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Die Erfindung betrifft eine Bootstrap-Spannungsversorgung gemäß den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Derartige Bootstrap-Spannungsversorgungen sind bekannt, es wird in
diesem Zusammenhang beispielhaft auf DE 198 17 767 A1 verwiesen.
Solche Schaltungen werden insbesondere auch in elektronischen
Frequenzumrichtern eingesetzt, um die Steuerspannung für die Gatetreiber
bereitzustellen. Es wird in diesem Zusammenhang auf den Stand der Technik
nach US-PS 6,147,887 verwiesen.
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Ein Frequenzumrichter zur Ansteuerung eines Motors weist üblicherweise
sechs Leistungshalbleiterschaltelemente auf, die jeweils paarweise einer
Motorwicklung zugeordnet sind und in an sich bekannter Weise
angesteuert werden, um den Motor in der gewünschten Weise zu fahren.
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Um die Leistungshalbleiterschaltelemente, beispielsweise Transistoren,
anzusteuern, wird ein Schaltspannung von z. B. 15 Volt zwischen Basis und
Emitter benötigt. Während dies auf der Lowside, wo der Emitter eines
Transistors regelmäßig potentialfrei liegt, unproblematisch ist, ist auf der
Highside der Emitter des Transistors mit dem Potential des
Umrichterausgangs verbunden, das sich schaltbedingt ständig ändert. Hier kann eine
Bootstrap-Spannungsversorgung eingesetzt werden, um auch eine
entsprechende Änderung der Steuerspannung des Gatetreibers
herbeizuführen. Eine solche Bootstrap-Spannungsversorgung besteht
typischerweise aus einer Bootdiode, die mit ihrer Anode an einer im Wesentlichen
konstanten Spannung Vcc anliegt und kathodenseitig meist über einen
Bootstrap-Widerstand mit einer Seite eines Bootstrap-Kondensators
verbunden ist, der die Steuerspannung des Gatetreibers bildet.
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Nachteilig bei einer solchen bekannten Bootstrap-Spannungsversorgung
ist, dass der Bootstrap-Kondensator vergleichsweise groß dimensioniert sein
muss, um hohe Ladeströme aufnehmen zu können. Andererseits muss die
Spannungsversorgung entsprechend groß dimensioniert sein. Darüber
hinaus ist eine Bootstrap-Spannungsversorgung bekannter Art bei
hochdynamischen Systemen mit kurzen Pulsen nur sehr bedingt einsetzbar.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Bootstrap-Spannungsversorgung der eingangs beschriebenen Art zu
verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der
Zeichnung angegeben.
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Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die
Bootstrap-Spannungsversorgung mindestens mit einer aktiven Strombegrenzung, oder mit
einer Spannungsregelung oder letztere ggf. zusätzlich auch noch mit einer
Strombegrenzung auszustatten. Hierdurch können die Ladeströme des
Kondensators begrenzt werden, so dass die Bauteile der
Bootstrap-Spannungsversorgung insgesamt kleiner dimensioniert werden können,
insbesondere jedoch der Kondensator, der sowohl von der Baugröße als
auch von den Baukosten besonders ins Gewicht fällt.
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Bevorzugt ist der aktive Strombegrenzer und/oder der Spannungsregler
zwischen die Bootdiode und den Bootkondensator geschaltet, wobei im
Fall der Spannungsreglung die Schaltung zwischen Bootdiode und der
umrichterausgangsseitigen Seite des Bootkondensators und im Fall der
Strombegrenzung zwischen Bootdiode und der anderen Seite des
Kondensators angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Strombegrenzer durch zwei zwischen Bootdiode
und Bootkondensator mit ihrer Kollektor-Emitter-Strecke parallelgeschaltete
Transistoren gebildet wird, bei denen die Basis des einen Transistors mit
dem Kollektor des anderen Transistors und über einen Reihenwiderstand
mit der Bootdiode und die Basis des anderen Transistors mit dem Emitter
des einen Transistors und über einen Reihenwiderstand mit dem
Bootkondensator verbunden ist. Eine solche Anordnung ist besonders günstig,
da sie mit wenigen elektronischen Bauteilen kostengünstig zu realisieren ist.
