsgemäße Schaltung kostengünstiger und/oder weist eine geringere Baugröße auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Versorgen einer Last mit einer Gleichspannung. Insbesondere ist die Erfindung für Netzteile hoher Leistung, beispielsweise im kW-Bereich, vorgesehen. Ein derartiges Netzteil kann beispielsweise das Netzteil eines Gradientenverstärkers oder eines Resonanzkon­ verters für einen Kernspintomographen sein. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für alle anderen Arten von Hochlei­ stungsnetzteilen.

Zur Versorgung einer Last mit einer Gleichspannung wird häu­ fig das Prinzip der Gleichrichtung mit kapazitiver Glättung angewandt. Fig. 1 zeigt beispielsweise einen Einweggleich­ richter, bei dem eine Netz-Wechselspannung U_N an einer als Gleichrichterdiode wirkenden Diode 10 anliegt. Die Diode 10 leitet nur dann, wenn die Netzspannung U_N positiver als eine an einem Glättungskondensator 12 anliegende Ausgangsspannung U_Z ist. Wenn der Glättungskondensator 12 hinreichend groß ausgelegt ist, erfolgt die Leistungsaufnahme aus dem Netz nur in einem eng begrenzten Zeitraum um das Maximum der Netzspan­ nung U_N. Dabei treten Stromspitzen auf, deren Höhe prinzi­ piell nur durch die Netzimpedanz begrenzt ist. Solche Strom­ spitzen verursachen unerwünschte Oberwellen im Netz und füh­ ren zu einer Abplattung der Netzspannung U_N im Bereich um das Spannungsmaximum.

Um diese unerwünschten Effekte zu reduzieren, wird der Gleichrichter gewöhnlich nicht direkt, sondern über einen passiven Filter (in Fig. 1 nicht dargestellt) an das Strom­ netz angeschlossen. Ein solcher Filter begrenzt und verteilt die Stromaufnahme aus dem Netz. Bei den hier interessierenden Leistungswerten ist ein hinreichend dimensionierter Filter groß, schwer und teuer. Überdies ist zu erwarten, daß sich die einschlägigen Vorschriften der Energieversorgungsunter­ nehmen in Zukunft verschärfen werden, wodurch der erforder­ liche Aufwand weiter ansteigen wird.

In Fig. 2 ist eine ebenfalls bekannte Gleichrichter-Brücken­ schaltung für ein dreiphasiges Stromnetz gezeigt. Drei Netz- Eingangsanschlüsse 20, 20', 20" sind über einen Filter 22 mit je einem Gleichrichterzweig verbunden. Jeder Gleichrichter­ zweig weist zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden 24, 26; 24', 26'; 24", 26" auf. Die drei Gleichrichterzweige sind untereinander und mit einem Glättungskondensator 28 parallel­ geschaltet. Insgesamt stellt die Schaltung nach Fig. 2 eine Ausgangsspannung U_Z bereit, die stets mindestens so groß wie die größte Differenz zwischen je zwei Phasen des dreiphasigen Stromnetzes ist. Dabei liegt der negative Pol der Ausgangs­ spannung U_Z an einem Ausgangsanschluß 30 an, und der positive Pol der Ausgangsspannung U_Z liegt an einem Ausgangsanschluß 32 an.

Auch bei dieser dreiphasigen Gleichrichterschaltung verur­ sacht der Filter 22 aus den bereits genannten Gründen einen erheblichen Aufwand.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, eine Schaltung zum Versorgen einer Last mit einer Gleichspannung bereitzustel­ len, die günstige Leistungsaufnahmeeigenschaften hat. Ins­ besondere soll die erfindungsgemäße Schaltung kostengünstiger sein und/oder eine geringere Baugröße aufweisen als herkömm­ liche Schaltungen, die einen aufwendigen Filter erfordern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprü­ che betreffen bevorzugte Ausgestaltungen dieser Schaltung.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, die Last nicht nur über eine oder mehrere Gleichrichterdioden, sondern zusätz­ lich durch mindestens einen Hochsetzsteller zur versorgen. Als Hochsetzsteller wird hierbei insbesondere jede Schaltung mit einer Induktivität und einem Schaltelement bezeichnet, die den Ausschaltspannungsstoß der Induktivität nutzt, um eine gegenüber einer Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung zu erzielen. Mit einem solchen Hochsetzsteller läßt sich auch dann Leistung aus einer Netzphase entnehmen, wenn die Span­ nung dieser Phase (bezogen auf das niedrigste Potential der anderen Phasen) geringer als die Ausgangsspannung der erfin­ dungsgemäßen Schaltung ist. Dadurch kann eine gleichmäßigere Netzbelastung erzielt werden.

