DE10027088C2

DE10027088C2 - Schaltungsanordnung zur galvanisch isolierten Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Leistungsschalters

Info

Publication number: DE10027088C2
Application number: DE2000127088
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Klemt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: DE10027088A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von ladungsgesteuerten Leistungsschaltern mit einem Tastverhältnis von 0 bis 100%. Bei dieser Schaltungsanordnung werden aus einem Ansteuersignal Impulse in positiver und negativer Richtung mit gleichen Spannungs-Zeit-Flächen erzeugt, die unverzerrt über einen Übertrager transformiert werden, wobei der Übertrager nicht in Sättigung gerät, was entscheidende Vorteile hat. Diese Schaltungsanordnung wird in einer Ansteuerschaltung für Leistungsschalter eingesetzt, bei der auf der Sekundärseite des Übertragers eine Schaltungsanordnung verwendet wird, welche die kurzen, übertragenen Impulse verlängert.

Von International Rectifier (Application Note 950B) ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der in den Eingang des Übertragers eine Rechteckspannung mit beliebigem Tastverhältnis eingegeben wird, wobei der Übertragers so bemessen wird, daß er nach kurzer Zeit in Sättigung gerät und damit die Eingangsspannung über dem Übertrager zusammenbricht. Die vom Übertrager gelieferten Impulse werden durch zwei Feldeffekttransistoren auf der Sekundärseite verlängert, so daß das ursprüngliche Ansteuersignal reproduziert wird. Diese Schaltungsanordnung hat gravierende Nachteile:
Obwohl diese Anordnung auf den ersten Blick als eine ideale Lösung erscheint, das Problem einer potentialtrennenden Schalteransteuerung mittels eines Übertrager zu lösen, hat sie Nachteile, die einen praktischen Einsatz unpraktikabel macht:

- Der gesättigte Übertrager stellt einen Kurzschluß dar, so daß er mit einer vorgeschalteten Impedanz, hier Z (Fig. 1), betrieben werden muß, andererseits benötigen Leistungsschalter aber zum verlustarmen Umschalten Ansteuerschaltungen mit niedriger Impedanz, so daß man mit dieser Anordnung entweder hohe Verluste durch Z und den gesättigten Übertrager oder hohe Verluste durch lange Schaltzeiten der Schalter in Kauf nehmen muß.
- Der Übertrager wird in positiver und negativer Richtung, d. h. zweimal pro Periode der Schaltfrequenz in Sättigung gesteuert, was hohe, insbesonders mit steigender Schaltfrequenz stark ansteigende Kernverluste bedeutet.
- Da der Übertrager mit jedem Impuls in Sättigung geht, speichert er dabei die für sein Volumen maximal mögliche magnetische Energie, was dazu führt, daß an der Rückflanke der vom Übertrager erzeugten Impulse durch seine Streuinduktivität und die Eigenkapazität der Schalter starke Eigenschwingungen entstehen, die zu Fehlschaltungen des angeschlossenen Leistungsschalters auf der Sekundärseite führen. Dasselbe Problem besteht bezüglich kapazitiver Anteile der Eigenimpedanz Z1.
- Die Dauer der vom Übertrager gelieferten Impulse ist proportional seiner Sättigungsinduktion und besitzt damit deren Temperaturabhängigkeit. Da man bei höheren Schaltfrequenzen, die beim heutigen Stand der Technik üblich sind, auf Ferrite als Kernmaterial zurückgreifen muß, besitzt die Impulsdauer deren starke Temperaturabhängigkeit, ein großer Nachteil der Methode.

