AT505534A1

AT505534A1 - Resonante einschaltentlastung

Info

Publication number: AT505534A1
Application number: AT12292007A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-02-15
Also published as: AT505534B1

Description

Resonante Einschaltentlastung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters bestehend aus einer Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung. Einschaltentlastungen bestehen aus einer Serieninduktivität in Serie zum zu entlastenden Schalter und einer Vorrichtung parallel zu dieser, um beim Abschalten die durch die Einschaltentlastungsinduktivität entstehende Überspannung zu begrenzen und gleichzeitig die Induktivität zu entmagnetisieren. Einschaltentlastungen vermeiden das Auftreten von grossen Verlusten am Halbleiterschalter.
Zwei Methoden zur Entmagnetisierung der Einschaltinduktivität sind seit langem in Gebrauch und zwar die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand oder einer Avalanchediode parallel zur Induktivität.

Der Vorteil bei der Verwendung des Widerstandes sind der geringe (finanzielle) Aufwand. Nachteilig ist aber der stromabhängige Maximalwert der auftretenden Spannung und die durch die Zeitkonstante L/R bestimmte Entmagnetisierungszeit. Die Entmagnetisierung folgt der e Funktion. Bei Verwendung der Avalanchediode ist die Entmagnetisierungsspannung nahezu konstant, der Strom nimmt linear ab und ist, bei gleichem Strom und gleicher auftretenden Maximalspannung, schneller auf null. Nachteilig sind hier nur die höheren Kosten, da nun ein zusätzliches Halbleiterbauelement statt eines ohmschen Widerstands verwendet werden muss.
Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung wird nun vorgeschlagen, parallel zur Einschaltinduktivität die Serienschaltung einer Diode mit einem Kondensator zu schalten.

Die Entmagnetisierung erfolgt nun durch eine resonante Umladung entsprechend einer Viertelschwingung. Die Spule ist entmagnetisiert, führt also dann keinen Strom mehr und der
Abschaltzeitpunkt ist. Der Kondensator ist nun bis zum nächsten Ausschaltzeitpunkt zu entladen.
Dies kann am einfachsten dadurch erfolgen, dass parallel zum Kondensator ein Widerstand geschaltet wird. Der Kondensator entlädt sich nun mit der Zeitkonstante RC. Dies ist die passive Lösung. Es sei hier angemerkt, dass bedingt durch den parallel liegenden Widerstand, die Aufladung des Kondensators und damit die auftretende Überspannung geringer ist. Die in der Einschaltinduktivität gespeicherte Energie wird in Form von Wärme an dem Widerstand umgesetzt. Dies ist auch bei kleinen auftretenden Leistungen akzeptabel.

Bei höheren Schaltfrequenzen (bei jedem Ausschaltvorgang ist ja die Energie aus der Entlastungsspule zu entfernen) und/oder grösseren Leistungen ist dies jedoch nicht sinnvoll, da die auftretende Verlustwärme abgeführt werden muss. Hier empfiehlt sich eine Rückgewinnung der gespeicherten Energie durch einen DC/DC Konverter, dessen Eingang parallel zum Kondensator und dessen Ausgang in den Eingang oder Ausgang des Gesamtsystems speist.
Betrachtet man einen Gleichstromsteller, z.B. einen Tief setzsteiler, bei dem der aktive Schalter 100 A einzuschalten hat, so benötigt man bei einer Eingangsspannung von 1000 V und einer gewünschten Stromanstiegsgeschwindigkeit von 50 V/us eine Einschaltinduktivität von 20 uH. Damit ergibt sich eine Energie von 0,1 Ws, die in der Einschaltinduktivität gespeichert ist.

