DE3611825A1 - Schaltnetzteil zur stromversorgung von starke stroeme aufnehmenden verbrauchern, insbesondere elektrischen schweissgeraeten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von starke Ströme aufnehmenden Verbrau­ chern, insbesondere elektrischen Schweißgeräten, bei dem die Netzspannung durch einen Netzgleichrichter gleich­ gerichtet, die erhaltene Gleichspannung mittels durch Hochfrequenz gesteuerter Halbleiterschalter in eine Hoch­ frequenzrechteckspannung umgewandelt und die Hochfrequenz­ rechteckspannung durch einen Transformator transformiert und durch einen Ausgangsgleichrichter gleichgerichtet wird.

Bei den in diesem Zusammenhang in Betracht gezogenen elektrischen Schweißgeräten handelt es sich um solche, die mit Impulsströmen oder mit Dauerströmen betrieben werden. Impulsmäßig betriebene elektrische Schweißgeräte sind z. B. Bolzenschweißgeräte, mit denen Bolzen über einen kurzzeitig gezündeten Lichtbogen an ein Werkstück angeschweißt werden, wobei der eigentliche Schweißlichtbogen durch einen vor­ hergehenden, wesentlich schwächeren Vorstromlichtbogen ge­ zündet wird. Bei mit Dauerstrom betriebenen elektrischen Schweißgeräten handelt es sich z. B. um Geräte zum Schweißen mit stehendem Lichtbogen. Die dabei benötigten Stromstärken liegen in der Größenordnung bis zu 1000 A.

Die Schaltnetzteile können auch z. B. zum Betrieb von Ver­ brauchern verwendet werden, die impulsmäßig einen Strombedarf in dieser Größenordnung haben.

Derartige Schaltnetzteile betreibt man in bekannter Weise darum mit Hochfrequenz, weil sich hierdurch einerseits gegenüber einem Betrieb mit Netzfrequenz eine erhebliche Verkleinerung des Transformators ergibt, der die dabei erforderliche Herabsetzung der Wechselspannung herbeiführt, die dann in eine relativ niedrige Gleichspannung gleich­ gerichtet wird. Andererseits liefert die Steuerung der im Schaltnetzteil verwendeten Halbleiterschalter mittels der Hochfrequenz die Möglichkeit, das Schaltnetzteil besonders schnell zu regeln. Bei einer üblichen Hochfre­ quenz als Taktfrequenz für die Halbleiterschalter in der Größenordnung von 20 kHz und darüber ergibt sich eine Periodendauer von 50 µs, so daß im Rhythmus dieser kurzen Zeitspanne regelnd in das Schaltnetzteil eingegriffen werden kann. Dies ist besonders von Vorteil im Falle der Versorgung von Verbrauchern, die mit besonders kurzen Impulsen betrieben werden.