Aus der US 47 48 351 ist eine Schaltungsanordnung zur potentialfreien Ansteuerung von ladungsgesteuerten Leistungsschaltern mit positiven und negativen Spannungsimpulsen mittels eines Übertragers bekannt, wobei aus einem Ansteuersignal mit beliebigem Tastverhältnis ein erstes und ein zweites Signal erzeugt wird. Das erste Signal besteht aus kurzen Impulsen, wobei ein einzelner Impuls jeweils bei der positiven Flanke des Ansteuersignals beginnt, das zweite Signal besteht aus kurzen Impulsen wobei ein einzelner Impuls jeweils bei der negativen Flanke des Ansteuersignals beginnt. Das erste bzw. das zweite Signal liegt am Eingang eines ersten bzw. zweiten Leistungsverstärkers an. Der Verstärkerausgang des ersten Leistungsverstärkers ist über eine Reihenschaltung bestehend aus einem Kondensator und der Primärwicklung des Übertragers mit dem Verstärkerausgang des zweiten Leistungsverstärkers verbunden. Bei diesem Stand der Technik wird während einer Periode des Ansteuersignals lediglich je ein Impuls bei ansteigender und abfallender Flanke erzeugt. Bei niederfrequenten Ansteuerimpulsen hat dies den Nachteil, dass sich das Gate des Leistungsschalters auf der Sekundärseite über den Parallelwiderstand merklich entlädt und so zu einem unbestimmten Schaltzustand des Leistungsschalters führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für eine potentialfreie Ansteuerung eines Leistungsschalters anzugeben, welche auch bei niederfrequenten Ansteuerimpulsen unbestimmte Schaltzustände des Leistungstransistors verhindert.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbildern näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungsschalters nach dem Stand der Technik gemäß der Application Note 950B

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungsschalters.

Fig. 3 zeigt die Rechteckspannung U_IN für die Ansteuerung des Leistungsschalters.

Fig. 4 zeigt den kurzen Impuls U_AU1, der jeweils bei der positiven Flanke des Signals U_IN beginnt.

Fig. 5 zeigt den kurzen Impuls U_AU2, der jeweils bei der negativen Flanke des Signals U_IN beginnt.

Fig. 6 zeigt den Signalverlauf U₁ am Eingang des Übertragers.

Fig. 7 zeigt den Signalverlauf U₃ am Steuereingang G des Leistungsschalters LT.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Schaltungsanordnung ähnlich der US 4748351. Es besteht aus folgenden Baugruppen: den zwei Univibratoren U_N1 und U_N2, den zwei digitalen Leistungsverstärkern V1 und V2, dem Kondensator C1 und dem Übertrager Ü.

Als Eingangssignal liegt eine Rechteckspannung U_IN gemäß Fig. 3 vor. Aus dieser Rechteckspannung werden zwei Impulse U_AU1 und U_AU2 z. B. mit zwei Univibratoren UN1 und UN2 erzeugt. Der Impuls U_AU1 (siehe Fig. 4) beginnt jeweils bei der positiven Flanke von U_IN und der Impuls U_AU2 (siehe Fig. 5) jeweils bei der negativen Flanke von Um. Die Impulse U_AU1 und U_AU2 haben die gleiche Amplitude und Zeitdauer und im Verhältnis zur Periodendauer T des Signals U_IN eine kurze Dauer. Der Univibrator UN1 muß einen Reset- Eingang haben, der den Univibrator UN1 zurücksetzt, falls die fallende Flanke des Eingangssignals U_IN zeitlich vor Ablauf der Impulsdauer T_UN1 erfolgt. Der Univibrator UN2 muß einen Reset-Eingang haben, der den Univibrator UN2 zurücksetzt, falls die steigende Flanke des Eingangssignals U_IN zeitlich vor Ablauf der Impulsdauer T_UN2 erfolgt. Dieser Fall tritt dann ein, wenn das Tastverhältnis sehr hohe oder sehr kleine Werte annimmt. Ohne diese Reset-Eigenschaften würde der Fall eintreten, daß kurzzeitig beide Univibratoren einen Impuls am Ausgang erzeugen, was zu Fehlschaltungen führen würde.

Die Zeiten T_UN1 und T_UN2 werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie die Schaltzeiten des Leistungsschalters LT und die Ausgleichsvorgänge in seinem Lastkreis abdecken, denn dann sieht dieser Schalter, im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1 mit ihrem notwendigen Vorwiderstand Z, eine aktive Ansteuerschaltung mit kompromißlos niedriger Impedanz, eine für Wirkungsgrad und Betriebssicherheit optimale Vorraussetzung.

