AT507875B1 - Schaltnetzteil mit wenigstens zwei in serie geschalteten kondensatoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit wenigstes zwei Kondensatoren (C1, C2...Cn), welche in Serie an eine Spannung (Uv) geschaltet sind. Dabei ist jedem Kondensator (C1, C2...Cn) in der Weise eine Schutzdiode (TVS1, TVS2...TVSn) zugeordnet, dass die Schutzdioden (TVS1, TVS2...TVSn) in Serie an der Spannung anliegen (Uv) und dass jede Verbindung zwischen zwei Kondensatoren (C1, C2...Cn) mit der Verbindung zwischen den zugeordneten Schutzdioden (TVS1, TVS2...TVSn) über einen einzelnen Heißleiter (NTC, NTC1...NTCn-1)verbunden ist.

Description

österreichisches Patentamt AT507 875B1 2012-09-15

Beschreibung

SCHALTNETZTEIL MIT WENIGSTENS ZWEI IN SERIE GESCHALTETEN KONDENSATOREN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit wenigstens zwei Kondensatoren, welche in Serie an eine Spannung geschaltet sind.

[0002] Derartige Schaltungsanordnungen kommen beispielsweise in Schaltnetzteil-Zwischen-kreisen zum Einsatz, um Energie zu puffern. Die Serienschaltung mehrerer Kondensatoren ermöglicht dabei die Verwendung preisgünstiger Kondensatoren, welche für sich genommen für die anliegende Gesamtspannung nicht geeignet sind.

[0003] Beispielsweise ist aus US 4,568,871 A1 ein Schaltnetz mit einem Zwischenkreis bekannt, in dem drei Serienschaltungen, bestehend aus jeweils zwei Kondensatoren, parallel geschaltet sind. Zur Symmetrierung der in Serie geschalteten Kondensatoren ist parallel dazu eine Serienschaltung zweier Zenerdioden angeordnet.

[0004] Auch in der US 2003/0214267 A1 ist eine Serienschaltung mehrerer Kondensatoren offenbart. Dabei sind zur Symmetrierung der einzelnen Kondensatoren unterschiedliche Beschaltungen angegeben.

[0005] In der EP 0 795 947 A2 ist ebenfalls eine Serienschaltung mehrerer Kondensatoren offenbart. Zur Symmetrierung ist jedem Kondensator eine Reihenschaltung bestehend aus einer Zenerdiode und einem Widerstand parallel geschaltet.

[0006] Eine Serienschaltung mehrerer Kondensatoren mit steuerbaren Entladezweigen ist aus der EP 0 250 719 A2 bekannt. Dabei ist jedem Kondensator eine Reihenschaltung bestehend aus einem Hilfsschaltelement und einem Widerstand parallel geschaltet.

[0007] Eine Schaltelemente umfassende Symmetrierungsschaltung für in Serie angeordnete Kondensatoren ist zudem aus der Druckschrift Newton, C. et al: „Novel technique for maintai-ning balanced internal DC link voltages in diode clamped five-level inverters", IEE Proceedings-Electric Power Applications, Band 146, Ausgabe 3; Mai 1999, Seiten 341-349, bekannt.

[0008] Insbesondere bei Schaltnetzteilen ist es notwendig, jeden Kondensator einer solchen Serienschaltung gegen Überlastungen abzusichern. Überlastungen können beispielsweise auftreten, wenn ein Kondensator in fehlerhafter Weise kurzgeschlossen wird und sich die an den übrigen Kondensatoren anliegende Spannung sprunghaft erhöht.

[0009] Um in einem solchen Fall eine Schädigung der übrigen Kondensatoren zu vermeiden, ist beispielsweise aus der JP 09224368 A bekannt, parallel zu jedem Kondensator eine Leuchtdiode eines Optokopplers in Serie mit einem Vorwiderstand zu schalten. Wird ein Kondensator aufgrund eines Fehlers kurzgeschlossen, erlischt die entsprechende Leuchtdiode und über den Phototransistor des Optokopplers wird mittels einer geeigneten Steuerschaltung eine Reduktion der am intakten Kondensator anliegenden Spannung ausgelöst.

[0010] Neben der aufwendigen Schaltung hat dieser Überspannungsschutz den Nachteil einer relativ langen Reaktionszeit, bis es infolge eines auftretenden Kurzschlussfalls zu einer Spannungsreduktion kommt.

[0011] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für Schaltnetzteile der eingangs genannten Art einen einfachen und zuverlässigen Überspannungsschutz der in Serie geschalteten Kondensatoren anzugeben.