Ein Gleichspannungsnetzteil mit einem Hochsetzsteller ist beispielsweise aus der DE 195 23 576 A1 bekannt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Hochsetzsteller parallel zu der Diode in den Strompfad zur Versorgung der Last anzu­ ordnen. Die heißt nicht notwendigerweise, daß diese beiden Komponenten unabhängig voneinander vorgesehen sein müssen. Die Diode kann vielmehr, neben ihrer Gleichrichterfunktion, auch als Bauteil des Hochsetzstellers dienen.

In bevorzugten Ausgestaltungen wird der Hochsetzsteller je nach einer eingangsseitig anliegenden Versorgungsspannung an­ gesteuert. Die Ansteuersignale können eine vorgegebene Fre­ quenz und/oder Impulsdauer aufweisen. Diese Parameter können jedoch auch variabel sein und gesteuert oder geregelt werden. In einer relativ einfachen Ausgestaltung wird der Hochsetz­ steller aktiviert, wenn die Versorgungsspannung einen vorbe­ stimmten Mindestpegel aufweist und außerdem einen vorbestimm­ ten Grenzwert unterschreitet. Ferner kann der Hochsetzsteller in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Schaltung ange­ steuert werden.

Der Hochsetzsteller weist bevorzugt eine Induktivität, eine Diode und ein Schaltelement auf. Die Induktivität kann über das Schaltelement mit der Versorgungsspannung verbunden werden.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind mehrere Dioden und mehrere Hochsetzsteller vorgesehen. Auch für diese Hochsetzsteller und deren Ansteuerung sind die oben erwähnten bevorzugten Weiterbildungen vorgesehen.

Die Schaltung beinhaltet vorzugsweise eine Brücken-Gleich­ richterschaltung. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Schaltung bereits mit einer gepulsten Gleichspannung versorgt wird. Vorzugsweise ist die Schaltung zum Anschluß an ein Drehstromnetz mit drei Phasen oder an ein Wechselspan­ nungsnetz mit einer Phase und einem Nulleiter ausgelegt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen genauer beschrie­ ben. Es stellen dar:

Fig. 1 und 2 Schaltbilder von Gleichrichterschaltungen nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 4a bis 4f Spannungs- und Ansteuersignalkurven beim Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 5a und 5b Spannungs- und Stromkurven bei Schwach- beziehungsweise Vollast, und

Fig. 6 eine Ausgangsspannungskurve bei Schwach- beziehungsweise Vollast.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Schaltungen sind eingangs bereits beschrieben worden. Die Schaltung nach Fig. 3 basiert auf der bekannten Drehstrom-Gleichrichterschaltung gemäß Fig. 2. Auch hier sind drei Eingangsanschlüsse 20, 20', 20", ein Filter 22, drei aus je zwei Dioden 24, 26; 24', 26'; 24", 26" gebildete Gleichrichterzweigpaare und ein mit Ausgangsan­ schlüssen 30, 32 verbundener Glättungskondensator 28 vorge­ sehen. Diese Bauteile sind ebenso wie in Fig. 2 verschaltet und bilden somit eine Gleichrichterschaltung für die an den Eingangsanschlüssen 20, 20', 20" anliegende, dreiphasige Netzspannung. Der Filter 22 ist an sich bekannt und weist mehrere in die Netzleitungen geschaltete Induktivitäten sowie mehrere Kondensatoren auf, die zwischen die Netzphasen und nach Erde geschaltet sind.