Die Fig. 2 bis 6 beziehen sich auf eine dem Stand der Technik nach der US 47 48 351 ähnliche Schaltungsanordnung, bei welcher lediglich ein Impuls bei ansteigender bzw. abfallender Flanke des Eingangssignals erzeugt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 wird unterschiedlich dazu bei der positiven Flanke des Ansteuersignals U_IN eine Impulsfolge statt eines Einzelimpulses erzeugt. Dieser Fall tritt bei kleinen Schaltfrequenzen und somit großer Periodendauer T des Ansteuersignals ein (ca. < 10 kHz). Die Periodendauer T bestimmt die maximale Dauer für die Entladung der im Leistungsschalter LT enthaltenen Eingangskapazität. Diese Entladung geschieht über den parallel geschalteten Widerstand R3. Die Impulsfolge sorgt für eine Verkleinerung dieser Entladezeit und ermöglicht dadurch die Verwendung eines kleineren Widerstandswertes R3, was in manchen Anwendungen erforderlich sein kann.

Die digitalen Leistungsverstärker V1 und V2 haben folgende Eigenschaften: die Leistungsverstärker V1 und V2 enthalten jeweils eine komplementäre Endstufe, die den Ausgang der Leistungsverstärker bei einem positiven Signalpegel am Eingang zur positiven Versorgungsspannung V+ und bei dem Bezugspotential GND am Eingang des Leistungsverstärkers zum zweiten Pol der Versorgungsspannung V- durchschaltet. Die komplementäre Enstufe hat weiterhin die Eigenschaft, daß der hohe Ausgangsstrom in beiden Richtungen fließen kann.

Die digitalen Leistungsverstärker V1 und V2 haben die Aufgabe, die Signale U_AU1 und U_AU2 so zu verstärken, daß ihre Ausgänge niederohmig sind, um den hohen Impulsstrom für die Ansteuerung des Leistungsschalters LT auf der Sekundärseite des Übertragers Ü zu liefern. Während der Impulsdauer des Signals U_AU1 ist somit der Ausgang AV1 des Leistungsverstärkers V1 mit der positiven Versorgungsspannung (V+) und der Ausgang AV2 des Leistungsverstärkers V2 mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung (V-) verbunden, so daß auf der Primärseite des Übertrager Ü die Spannungsdifferenz (V+) - (V-) anliegt. Während der Impulsdauer des Signals U_AU2 ist der Ausgang AV2 des Leistungsverstärkers V2 mit der positiven Versorgungsspannung (V+) und der Ausgang AV1 des Leistungsverstärkers V1 mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung (V-) verbunden, so daß auf der Primärseite des Übertragers Ü die Spannungsdifferenz (V-) - (V+) anliegt. Während der Zeitintervalle, bei denen weder der Impuls des Signals U_AU1 noch der Impuls des Signals U_AU2 anliegt, sind die Ausgänge der Leistungsverstärker V1 und V2 mit demselben Pol der Versorgungsspannung (V-) verbunden. Am Übertrager liegt somit die Spannung 0 Volt an, aber und das erhöht wesentlich die Störspannungsfestigkeit der Anordnung, aus niederohmiger Quelle.

Am Ausgang des Übertragers Ü liegt das Signal U₂ an, welches dieselbe Kurvenform wie das Eingangssignal U₁ des Übertragers hat. Zum Einschalten des Leistungstransistors LT liegt der positive Impuls und zum Ausschalten der negative Impuls an. Die zwei Feldeffekttransistoren auf der Sekundärseite des Übertragers verlängern die Impulse am Übertragerausgang bis zum nächsten Impuls mit entgegengesetztem Vorzeichen. Am Leistungstransistor LT liegt somit der gewünschte Kurvenverlauf U₃ an (Fig. 7)

Der Kondensator C1 übernimmt den Gleichspannungsanteil, der bei Unsymmetrien zwischen der Impulsdauer T_UN1 und T_UN2 entsteht. Dieser Fall tritt wie oben beschrieben dann auf, wenn das Tastverhältnis sehr hohe oder sehr kleine Werte annimmt, und der Reset-Eingang des entsprechenden Univibrators die Impulslänge verkürzt. Eine weitere Aufgabe des Kondensators C1 besteht darin, die Störspannungsspitzen beim Abschalten des Magnetisierungsstromes erheblich zu reduzieren, da der Magnetisierungsstrom in den Kondensator weiter fließen kann und sich somit langsam und nicht schlagartig verringert. Die Kapazität ist dabei im Gegensatz zur Schaltung nach dem Stand der Technik Fig. 1, so bemessen, daß der kapazitive Widerstand klein gegenüber den Durchlaßwiderständen in den Leistungsverstärkern V1 und V2 ist, und somit die niedrige Impedanz der Ansteuerschaltung nicht erhöht.