[0012] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Schaltnetzteil gemäß Anspruch 1. Dabei ist jedem Kondensator in der Weise eine Schutzdiode zugeordnet, dass die Schutzdioden in Serie an der Spannung anliegen und dass jede Verbindung zwischen zwei Kondensatoren mit der Verbindung zwischen den zugeordneten Schutzdioden über einen einzelnen Heißleiter verbunden ist. Jede Schutzdiode weist dabei eine Durchbruchspannung auf, welche in 1 /5 österreichisches Patentamt AT507 875B1 2012-09-15 etwa der zulässigen Spannung des zugeordneten Kondensators entspricht. Diese Durchbruchspannung wird erreicht, sobald die Spannung an einem anderen Kondensator einbricht oder die anliegende Gesamtspannung eine Spannungsspitze aufweist.

[0013] Sobald die Durchbruchspannung erreicht ist, wird die Schutzdiode leitend und es fließt ein Entlastungsstrom über die Schutzdiode und den Heißleiter, der dieser Schutzdiode vor-bzw. nachgeschaltet ist. Die Schutzdiode und der Heißleiter nehmen Energie auf und schützen den zugeordneten Kondensator bei kurzzeitigen Spannungsspitzen.

[0014] Der Heißleiter, auch NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient Thermistor) genannt, verhindert dabei einen zu raschen Anstieg des Stromes, welcher zu einem sofortigen Durchbrennen der Schutzdiode führen würde. Die Anordnung des Heißleiters zwischen der Verbindung zweier Kondensatoren und der Verbindung zweier Schutzdioden hat den Vorteil, dass diese Wirkung unabhängig davon eintritt, ob an dem einen oder dem anderen Kondensator ein Defekt auftritt.

[0015] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist zwischen der Spannung und den in Serie geschalteten Kondensatoren eine Sicherung angeordnet. Im Falle eines dauerhaften Kurzschlusses spricht diese Sicherung an und trennt die Kondensatoren von der Spannung. Dies geschieht, wenn eine Durchbruchspannung einer Schutzdiode überschritten wird und dauerhaft Strom durch diese Schutzdiode und den vor- bzw. nachgeschalteten Heißleiter fließt. Erreicht der Strom die Auslösekriterien der Sicherung, beispielsweise durch Überschreiten der Dauer oder der Stromstärke, löst die Sicherung aus. Die Sicherung ist dabei so dimensioniert, dass ein Auslösen erfolgt, bevor ein noch intakter Kondensator Schaden nimmt.

[0016] Vorteilhaft ist es des Weiteren, wenn die Schutzdioden als Suppressordioden ausgeführt sind. Eine Suppressordiode, auch Transient Voltage Suppressor Diode (TVS-Diode) genannt, weist beispielsweise gegenüber Zenerdioden eine steilere Kennlinie bei großen Strömen und ein höheres Ableitvermögen auf. Die Ansprechzeit liegt im Bereich von Nanosekunden und die Spannung steigt bei sehr hohen Strömen noch weniger an als bei Zenerdioden. Die Durchbruchspannung und der Leckstrom einer derartigen Diode haben im Normalbetrieb keinen Einfluss auf die zu schützenden Kondensatoren.

[0017] Bei einer zeitlich unbegrenzten Überspannung, wie dies im Falle eines Kurzschlusses eines Kondensators der Fall ist, brennt die betroffene Suppressordiode durch, d.h. sie wird auf Dauer leitend. Dieses thermische Versagen geschieht kontrolliert, sodass es zu keiner Beschädigung benachbarter Bauteile kommt. Die durchgebrannte Suppressordiode verhindert zudem die neuerliche Inbetriebnahme der Schaltung ohne vorhergehende Untersuchung des fehlerhaften Kondensators.

[0018] Günstig ist es auch, wenn jeder Kondensator als gepolter Elektrolyt-Kondensator ausgeführt ist. Diese Kondensatoren weisen bei geringen Preisen hohe Kapazitäten auf, und durch die Wahl einer hohen Spannungsfestigkeit wird die Anzahl der in Serie geschalteten Kondensatoren gering gehalten.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: [0020] Fig. 1 Anordnung mit zwei Kondensatoren [0021] Fig. 2 Anordnung mit n Kondensatoren [0022] Die Erfindung ist für alle Schaltnetzteile mit wenigstens zwei in Serie geschalteten Kondensatoren anwendbar, unabhängig vom Typ des Schaltwandlers (Tiefsetzer, Hochsetzer, Sperrwandler, Flusswandler etc.). Die Elemente des Schaltwandlers - Dioden, Spulen, Schaltelemente etc. -sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

[0023] Die Funktionsweise der Schaltung wird anhand zweier Kondensatoren näher erläutert. Fig. 1 zeigt zwei in Serie geschaltete Kondensatoren CI, C2, insbesondere gepolte Elektrolyt-Kondensatoren, welche über eine Sicherung S an eine Spannung Uv geschaltet ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine gleichgerichtete Netzspannung, sodass die beiden Konden- 2/5 österreichisches Patentamt AT507 875B1 2012-09-15 satoren C1, C2 Pufferelemente eines Zwischenkreises bilden.