Bei einer Schaltfrequenz von 1 kHz bedeutet das, dass 100 W letztlich in Wärme umgesetzt werden muss und diese Verlustwärme aus dem Gerät abzuführen ist. Man erkennt daher den Vorteil einer verlustarmen Entlastung, bei der diese Energie rückgewonnen wird.
Zur Vermeidung von zu grossen Überspannungen im Fehlerfall, so z.B. einem Lastkurzschluss verbunden mit einem raschen Anstieg des Stroms, wird man sinnvollerweise eine Überspannungsbegrenzung vorsehen. Diese kann parallel zum einschaltentlasteten Schalter liegen und/oder parallel zum Kondensator des resonanten Einschaltentlastungsnetzwerks.
Neben der Anwendung zur Einschaltentlastung soll auch hingewiesen werden, dass die Schaltung auch als Vorrichtung zum Abbau von in Streuinduktivitäten gespeicherter Energie verwendet werden kann.
Im Folgenden wird eine spezielle aktive Rückgewinnung der Kondensatorenergie gezeigt.

Nachdem der Kondensator geladen wurde, wird dieser mit Hilfe einer Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters (einer Serienschaltung eines aktiven Schalters mit einer Diode oder einem Thyristor) mit einer Induktivität verbunden. Es wird nun die Energie aus dem Kondensator in die Spule übertragen. Dies geschieht innerhalb einer Viertelschwingung. Wird die Kondensatorspannung zu null, wird der stromunidirektionalen Schalter abgeschaltet und der Strom kommutiert in einen Hilfsfreilaufkreis mit einer Diode und baut sich in eine Spannungsquelle, typischerweise die Eingangsspannung, ab. Wird der Strom durch die Freilaufdiode null, so schaltet diese aus.

Der Vorgang ist beendet.
Das Problem, die Einschaltentlastungsinduktivität zu entmagnetisieren wird erfindungsgemäss dadurch realisiert, dass die Entmagnetisierungsvorrichtung aus einer Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators besteht und parallel zum Kondensator ein DC/DC Konverter geschaltet ist und bis zum nächsten Ausschaltvorgang des entlasteten Schalters der Kondensator mit Hilfe des DC/DC Konverters entladen wird.

Weiters kann es gelöst werden, indem die Entmagnetisierungsvorrichtung aus einer Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators besteht und parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist und nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird,

bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem grossen Kondensator entmagnetisiert wird.
Im Folgenden soll zum vertieften Verständnis die Erfindung an Hand einiger Abbildungen beschrieben werden. Figur 1 stellt die passive Lösung, Fig. 2 eine aktive und Fig. 3 die verlustarme Variante der resonanten Einschaltentlastung dar. In Fig. 4 ist die Anwendung der Schaltung gemäss Fig. 3 bei einem Tiefsetzsteller, in Fig. 5 bei einem Hochsetzsteller, in Fig. 6 bei einem Hoch-Tiefsetzsteller und in Fig. 7 bei einem Cuk Konverter dargestellt.
Die passive Variante (Fig. 1) besteht, wie oben ausgeführt, aus einer Serienschaltung einer Diode (DE) mit einem Kondensator (CE) parallel zur Einschaltentlastungsinduktivität (LE).

Zur Entladung des Kondensators (CE) dient der parallel liegende Widerstand (RE). Im Fehlerfall, bei Überstrom oder Kurzschluss, wird die am Kondensator (CE) auftretende Spannung, die ja auch die beim Ausschalten am entlasteten Schalter auftretende Überspannung bestimmt, durch eine Avalanchdiode (DA) begrenzt.
Figur 2 stellt das resonante Einschaltentlastungsnetzwerk mit einem DC/DC Konverter zur Entladung des Kondensators dar. Der DC/DC Konverter ist als Sperrwandler ausgeführt. Die Kondensatorenergie wird in die Spannungsquelle UI (die Eingangsspannung des Konverters) gespeist, der als Hoch-Tiefsetzsteller mit IGBT als aktiven Schalter dargestellt ist.
Die verlustarme Variante (Fig. 3) besteht, wie oben ausgeführt, aus einer Serienschaltung einer Diode (DE) mit einem Kondensator (CE) parallel zur Einschaltentlastungsinduktivität (LE).