Bei der Erfindung wird von einem Schaltnetzteil ausgegan­ gen, wie dieses in dem Konferenzbericht "Official Proceed­ ings of the Ninth International PCI′84 Conference", October 1984 (Intertec Communications Inc. USA) in einem Aufsatz auf den Seiten 1 bis 9 darstellt und beschrieben ist.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Schaltung ist in Fig. 3 dieses Artikels dargestellt. Diese Schaltung ist zusammen mit einem dem eigentlichen Schalt­ netzteil vorgeschalteten Drei-Phasen-Netzgleichrichter in Fig. 1 wiedergegeben. Der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird eine Drei-Phasen-Netzspannung üblicher Spannungshöhe (z. B. 380 V) über die drei Klemmen 1, 2, 3 zugeführt und von dem Kondensator 5 geglättet wird. Die am Kondensator 5 stehende Spannung wird über die Leitungen 6, 7 den Halbleiterschaltern 8 und 9 zugeführt, die mittels des Taktsteuergerätes 10 durchgeschaltet werden. Das Takt­ steuergerät 10 erhält über den Anschluß 33 eine in diesem Zusammenhang nicht interessierende Steuerspannung zum Starten und Stoppen des Schaltnetzteils und zur Regelung seines Tastverhältnisses, womit das Schaltnetzteil an den jeweiligen Strombedarf angepaßt wird. Das Taktsteuer­ gerät 10 gibt über die Leitungen 11 und 12 periodisch Takt­ impulse von z. B. 20 kHz an die Treiberschaltungen 13 und 14 ab, von denen die Halbleiterschalter 8 und 9 in bekann­ ter Weise entsprechend gesteuert werden. Die Treiberschal­ tungen 13 und 14 sind über die Übertrager 15 und 32 an die Leitungen 11 und 12 angekoppelt. Die Steuerung der Halbleiterschalter 8 und 9 erfolgt so, daß diese gleichzei­ tig durchgeschaltet werden, so daß sich vom Kondensator 5 ausgehend ein Stromkreis über die Leitung 6, den Halb­ leiterschalter 8 und die Leitung 16 zur Primärwicklung 21 des Transformators 17 ausbildet, der sich über die Leitung 18 und den Halbleiterschalter 9 zur Leitung 7 fortsetzt, womit vom Kondensator 5 zum Transformator 17 über die bei­ den Halbleiterschalter 8 und 9 ein durchgehender Stromkreis geschlossen ist. Während der folgenden Sperrphase der Halb­ leiterschalter 8 und 9 bildet sich unter Wirkung der im Transformator 17 gespeicherten Energie folgender Strom­ kreis aus: Von der Primärwicklung 21 des Transformators 17 über die Leitung 18 zur Diode 19 und über die Leitung 6 zum Kondensator 5, andererseits über die Leitung 16 zur Diode 20 und über die Leitung 7 zum Kondensator 5, womit wiederum ein geschlossener Stromkreis geschaffen ist. Während dieses Stromflusses durch die Primärseite 21 des Transforma­ tors 17 während der Durchlässigkeitsphase der Halbleiter­ schalter 8 und 9 ergibt sich auf dessen Sekundärseite 22 ein Strom über die Leitung 23, den Gleichrichter 24, die Leitung 25, die Speicherdrossel 26 zur Klemme 27 des Ver­ brauchers V, von diesem über die Klemme 28 zur Leitung 29 zurück zur Sekundärseite 22 des Transformators 17. Während der Sperrphase der Halbleiterschalter 8 und 9 entlädt sich die Speicherdrossel 26 in einem Stromkreis über die Klemmen 27 und 28 und die Leitung 29 zum Freilaufgleichrichter 30 und zurück über die Leitung 25 zur Speicherdrossel 26. Damit fließt über den an die Klemmen 27 und 28 angeschlossenen Verbraucher V ein Gleichstrom mit einer geringen Restwel­ ligkeit. Die Gleichrichter 24 und 30 bilden dabei den Eingangsgleichrichter.

Bei der von der bekannten Schaltung abgegebenen Leitung von 11 kW ergeben sich gemäß den in dem Artikel vorgetra­ genen Erkenntnissen im Bereich der Ansteuerung der Halb­ leiterschalter Stromänderungen von bis zu 200 A/µs. Diese hohen und vor allem schnellen Stromänderungen führen an durch die Verdrahtung gebildeten Induktivitäten zu hohen Spannungsspitzen (gemäß dem Gesetz U = L · d I/dt). Um diese Spannungsspitzen aufgrund der "Parasitär-Induktivitäten" (wie sie im Artikel benannt sind) zu vermeiden, wird in dem Artikel vorgeschlagen, im Bereich der Treiberschaltungen die Leitungen so kurz wie möglich zu halten und sie so zu führen, daß sich sehr kleine von den Verdrahtungsschleifen umschlossene Flächen ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltung so zu geschalten, daß mit ihr bei hoher Regelungs­ geschwindigkeit wesentlich höhere Leistungen an einen Ver­ braucher abgegeben werden können, z. B. Leistungen in der Größenordnung von 60 kW.

Gelöst wird das Problem mit einem Schaltnetzteil der ein­ gangs beschriebenen Art dadurch, daß im Bereich zwischen Netzgleichrichter und Ausgang des Ausgangsgleichrichters hochfrequente Leistung führende Leiter jeweils eines Stromkreises als dünne geschichtete Metallplatten mit dazwischen liegender Dünnschichtisolation, insbesondere Folienisolation, ausgebildet sind.

