AT512623A1

AT512623A1 - Voltage limiter with backfeed

Info

Publication number: AT512623A1
Application number: ATA284/2012A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-15
Also published as: AT512623B1

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.Parasitic inductances are unavoidable. They occur in every real circuit and depend on the geometric dimensions of the circuit structure. When coupled coils are used, the unavoidable stray inductance of the coupled coils still comes into play. A simple voltage limiter consists of a capacitor in series with a diode. In order not to let the energy in the capacitor become too large, the voltage at the limiter network, which is also the maximum voltage appearing at the switch, is allowed to rise to a predetermined value and then discharges the capacitor in whole or in part by a vibrating operation e.g. into the input voltage source. As a result, this energy stored in the stray or parasitic inductances is largely available again. There is a potential-based and a potential-free variant possible.

Description

Spamnmgsbegrenzer mit RückspeisungSpamnmgsbegrenzer with feedback

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.The invention relates to a voltage limiting network consisting of a series circuit, connected in parallel with the protective component, of a first capacitor (CI) and a first diode (D1), a coil (L), a second diode (D2), an active switch (S1). with control.

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 einfacherParasitic inductances are unavoidable. They occur in every real circuit and depend on the geometric dimensions of the circuit structure. Short links, on the one hand, and accurate analysis of the inductance effect on the other hand, and more sophisticated wiring are crucial. When coupled coils are used, the unavoidable stray inductance of the coupled coils still comes into play. Especially converters with potential separation, but also converters that use Spartrafostrukturen must live with this problem. In addition to attempting to turn on the drive so that the current in the critical device is zero when it is turned off, there are two possible ancillary circuits, namely, relief networks and surge limiting networks. Relief networks additionally reduce the switching load of the thus shaded switching element, while voltage limiters limit only the maximum voltage at the switching element. A simple one

Sparmungsbegrenzer bestehLaus einem Kondensator in Serie mit einer Diode-Beim---------Low-voltage limiter consists of a capacitor in series with a diode When ---------

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/20120305Turn off the excess energy, which is the energy of the parasitic inductances or the energy of the leakage inductance, charged into the capacitor. So that the voltage at the capacitor now does not increase arbitrarily and thus also the voltage at the component to be protected, the energy at the capacitor must be limited. This happens e.g. By converting it into heat in a resistor, for small converters this is a simple solution that, while at the expense of efficiency, is easy to implement. For higher scattering energies, however, a voltage limitation with energy recovery should be considered. In the article K.H. Edelmoser, F. A. Himmelstoss: DC-to-DC Solar Converters 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 uses an active voltage limiting network for a solar converter operating at low operating voltage and therefore high current. In this case, a small DC / DC converter is used, which keeps the energy of the capacitor and therefore its voltage constant. 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.Due to the low voltage levels can be realized with readily available integrated control circuits a suitable step-down converter, which leads to a noticeable improvement in the efficiency.

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.In the subject invention, another way is now taken. One does not use a fixed voltage-limiting respiration, but lets the voltage at the limiting network, which is also the maximum voltage occurring at the switch, rise to a predetermined value and then discharges the capacitor in whole or in part by a vibrating operation, e.g. into the input voltage source. As a result, this energy stored in the stray or parasitic inductances is largely available again. The control is relatively simple. If the voltage across the limiter network exceeds the maximum value (easy to detect with a comparator) and at the same time the switch to be protected is turned on (this second condition is not basically necessary, but facilitates only the sequence control), the resonant recharging process is triggered. The recovery process is thus dependent on the excess energy. At low currents, the energies to be absorbed by the limiter network per switching operation are correspondingly lower, and the transient is less frequent.

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).The figures show: a buck converter with voltage limiter (FIG. 1) and the two basic embodiments of the subject invention, namely with potential (FIG. 2) and potential-free (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.Figure 1 illustrates a buck converter, as e.g. The actual load is represented as a current source (1) and the actuator consists of the active switch (S), drawn by way of example by an IGBT and the freewheeling diode (D). In La, the leakage inductance is summarized. However, this can also be formed by the current increase limiting coil. Via the diode (Dl), the leakage inductance can deliver its energy to the capacitor (CI). The diode D2, the coil L and the active switch (Sl), exemplified as a MOSFET, form the regenerative device to transport energy from the capacitor (CI) to the source (U), which is also the supply of the buck converter.

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/20120305Fig. 2 shows the main circuit of the voltage limiter with feedback. The switch to be protected is connected home voltage arrow us, the source is fed back to the voltage arrow U. You can see, one pole of the switch to be protected and one pole (the negative) of the source to be fed back are connected. 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.Fig. 3 shows the basic circuit of the voltage limiter with potential-free feedback. The switch to be protected is connected to the voltage arrow Us, the source to which it is fed back is at the voltage arrow 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 fferentialintegralgleichungThe circuit will be explained on the basis of a buck converter (FIG. 1). The current source represents the load inductance (e.g., a machine winding), the source of leakage inductance is exemplified by La, but is irrelevant to the investigation of the recovery process. But it is the cause that the first capacitor (CI) to a voltage greater than the operating voltage (U) charges. The energy transfer from the first capacitor (CI), which is charged to the voltage Ux (x> 1), into the voltage (U) with the value U can be achieved with the active switch (Sl) and conductive diode (D2) switched on from the switch-on instant (t = 0) of the active switch (Sl) through the di fferentialintegralgleichung

beschrieben werden. Der Umschwingstrom ergibt sich damit zu U(x-1)to be discribed. The Umschwingstrom thus results in U (x-1)