[0024] Parallel zu den beiden Kondensatoren C1, C2 ist eine Serienschaltung zweier Schutzdioden TVS1, TVS2, insbesondere Suppressordioden, angeordnet. Die Verbindung zwischen den zwei Schutzdioden TVS1, TVS2 ist über einen einzelnen Heißleiter NTC mit der Verbindung zwischen den zwei Kondensatoren C1, C2 verbunden.

[0025] Die Schutzdioden TVS1, TVS2 sind in der Weise dimensioniert, dass sie im störungsfreien Betrieb sperren. Die Spannung Uv teilt sich dabei auf die beiden Kondensatoren C1, C2 auf, wobei die Durchbruchspannung jeder Schutzdiode TVS1 bzw. TVS2 über der zugeordneten Kondensatorspannung liegt.

[0026] Zudem liegt die Durchbruchspannung jeder Schutzdiode TVS1 bzw. TVS2 unterhalb der zulässigen Spannung des zugeordneten Kondensators C1 bzw. C2.

[0027] Tritt beispielsweise eine Störung des ersten Kondensators C1 auf und sinkt infolge dessen die an ihm anliegende Spannung, steigt im selben Ausmaß die Spannung am zweiten Kondensator C2. Erreicht diese Spannung am zweiten Kondensator C2 die Durchbruchspannung der zugeordneten zweiten Schutzdiode TVS2, wird diese leitend. Es fließt Strom aus dem zweiten Kondensator C2 durch die zweite Schutzdiode TVS2, wobei der dazwischen geschaltete Heißleiter NTC ein zu schnelles Ansteigen des Stromes verhindert. Die zweite Schutzdiode TVS2 und der Heißleiter NTC nehmen dabei Leistung auf und entlasten damit den zweiten Kondensator C2, sodass dieser seine maximal zulässige Spannung nicht erreicht. Im Falle eines Spannungsabfalls am zweiten Kondensator C2 wird in vergleichbarer Weise die erste Schutzdiode TVS1 leitend und es fließt wieder Strom über den Heißleiter NTC durch diese Schutzdiode TVS1.

[0028] Insbesondere die Leistungsaufnahme von Suppressordioden kann den zugeordneten Kondensator C1 bzw. C2 für einige Millisekunden schützen. Bleibt die Störung bestehen, brennt die betroffene Schutzdiode TVS1 bzw. TVS2 durch und der resultierende Kurzschlussstrom bzw. Ableitstrom führt zum Auslösen der Sicherung S, bevor die Spannung am intakten Kondensator C1 bzw. C2 die zulässige Spannung übersteigt.

[0029] Im äußersten Störungsfall kommt es zu einem Kurzschluss eines Kondensators. Ist beispielsweise der erste Kondensator CI kurzgeschlossen, fließt Strom durch diesen ersten Kondensator C1, den Heißleiter NTC und die zweite Schutzdiode TVS2, bis die Sicherung S auslöst. Die vom Heißleiter NTC und der leitenden Schutzdiode TVS2 aufnehmbare Leistung ist dabei in der Weise auf die Auslösecharakteristik der Sicherung S ausgelegt, dass eine Stromunterbrechung mittels Sicherung S erfolgt, bevor der intakte Kondensator C2 Schaden nimmt.

[0030] In Fig. 2 ist eine entsprechende Anordnung mit n in Serie geschalteten Kondensatoren C1, C2...Cn dargestellt. Dabei sind n-1 Heißleiter NTC^..NTCn-ι vorgesehen, wobei jeweils ein Heißleiter zwischen eine Verbindung zweier Kondensatoren und die Verbindung der zugeordneten Schutzdioden geschaltet ist. Im Störungsfall wirken somit die zugeordneten Heißleiter mit den davor und den danach angeordneten Schutzdioden zusammen.

[0031] Jede Schutzdiode TVS1 bzw. TVS2...TVSn ist wieder in der Weise dimensioniert, dass die Durchbruchspannung unterhalb der zulässigen Spannung des zugeordneten Kondensators C1 bzw. C2...Cn und oberhalb einer im Normalbetrieb am Kondensator C1 bzw. C2...Cn anliegenden Sollspannung liegt. 3/5

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT507 875B1 2012-09-15 Patentansprüche 1. Schaltnetzteil mit wenigstes zwei Kondensatoren (C1, C2...Cn), welche in Serie an eine Spannung (Uv) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kondensator (C1, C2...Cn) in der Weise eine Schutzdiode (TVS1, TVS2...TVSn) zugeordnet ist, dass die Schutzdioden (TVS1, TVS2...TVSn) in Serie an der Spannung anliegen (Uv) und dass jede Verbindung zwischen zwei Kondensatoren (C1, C2...Cn) mit der Verbindung zwischen den zugeordneten Schutzdioden (TVS1, TVS2...TVSn) über einen einzelnen Heißleiter (NTC, NTCv..NTCn-ι) verbunden ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schutzdiode (TVS1, TVS2...TVSn) als Suppressordiode ausgeführt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kondensator (C1, C2...Cn) als gepolter Elektrolyt-Kondensator ausgeführt ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5