Die Erfindung beruht u. a. auf der Erkenntnis, daß bei er­ wünschter hoher Regelungsgeschwindigkeit des Schaltnetzteils in dessen mit der vollen Leistung belasteter Verdrahtung Parasitär-Induktivitäten besonders schädlich sind, so daß in dem betreffenden Bereich des Schaltnetzteiles besondere Maßnahmen erforderlich sind. Diese besonderen Maßnahmen bestehen aus gemäß der Erfindung darin, daß Leiter die hoch­ frequente Leistung führen, als dünne Metallplatten, insbeson­ dere Kupfer, gestaltet sind, wodurch sie den erforderli­ chen Querschnitt für hohe Ströme z. B. in der Größenordnung von 1000 A erhalten, und diese dünnen Metallplatten zu Paaren entsprechend dem die hochfrequente Leistung jeweils führen­ den Stromkreis zusammengefaßt sind, wobei die Metallplatten­ paare aufgrund der dazwischenliegenden Dünnschichtisolation eine minimale Fläche umfassen. Damit wird die Induktivität dieser Stromkreise auf einen minimalen Wert reduziert. Hierdurch werden bei Schaltung von Stromstufen (Über­ gang von Vorstromlichtbogen zu Schweißstromlichbogen) in vom Schaltnetzteil versorgten Verbraucher besonders große Stromanstiegsgeschwindigkeiten ermöglicht, z. B. über 2000 A/µs. Die Gestaltung als dünne Metallplatte er­ möglicht in besonders vorteilhafter Weise die räumliche enge Zusammenfassung zu Metallplattenpaaren, wodurch sich in der Kombination eine besonders hohe Wirksamkeit dieser Gestaltung im Hinblick auf die Fähigkeit zur Führung der hohen Ströme bei minimaler Induktivität ergibt. Dabei wirkt sich die Gestaltung als Metallplatten zusätzlich günstig aus, weil sich aufgrund dieser Gestaltung unvermeidbare Verlustwärme aufgrund des ohm′schen Widerstandes gut abfüh­ ren läßt. Außerdem bilden die Metallplattenpaare Kapazitä­ ten, die Spannungsspitzen besonders hoher Frequenzen kurz­ schließen. Im Zusammenhang mit diesem Effekt wirkt sich günstig aus, daß aufgrund der minimalen, von den Metallplat­ tenpaaren umschlossenen Fläche die Notwendigkeit der Verwen­ dung besonders kurzer Leitungen, auf die in dem oben erwähn­ ten Artikel besonders hingewiesen wird, wesentlich abge­ schwächt wird. Es hat sich jedenfalls im praktischen Betrieb des erfindungsgemäß aufgebauten Schaltnetzteils gezeigt, daß die von den Metallplattenpaaren umschlossenen Flächen so klein sind, daß es möglich ist, mit den Metallplatten Längen von einigen Dezimetern zu überbrücken, ohne daß hierdurch gefährliche Induktivitäten entstehen.

Die Dünnschichtisolation zwischen den Metallplatten kann in verschiedener Weise ausgebildet sein, insbesondere kann es sich um eine Folienisolation handeln. Es ist aber auch möglich, die Isolation durch eine dünne Lackschicht herbei­ zuführen.

Zweckmäßig bringt man die Leiterpaare im Bereich zwischen Netzgleichrichter und Transformator innerhalb einer Schicht­ tung unter, da hierdurch mehrere Metallplatten nur durch die Dünnschichtisolation voneinander getrennt dicht neben­ einander untergebracht werden, so daß die im Bereich der Halbleiterschalter sich jeweils in unterschiedlicher Weise ausbildenden Stromkreise stets eine minimale Fläche um­ schließen und infolgedessen keine ins Gewicht fallenden Induktivitäten ausbilden können. Das gleiche gilt für die Metallplatten im Bereich zwischen Transformator und Ausgangsgleichrichter.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, Es zeigt

Fig. 2 die Leitungsführung in Form von Metallplatten unter Verwendung einer schaltungstechnischen Darstellungs­ weise, und zwar in der Betriebsphase der Durchläs­ sigkeit der Halbleiterschalter,

Fig. 3 die gleiche Anordnung in der Betriebsphase der Sper­ rung der Halbleiterschalter,

Fig. 4 den Bereich des Schaltnetzteils nach dem hier nicht dargestellten Netzgleichrichter und dem Verbraucher unter Darstellung der räumlichen Zuordnung der Metallplatten,

Fig. 5 eine Schichtung von zwei Metallplattenpaaren.

Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Schaltnetzteil stimmt hinsichtlich der elektrischen Verbindungen vollkommen mit der Darstellung in Fig. 1 überein. In den Fig. 2 und 3 sind jedoch im Bereich zwischen Netzgleichrichter 4 und Ausgang des Ausgangsgleichrichters 24/30 alle die im wesentlichen hochfrequente Leistung führenden Leiter als Metallplatten dargestellt, wobei die Metallplatten gemäß der betreffen­ den Leitungsführung nach Fig. 1 gezeichnet sind, was natür­ lich mit der tatsächlichen Realisierung nicht übereinstimmt. Diese ist in Fig. 4 dargestellt, auf die weiter unten näher eingegangen wird. Dabei können die Bauelemente, wie z. B. die Dioden 19 und 20, ohne Baugruppen aus zusammengeschal­ teten einzelnen Bauelementen bestehen. Es ist auch möglich, nur einzelne hochfrequente Leistung führende Leiter jeweils eines Stromkreises, sofern sie besonders hoch belastet sind, als Metallplattenpaare auszubilden.

Fig. 2 symbolisiert die Betriebsphase, in der die Halblei­ terschalter 8 und 9 durchlässig sind. Die hierbei als elek­ trische Leiter ausgenützten Teile der Leitungen 6, 7, 16, 18, 23, 25 und 29 sind mit einer Schraffur versehen. Es bil­ den sich dann die oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Stromkreise aus.