Zur Entladung des Kondensators (CE) dient die parallel liegende Serienschaltung des stromunidirektionalen Schalters, hier beispielhaft als Serienschaltung einer Diode und eines MOSFETs gezeichnet. Nachdem der Kondensator (CE) entladen ist, kommutiert der Strom in der Spule in den Zweig mit der Diode (DU). Die einem Tiefsetzsteller z.B. wird dann Klemme 1 an Masse, Klemme 2 an die Eingangsspannung (positiver Pol) und Klemme 3 an den zu entlastenden Schalter angeschlossen.
Figur 4 zeigt dies nun an einem Tiefsetzsteller. Der aktive Schalter des Tiefsetzstellers ist hier als GTO gezeichnet, auch um anzudeuten, dass dieses Entlastungsnetzwerk bei grossen Leistungen zum Einsatz kommen kann. Die Diode (D) ist die Freilaufdiode des Konverters und die Spule (LF) und der Kondensator (CF) das Ausgangsfilter.

Die Last wird an die Klemmen parallel zum Kondensator (CF) angeschlossen.
In Fig. 5 wird das verlustarme resonante Einschaltentlastungsnetzwerk bei einem Hochsetzsteller angewendet. Der eigentlich Hochsetzsteller besteht aus der Spule (L), dem aktiven Schalter (S), der Freilauf diode (D) und dem Ausgangskondensator (C). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) und die Freilaufdiode (D) in die Ausgangsspannung.
In Fig. 6 wird das verlustarme resonante Einschaltentlastungsnetzwerk bei einem HochTiefsetzsteller angewendet. Der eigentlich Hoch-Tiefsetzsteller besteht aus der Spule (L), dem aktiven Schalter (S), der Freilaufdiode (D) und dem Ausgangskondensator (C). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) in die Eingangsspannung.
Man erkennt aus diesen Beispielen, dass die resonante Einschaltentlastung universell einsetzbar ist.

Figur 7 zeigt abschliessend die Anwendung bei einem CUK Konverter. Dieser besteht in seiner Grundstruktur aus den Spulen (Ll, L2), dem aktiven Schalter (S), dem passiven Schalter (D) und den Kondensatoren (Cl, C2). Die Entmagnetisierung der Spule (LU) erfolgt über die Diode (DU) und die Freilaufdiode (D) in den Kondensator (C2) .

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters, bestehend aus einer ersten Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung, wobei parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist.

1. Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters bestehend aus einer Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Entmagnetisierungsvorrichtung aus einer Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators besteht und parallel zum Kondensator ein DC/DC Konverter geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird, bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem grossen Kondensator entmagnetisiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass bis zum nächsten Ausschaltvorgang des entlasteten Schalters der Kondensator mit Hilfe des DC/DC Konverters entladen ist.

4. Vorrichtung zur Einschaltentlastung eines elektronischen Schalters bestehend aus einer ersten Spule mit parallel liegender Entmagnetisierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Entmagnetisierungsvorrichtung aus einer Serienschaltung einer ersten Diode und eines Kondensators besteht und parallel zum Kondensator eine Serienschaltung eines stromunidirektionalen Schalters mit einer zweiten Spule geschaltet ist und an den Verbindungspunkt zwischen stromunidirektionalem Schalter und zweiter Spule die Kathode einer zweiten Diode geschaltet ist, deren Anode typischerweise gegen Masse geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufladen des Kondensators der stromunidirektionale Schalter solange über eine Steuervorrichtung eingeschaltet wird, bis dieser entladen ist und bis zum nächsten Einschaltvorgang des stromunidirektionalen Schalters die zweite Spule mit Hilfe der zweiten Diode und einer Spannungsquelle oder einem grossen Kondensator entmagnetisiert ist.

7. Vorrichtung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient. Patentansprüche

4. Vorrichtung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltentlastungsnetzwerk zur Entlastung eines oder mehrerer elektronischer Schalter in einer beliebigen Konverterschaltung dient.