Eine Ausgangsspannung U_Z liegt an einer Last an, die aus dem Glättungskondensator 28 sowie weiteren, in Fig. 3 nicht ge­ zeigten Bauteilen gebildet ist. Die Last wird über mehrere Strompfade mit Leistung versorgt. Je einer dieser Strompfade läuft über die Dioden 24, 24', 24". Die Schaltung nach Fig. 3 kann beispielsweise in einem Netzteil eines Gradientenver­ stärkers vorgesehen sein. Die Ausgangsspannung U_Z ist dann zum Beispiel die Zwischenkreisspannung dieses Netzteils.

Jeder der drei Dioden 24, 24', 24" ist ein Hochsetzsteller parallelgeschaltet. Jeder Hochsetzsteller weist eine Induk­ tivität 34, 34', 34", eine in Reihe damit geschaltete Diode 36, 36', 36" und ein Schaltelement 38, 38', 38" auf. Bei dem parallel zu der Diode 24 angeordneten Hochsetzsteller sind ein erster Anschluß der Induktivität 34 und ein erster An­ schluß des Schaltelements 38 mit der Anode der Diode 36 ver­ bunden. Der zweite Anschluß der Induktivität 34 ist mit der Anode der Diode 24 verbunden, und die Kathoden der beiden Dioden 24 und 36 sind zusammengeschaltet. Der zweite Anschluß des Schaltelements 38 ist mit dem negativen Pol der Ausgangs­ spannung U_Z, also mit den Anoden der drei Dioden 26, 26', 26" und dem Ausgangsanschluß 30 verbunden. Die beiden weiteren Hochsetzsteller sind entsprechend aufgebaut. Als Schaltele­ mente 38, 38', 38" können zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs oder andere elektronische Schalter dienen.

Eine Steuereinrichtung 40 ist zur Erzeugung von Schaltsigna­ len für die drei Schaltelemente 38, 38', 38" vorgesehen. Als Eingangswerte gereift die Steuereinrichtung 40 die an den Dioden 26, 26', 26" anliegenden Versorgungsspannungen U_V, U_V', U_V" sowie die Ausgangsspannung U_Z ab. Als gemeinsamer Be­ zugspunkt dient hierbei der am Ausgangsanschluß 30 anliegende negative Pol der Ausgangs-Gleichspannung U_Z.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist - je nach den zu erzielenden Eigenschaften - in mehreren Betriebsweisen einsetzbar. In einer besonders einfachen Betriebsweise werden die Schalt­ elemente 38, 38', 38" von der Steuereinrichtung 40 mit einer konstanten Schaltfrequenz von mehreren Kilohertz (zum Bei­ spiel 20 kHz) betrieben. Diese Schaltfrequenz, die Pulsdauer und die Größe der Induktivitäten 34, 34', 34" sind aufeinan­ der abgestimmt. Beispielsweise liegt, wenn das Schaltelement 38 eingeschaltet ist, an der Induktivität 34 die Versorgungs­ spannung U_V an. In dieser Zeit baut sich ein Strom in der In­ duktivität 34 auf. Beim Ausschalten des Schaltelements 38 entsteht ein Ausschaltspannungsstoß. Die Ausschaltspannung liegt, sofern sie größer als U_Z ist, über die Diode 36 der Last an. Dadurch wird die in der Induktivität 34 gespeicherte Energie der Last zur Verfügung gestellt.

Im Ergebnis ist es durch diese Schaltungsanordnung möglich, die benötigte Leistung sehr viel gleichmäßiger als mit einer bloßen Gleichrichterschaltung zu entnehmen. Wenn in einem Ausführungsbeispiel die Einschaltzeit der Schaltelemente 38, 38', 38" und die Schaltfrequenz konstant gehalten werden, so ist die Stromaufnahme eines Hochsetzstellers aus einer Netz­ leitung linear zur jeweils aktuellen Netzspannung. Dies ent­ spricht einem rein ohmschen Verhalten.