Λ j i =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)coThis equation is only valid as long as the current is positive. If the current is zero, the diode blocks (D2), the current flow is completed. The voltage curve at the limiting capacitance (CI) results in (x-l) co

\ j + 1 .\ j + 1.

uc=Uuc = U

Der Kondensator (CI) entlädt sich daher von uc(0)=U-x auf den Wert «c(WZc)=t/(2-jc).The capacitor (CI) therefore discharges from uc (0) = U-x to the value «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.It can be seen that the capacitor is fully discharged when charged to twice the voltage of the source in which the energy must be transported. If it was charged more than twice as much, the voltage across the capacitor would be negative. If the switch to be relieved is switched on, then the relief diode (Dl) 3 P97 / fh / 20120305 will switch on and clamp the voltage to a slightly negative value. From then on, the regenerative current would no longer be sinusoidal, but would decrease linearly. It would also be possible to connect another diode in parallel with the capacitor (CI) in order to prevent the voltage across it from becoming negative. Which value one will take for x depends on the concrete application.

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.The discussed structure is particularly suitable for low side switch (s) connected to ground. But you can also replace the Umschwingspule by two coupled coils. Due to the transformer effect a potential separation can be achieved. It is no longer necessary that the switch to be protected and the source to be fed into are galvanically connected. This way high side switches can be protected, or the energy can be fed to a floating side of the converter. Of course, the secondary side of the transformer, the second of the coupled coils, can not be connected directly to the source to be fed. To record the DC component, a capacitor must be connected in series with the winding.

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.In terms of circuitry, care must be taken to ensure that the source to be supplied with has a low impedance. This is to ensure that in the limiter network, a capacitor is connected in parallel to this. Thus, it is also possible that the source to be fed into is mechanically further away from the switch to be protected, since the line inductance no longer interferes with this capacitor.

Um Schwingungen zwischen Schalterkapazität und Verdrahtungsinduktivitäten zu vermeiden, kann parallel zu den elektronischen Schaltern Serienschaltungen eines Widerstands mit einem Kondensator geschaltet werden.In order to avoid oscillations between switch capacitance and wiring inductances, series connections of a resistor with a capacitor can be connected in parallel with the electronic switches.

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/20120305The task of utilizing the energy stored in parasitic inductances or in stray inductances is achieved according to the invention in that a series connection consisting of active switch (S1), second diode (D2), coil (L), and parallel to the first capacitor (CI) receiving voltage (U) is connected, or that in parallel to the first capacitor (CI) is a series circuit consisting of active switch (Sl), second diode (D2), first coil (LI) and to the receiving voltage (U) a series circuit, consisting of second coil (L2) and second capacitor (C2), is connected. In order to avoid parasitic oscillations, a series circuit of resistor and capacitor can be connected in parallel with the protective component. Likewise, a series circuit of resistor and capacitor can be connected in parallel to the switch (Sl). So that the receiving voltage is low-impedance from the point of view of the regenerative unit of the voltage limiter 4 P97 / fh / 20120305, a further capacitor should be connected in parallel to the receiving voltage (U). To negative voltage that occur under certain circumstances on the capacitor (CI), parallel to the first capacitor (CI) another diode can be switched. 5 P 97 / fh / 20120305

Claims

1. Spannungsbegrenzemetzwerk, consisting of a parallel to the protective component connected in series circuit of a first capacitor (CI) and a first diode (Dl), a coil (L), a second diode (D2), an active switch (Sl) with Control characterized in that parallel to the first capacitor (CI), a series circuit consisting of active switch (Sl), second diode (D2), coil (L) and aufhehmende voltage (U), is connected.

2. Spannungsbegrenzemetzwerk, consisting of a parallel to the protective component connected in series circuit of a first capacitor (CI) and a first diode (Dl), two magnetically coupled together coils (LI, L2), a second diode (D2), a second capacitor (C2) and an active switch (Sl) with control characterized in that parallel to the first capacitor (CI), a series circuit consisting of active switch (Sl), second diode (D2), first coil (LI) and the aufhehmende voltage (U) a series circuit consisting of the second coil (L2) and the second capacitor (C2) is connected.

3. Spannungsbegrenzemetzwerk according to claim 1 or 2, characterized in that parallel to the protective device, a series circuit of resistor and capacitor is connected.

4. 'Spannungsbegrenzemetzwerk according to claim 1,2 or 3, characterized in that parallel to the switch (Sl), a series circuit of resistor and capacitor is connected.

5. voltage limiting network according to claim 1,2,3 or 4, characterized in that parallel to the aufhehmenden voltage (U), a further capacitor is connected.

6. Spannungsbegrenzemetzwerk according to claim 1,2,3 or 4, characterized in that parallel to the first capacitor (CI), a further diode is connected. 6 P97 / fh / 20120305