Gemäß Fig. 3 handelt es sich um die symbolische Darstellung der Betriebsphase, in der die Halbleiterschalter 8 und 9 gesperrt sind. Die sich dabei ausbildenden Stromkreise sind ebenfalls im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben, sie sind in Fig. 3 durch die Schraffur dargestellt.

Ein Vergleich zwischen den Fig. 2 und 3 zeigt, daß im Betriebsfall "Halbleiterschalter 8 und 9 durchlässig" (Fig. 2) im Bereich vor dem Transformator 17 diejenigen Metallplattenteile der Metallplatten 6, 7, 16 und 18 schraffiert sind, die über die Halbleiterschalter 8 und 9 Strom führen. Die die Dioden 19 und 20 enthaltenden Berei­ che der Metallplatten 6, 16 und 18 sind dabei von der Schraf­ fur freigehalten. Diese letzteren Bereiche sind nun in Fig. 3 (Betriebsfall "Halbleiterschalter 8, 9 gesperrt") schraffiert gezeichnet. zusätzlich die weiteren stromführen­ den Bereiche der Metallplatten 6 und 7, wobei jedoch die Bereiche um die Halbleiterschalter 8 und 9 von der Schraf­ fur freigehalten sind, da in diesem Falle, wie gesagt die Halbleiterschalter 8 und 9 gesperrt sind.

Im Bereich hinter dem Transformator 17 ergibt sich gemäß Fig. 2 im Falle der Betriebsphase "Halbleiterschalter 8 und 9 durchlässig" eine durchgehende Schraffur der Metall­ platten 23, 25 und 29, da in diesem Falle von der Sekundär­ seite 22 Strom über den Gleichrichter 24 , die Speicherdros­ sel 26 und den Verbraucher V fließt, während im Betriebs­ falle "Halbleiterschalter 8 und 9 gesperrt" gemäß Fig. 3 der Gleichrichter 24 in Sperrichtung beansprucht wird, so daß nur Strom über die Metallplatten 25 und einen Teil der Metallplatte 29 unter Einschluß des Freilaufgleichrichters 30 und des Verbrauchers 30 fließt.

In der Fig. 4 ist die Anordnung gemäß den Fig. 2 und 3 in richtiger räumlicher Zuordnung der Metallplatten 6, 7, 16, 18 auf der Primärseite 21 und der Metallplatten 23, 25, 29 auf der Sekundärseite 22 des Transformators 17 dargestellt. Die Metallplatten erstrecken sich jeweils über eine Länge von etwa 20 bis 50 cm, wobei an ihnen die dargestellten Bauelemente angelötet bzw. angeschraubt sind. Es sei noch darauf hingewiesen, daß in Fig. 4 die Leiterplatten von der Seite gesehen dargestellt sind, wobei also ihre Kanten dem Betrachter zugewandt sind. Außerdem sind in Fig. 4 die zwischen den Leiterplatten liegenden Isolationsfolien 31 eingezeichnet.

In der Fig. 5 ist eine Schichtung bestehend aus den Leiter­ platten 18, 6, 7 und 16 dargestellt, zusammen mit den da­ zwischenliegenden Isolationsfolien 31. Die Schichtung ist dabei so ausgebildet, daß ihre Bestandteile luftspaltfrei aufeinander aufliegen und dadurch eine minimale Fläche zwischen sich einschließen.

Die Leiterplatten 23, 25 und 29 gemäß Fig. 4 sind in ent­ sprechender Weise geschichtet.

Claims (3)

1. Schaltnetzteil zur Stromversorgung von starke Ströme aufnehmenden Verbrauchern, insbesondere elektrischen Schweißgeräten, bei dem die Netzspannung durch einen Netz­ gleichrichter gleichgerichtet, die erhaltene Gleichspannung mittels durch Hochfrequenz gesteuerter Halbleiterschalter in eine Hochfrequenzrechteckspannung umgewandelt und die Hochfrequenzrechteckspannung durch einen Transformator transformiert und durch einen Ausgangsgleichrichter gleich­ gerichtet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß im Bereich zwischen Netzgleichrichter (4) und Ausgang des Ausgangsgleichrichters (24, 30) hochfre­ quente Leistung führende Leiter jeweils eines Stromkreises als dünne geschichtete Metallplatten (6, 7, 16, 18, 23, 25, 29) mit dazwischen liegender Dünnschichtisolation (31), insbe­ sondere Folienisolation, ausgebildet sind.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallplatten (6, 7, 16, 18) im Bereich zwischen Netzgleichrichter (4) und Transformator (17) eine Schich­ tung bilden.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (23, 25, 29) im Bereich zwischen Transformator (17) und Ausgangsgleichrich­ ter (24, 30) eine Schichtung bilden.