In Ausführungsalternativen werden die Hochsetzsteller nur zeitweise aktiviert. Insbesondere sind Ausführungsformen vor­ gesehen, in denen ein Hochsetzsteller nur dann arbeitet, wenn die an diesem Hochsetzsteller anliegende Versorgungsspannung U_V, U_V', U_V" kleiner als eine vorgegebene Schwellwertspannung U_S ist. Die Schwellwertspannung U_S kann insbesondere als Bruchteil einer Scheitelspannung Û des Stromnetzes definiert sein.

Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 4a-Fig. 4f ver­ anschaulicht. Fig. 4a zeigt sinusförmige Spannungsverlaufs­ kurven der drei Drehstrom-Netzphasen U_L, U_L', U_L" in einer zu einer Nullspannung symmetrischen Darstellung. In Fig. 4b sind dieselben Spannungsverläufe wie in Fig. 4a eingezeichnet, wobei jedoch als Bezugsspannung für jede Phase stets der jeweils niedrigere Wert der beiden anderen Phasen dient. Dies entspricht den Versorgungsspannungen U_V, U_S', U_V" von Fig. 3. In Fig. 4c sind beispielhaft die Versorgungsspannung U_V, die Schwellwertspannung U_S und die Scheitelspannung Û darge­ stellt.

Fig. 4d zeigt die von der Steuereinrichtung 40 erzeugten Schaltsignale für das Schaltelement 38. Aus dieser Darstel­ lung ist ersichtlich, daß der der Diode 24 zugeordnete Hoch­ setzsteller nur dann aktiv ist, wenn die Versorgungsspannung U_V echt größer als 0 Volt, aber kleiner als die Schwellwert­ spannung U_S ist. Entsprechendes gilt hinsichtlich der anderen beiden Hochsetzsteller, wie dies in Fig. 4e für das dem Schaltelement 38' zugeführte Schaltsignal und in Fig. 4f für das dem Schaltelement 38" zugeführte Schaltsignal gezeigt ist.

In dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeiten die Hochsetzsteller gerade dann nicht, wenn die einzelnen Phasen­ spannungen U_L, U_L', U_L" ihr Spannungsmaximum erreichen. Da­ durch können sogar schlechte Energieaufnahmeeigenschaften anderer Verbraucher kompensiert werden.

In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Lei­ stung der Hochsetzsteller auf einen Teil der insgesamt benö­ tigten Leistung beschränkt werden. Beispielsweise können bei einem Netzteil mit 20 kW Leistung die drei Hochsetzsteller auf je 3 kW ausgelegt sein. In diesem Fall erfolgt die Strom­ aufnahme nur über die Hochsetzsteller, solange die Leistungs­ aufnahme der Last kleiner als deren Leistungsfähigkeit ist.

Dieser Schwachlastbetrieb ist in Fig. 5a schematisch darge­ stellt. Durch die gestrichelte Linien 42 ist der Stromfluß durch die Hochsetzsteller angedeutet. Während der negativen Halbwelle der Netzphase U_L erfolgt die Versorgung der Last natürlich nicht über den der Diode 24 zugeordneten, sondern über die anderen beiden Hochsetzsteller.

Bei einem höheren Leistungsbedarf wird zusätzlich Strom über die normale Gleichrichtung aufgenommen. Diese Stromaufnahme findet - wie eingangs bereits geschildert - nur während der Maxima der Eingangsspannungen statt, also zu an sich uner­ wünschten Zeitpunkten. Da diese Stromaufnahme jedoch nur die zusätzlich erforderliche Leistung betrifft, sind die auftre­ tenden Stromstärken geringer als ohne Hochsetzsteller. Daher kann der Filter 22 relativ klein dimensioniert werden. Fig. 5b zeigt einen derartigen Vollastbetrieb, wobei durch die strichpunktierten Linien 44 die Spitzenlastversorgung durch die Gleichrichterdioden angedeutet ist. Die in Fig. 5a und Fig. 5b gezeigten Aktivierungsiritervalle der Hochsetz­ steller weichen von denen nach Fig. 4d bis Fig. 4f ab.