Die erfundene Schaltungsanordnung hat gegenüber bisheriger Schaltungspraxis entscheidende Vorteile:
Die Ausgangsstufen der Leistungsverstärker V1 und V2 führen nur den kurzzeitig hohen Ein- und Ausschaltstrom für den anzusteuernden Leistungsschalter, sowie den kleinen Magnetisierungsstrom, da der Übertrager nicht in Sättigung gerät. Die unerwünschten Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten sind im Vergleich zur Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik wesentlich geringer. Somit funktioniert die erfundene Schaltungsanordnung zuverlässig und benötigt gleichzeitig weniger Energie für die Ansteuerung des anzusteuernden Leistungsschalters LT. Die erfundene Schaltungsanordnung kann als integrierter Baustein realisiert und sogar in die bisher gängigen Bausteine zur Pulsweitenmodulation mit eingefügt werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur potentialfreien Ansteuerung von ladungsgesteuerten Leistungsschaltern mit positiven und negativen Spannungsimpulsen mittels eines Übertragers, wobei
aus einem Ansteuersignal (U_IN) mit beliebigem Tastverhältnis ein erstes Signal (U_AU1) und ein zweites Signal (U_AU2) erzeugt wird,
das erste Signal (U_AU1) aus einer Folge von Impulsen besteht, die jeweils bei der positiven Flanke des Ansteuersignals (U_IN) beginnt und bei der negativen Flanke des Ansteuersignals (U_IN) endet,
das zweite Signal (U_AU2) aus einer Folge von Impulsen besteht, die jeweils bei der negativen Flanke des Ansteuersignals (U_IN) beginnt und bei der positiven Flanke des Ansteuersignals (U_IN) endet,
das erste Signal (U_AU1) an dem Eingang eines ersten Leistungsverstärkers (V1) und das zweite Signal (U_AU2) an dem Eingang eines zweiten Leistungsverstärkers (V2) anliegt,
der erste Leistungsverstärker (V1) und der zweite Leistungsverstärker (V2) jeweils einen ersten und einen zweiten Schalter enthalten, die die Verstärkerausgänge (AV1, AV2) entweder mit einem ersten Potential (V+) oder mit einem zweiten Potential (V-) verbinden,
der erste Schalter des ersten Leistungsverstärkers (V1) während der Impulsdauer des ersten Signals (U_AU1) eine Verbindung seines Verstärkerausgangs (AV1) zu dem ersten Potential (V+) und der zweite Schalter des ersten Leistungsverstärkers (V1) während der restlichen Dauer des ersten Signals (U_AU1) eine Verbindung zu dem zweiten Potential (V-) herstellt,
der erste Schalter des zweiten Leistungsverstärkers (V2) während der Impulsdauer des zweiten Signals (U_AU2) eine Verbindung seines Verstärkerausgangs zu dem ersten Potential (V+) und der zweite Schalter des zweiten Leistungsverstärkers (V2) während der restlichen Dauer des zweiten Signals (U_AU2) eine Verbindung zu dem zweiten Potential (V-) herstellt, und wobei
der Verstärkerausgang (AV1) des ersten Leistungsverstärkers (V1) über eine Serienschaltung, bestehend aus einem Kondensator (C1) und der Primärwicklung des Übertragers (Ü), mit dem Verstärkerausgang (AV2) des zweiten Leistungsverstärkers (V2) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite (T_UN1, T_UN2) der Impulse des ersten und des zweiten Signals (U_AU1, U_AU2) klein gegenüber der Periodendauer (T) des Ansteuersignals (U_IN) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite (T_UN1) der Impulse des ersten Signals (U_AU1) kürzer als die Zeitdauer des eingeschaltenen Zustands des Ansteuersignals (U_IN) und die Impulsbreite (T_UN2) der Impulse des zweiten Signals (U_AU2) kürzer als die Zeitdauer des ausgeschaltenen Zustands des Ansteuersignals (U_IN) ist.