AT512623A1 - Spannungsbegrenzer mit Rückspeisung - Google Patents

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 in Serie mit einer Diode. 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 dann ganz oder teilweise durch einen Schwingvorgang z.B. in die Eingangsspannungsquelle. Dadurch steht diese in den Streu- bzw. parasitären Induktivitäten gespeichert Energie großteils wieder zur Verfügung. Es ist eine potentialbehaftete und eine potentialfreie Variante möglich.

Description

Spamnmgsbegrenzer mit Rückspeisung

Die Erfindung betrifft ein Spannungsbegrenzcmetzwerk, bestehend aus einer, zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator (CI) und einer ersten Diode (Dl), einer Spule (L), einer zweiten Diode (D2), einem aktiven Schalter (Sl) mit Ansteuerung.

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 beschatteten Schaltelements, während Spannungsbegrenzer nur die maximale Spannung am Schaltelement begrenzen. Ein einfacher

Sparmungsbegrenzer bestehLaus 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 hei niedriger Betriebsspannung und daher mit hohem Strom arbeitet, ein aktives Spannungsbegrenzemetzwerk eingesetzt. Dabei wird ein kleiner DC/DC Konverter verwendet, der die Energie des Kondensators und daher auch seine Spannung konstant hält. 1 P97/fh/20120305

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

Bei der gegenständlichen Erfindung wird nun ein anderer Weg eingeschlagen. Man verwendet keine fixe Spannungsbegrenzerspatmung, sondern lässt die Spannung am Begrenzemetzwerk, 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 gespeichert Energie großteils wieder zur Verfügung. Auch die Ansteuerung ist relativ simpel. Wenn die Spannung am Begrenzemetzerk 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 Begrenzemetzwerk aufzunehmen sind, entsprechend geringer, der Umschwingvorgang erfolgt seltener.

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

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

Fig. 2 stellt die Grandschaltung des Spannungsbegrenzers mit Rückspeisung dar. Der zu schützende Schalter wird heim Spannungspfeil us angeschlossen, die Quelle in die zurückgespeist wird beim Spannungspfeil U. Man erkennt, ein Pol des zu schützenden Schalters und ein Pol (der negative) der Quelle, in die zurückgespeist wird, sind miteinander verbunden. 2 P97/fh/20120305

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.

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 La gezeichnet, spielt aber für die Untersuchung des Rückgewinnungsvorgangs keine Rolle. Sie ist aber die Ursache, dass sich der erste Kondensator (CI) auf eine Spannung größer als die Betriebsspannung (U) auflädt. Der Energietransfer vom ersten Kondensator (CI), der auf die Spannung U-x aufgeladen ist (x>l) in die Spannung (U) mit dem Wert U kann bei eingeschaltetem aktiven Schalter (Sl) und leitender Diode (D2) ab dem Einschaltzeitpunkt (t=0) des aktiven Schalters (Sl) durch die Di fferentialintegralgleichung

beschrieben werden. Der Umschwingstrom ergibt sich damit zu U(x-1)

Λ j i =

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 (CI) ergibt sich zu (x-l)co

\ j + 1 .

uc=U

Der Kondensator (CI) entlädt sich daher von uc(0)=U-x auf den Wert «c(WZc)=t/(2-jc).

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 (Dl) 3 P97/fh/20120305 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 (CI) 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.

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.

Schaltungstechnisch ist darauf zu achten, dass die Quelle, in die gespeist werden soll, eine geringe Impedanz aufweist. Das ist dadurch sicherzustellen, dass im Begrenzemetzwerk 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.

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

Die Aufgabe, die in parasitären Induktivitäten oder in Streuinduktivitäten gespeicherte Energie zu nutzen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass parallel zum ersten Kondensator (CI) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (Sl), zweiter Diode (D2), Spule (L) und aufnehmende Spannung (U), geschaltet ist oder dass parallel zum ersten Kondensator (CI) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (Sl), zweiter Diode (D2), erster Spule (LI) 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 (Sl) eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet sein. Damit die aufnehmende Spannung aus der Sicht der Rückspeiseeinheit des Spannungsbegrenzers 4 P97/fh/20120305 niederimpedant ist, sollte parallel zur aufnehmenden Spannung (U) ein weiterer Kondensator geschaltet werden. Um negative Spannung, die unter bestimmten Umständen am Kondensator (CI) auftreten, kann parallel zum ersten Kondensator (CI) eine weitere Diode geschaltet werden. 5 P 97/fh/20120305

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Spannungsbegrenzemetzwerk, bestehend aus einer, zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator (CI) und einer ersten Diode (Dl), einer Spule (L), einer zweiten Diode (D2), einem aktiven Schalter (Sl) mit Ansteuerung dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (CI) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (Sl), zweiter Diode (D2), Spule (L) und aufhehmende Spannung (U), geschaltet ist.
2. 2. Spannungsbegrenzemetzwerk, bestehend aus einer, zum schützenden Bauteil parallel geschalteten Serienschaltung aus einem ersten Kondensator (CI) und einer ersten Diode (Dl), zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen (LI, L2), einer zweiten Diode (D2), einem zweiten Kondensator (C2) und einem aktiven Schalter (Sl) mit Ansteuerung dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (CI) eine Serienschaltung, bestehend aus aktivem Schalter (Sl), zweiter Diode (D2), erster Spule (LI) und an die aufhehmende Spannung (U) eine Serienschaltung, bestehend aus zweiter Spule (L2) und zweitem Kondensator (C2), geschaltet ist.
3. 3. Spannungsbegrenzemetzwerkgemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum schützenden Bauelement eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet ist.
4. 4. 'Spannungsbegrenzemetzwerkgemäß Anspruch 1,2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schalter (Sl) eine Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator geschaltet ist.
5. 5. Spannungsbegrenzemetzwerkgemäß Anspruch 1,2,3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur aufhehmenden Spannung (U) ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
6. 6. Spannungsbegrenzemetzwerkgemäß Anspruch 1,2,3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (CI) eine weitere Diode geschaltet ist. 6 P97/fh/20120305