Ferner ist in allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen eine geeignete Leerlaufspannungsregelung der Hochsetzsteller vorgesehen. Fig. 6 zeigt die Ausgangsspannung U_Z in einem Leerlauf- oder Schwachlastbetrieb (linke Hälfte) und in einem Vollastbetrieb (rechte Hälfte). Beim Leerlaufbetrieb sorgt die Steuereinrichtung 40 dafür, daß eine maximale Ausgangs­ spannung Û_Z nicht überschritten wird. Dazu kann beispielswei­ se die Pulsbreite der Ansteuersignale für die Schaltelemente 38, 38', 38" reduziert werden, oder die Hochsetzsteller kön­ nen insgesamt abgeschaltet werden. Im Vollastbetrieb beein­ flussen die Hochsetzsteller die Ausgangsspannung U_Z nur ge­ ringfügig, so daß eine ähnliche Welligkeit wie bei der in Fig. 2 gezeigten Drehstrom-Gleichrichterbrücke auftritt.

In weiteren Ausführungsvarianten ist vorgesehen, die Frequenz und/oder die Pulsdauer (duty cycle) und/oder andere Eigen­ schaften der Ansteuersignale je nach dem augenblicklichen Betriebszustand zu verändern. Durch eine derartige Steuerung oder Regelung können besonders günstige Eigenschaften hin­ sichtlich der Stromaufnahme und/oder der Ausgangsspannung und/oder der Lastverteilung innerhalb der Schaltung erzielt werden.

Die Steuereinrichtung 40 ist in manchen Ausführungsvarianten dazu eingerichtet, die Schaltelemente 38, 38', 38" mit einem gemeinsamen Takt anzusteuern. Dadurch ergibt sich ein einfa­ cher Schaltungsaufbau. In Ausführungsalternativen sind gegen­ einander versetzte Taktsignale für die Schaltelemente 38, 38', 38" vorgesehen, wodurch die effektive Taktfrequenz er­ höht wird und sich die Welligkeit verringert.

Claims (9)

1. Schaltung zum Versorgen einer Last mit einer Gleichspan­ nung, bei der:

• 1. eine Diode (24) in einen Strompfad zum Versorgen der Last geschaltet ist,
• 2. ein Hochsetzsteller (34, 36, 38) parallel zu der Diode (24) in den Strompfad geschaltet ist, und
• 3. eine Steuereinrichtung (40) den Hochsetzsteller (34, 36, 38) nach vorbestimmten Kriterien ansteuert, um die Last zumindest teilweise über den Hochsetzsteller (34, 36, 38) zu versorgen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) den Hochsetzsteller (34, 36, 38) in Abhängigkeit von einer an dem Strompfad anliegenden Versorgungsspannung (U_V) ansteuert.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) den Hochsetzsteller (34, 36, 38) höch­ stens dann aktiviert, wenn die an dem Strompfad anliegende Versorgungsspannung (U_V) eine vorbestimmte Schwellwertspan­ nung (U_S) unterschreitet.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hoch­ setzsteller (34, 36, 38) eine Induktivität (34) und eine mit der Induktivität (34) in Reihe geschaltete Diode (36) auf­ weist, sowie ein Schaltelement (38), durch das die Indukti­ vität (34) mit der an dem Strompfad anliegenden Versorgungs­ spannung (U_V) verbindbar ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einrichtung (40) die Ausgangsspannung (U_Z) in einem Leerlauf- oder Schwachlastbetrieb auf einen vorgegebenen Maximalwert (Û_Z) begrenzt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Diode (24', 24") in mindestens einen weiteren Strompfad zum Versorgen der Last geschaltet ist, und daß parallel zu jeder weiteren Diode (24', 24") je ein weiterer Hochsetzsteller (34', 36', 38'; 34", 36", 38") in den jewei­ ligen Strompfad geschaltet ist, um die Last zumindest teil­ weise zu versorgen.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schal­ tung eine Brücken-Gleichrichterschaltung (24, 26; 24', 26'; 24", 26") beinhaltet.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brücken-Gleichrichter­ schaltung (24, 26; 24', 26'; 24", 26") drei Gleichrichter­ zweige zum Anschluß an je eine Phase eines Drehstromnetzes aufweist.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schal­ tung als Gleichrichterschaltung zur Versorgung eines Gra­ dientenverstärkers eines Kernspintomographen ausgelegt ist.