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Die Spannungsversorgung sollte dabei so ausgelegt werden, dass die
Versorgungsspannung mindestens 3 Volt über der Schaltspannung des
Schaltelementes liegt, damit stets sichergestellt ist, dass eine ausreichend
hohe Steuerspannung am Treiber anliegt.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Bootstrap-Spannungsversorgung
mit einem Spannungsregler versehen sein, indem parallel zum
Strombegrenzer und dem Bootkondensator eine Zenerdiode geschaltet wird.
Dabei liegt die Anode der Zenerdiode am Umrichterausgang des
Schaltelements an und die Kathode über einen Reihenwiderstand an der
Kathode der Bootdiode und an der Basis des Transistors, der unmittelbar mit der
Bootdiode verbunden ist an.
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Der Bootkondensator ist üblicherweise als Tantalkondensator ausgelegt,
der bekanntermaßen keine großen Ladeströme verträgt und auch hohe
Baukosten bedingt. Es ist deshalb ein stetes Bemühen, die Kapazität des
notwendigerweise vorzusehenden Tantalkondensators so gering wie
möglich zu halten. Dies kann gemäß der Erfindung dadurch erreicht
werden, dass parallel zum Spannungsregler ein weiterer Kondensator
geschaltet ist, wobei dann die Versorgungsspannung mindestens doppelt so
hoch wie die Schaltspannung sein sollte. Dieser weitere Kondensator, der
kein Tantalkondensator zu sein braucht, kann auf höherem
Spannungsniveau Energie speichern und ermöglicht somit eine kleinere
Dimensionierung des eigentlichen Bootkondensators.
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Beim Parallelschalten eines weiteren Kondensators kann der
Spannungsregler in einfacher Weise durch einen Transistor in Verbindung mit einer
Zenerdiode und einem Widerstand gebildet sein, wobei die Kollektor-
Emitter-Strecke des Transistors am Bootkondensator einerseits und
kollektorseitig an der Kathode der Bootdiode andererseits angeschlossen ist. Die
Zenerdiode liegt dabei am Umrichterausgang des Schaltelements
anodenseitig und kathodenseitig an der Basis des Transistors an, die über einen
Widerstand mit dem Kollektor verbunden ist.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer
Bootstrap-Spannungsversorgung mit zwei Gatetreibern und einem
Schaltelementepaar eines Umrichters nach dem Stand der Technik,
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Fig. 2 eine erste Ausführungsvariante gemäß der Erfindung mit
einem Strombegrenzer in Darstellung nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine zweite Ausführungsvariante gemäß der Erfindung mit
einem Spannungsregler und Strombegrenzer in Darstellung
nach Fig. 1,
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Fig. 4 eine dritte Ausführungsvariante gemäß der Erfindung mit
einem Spannungsregler und zusätzlichem,
parallelgeschaltetem Kondensator in Darstellung nach Fig. 1 und
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Fig. 5 eine vierte Ausführungsvariante im Wesentlichen
entsprechend der zweiten Ausführungsvariante nach Fig. 2, jedoch
mit zusätzlich parallelgeschaltetem Kondensator ebenfalls in
Darstellung nach Fig. 1.
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In den Figuren ist jeweils ein Paar von Leistungstransistoren 1 eines Strangs
des Leistungsteils eines Frequenzumrichters zur Ansteuerung eines
Elektromotors dargestellt. Mit Hilfe dieser Transistoren 1 wird aus dem im
Zwischenkreis des Frequenzumrichters anstehenden Gleichspannungssignal ein
Wechselspannungssignal gewünschter Frequenz und Amplitude erzeugt,
das über den Ausgang U der Motorwicklung zugeführt ist. Dabei wird
durch den auf der Lowside befindlichen Transistor 1a die untere Halbwelle
und über den auf der Highside befindlichen Transistor 1a die ober
Halbwelle des Wechselpumpsignals erzeugt.
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Angesteuert werden die Leistungstransistoren 1 über Treiber 2
(Gatetreiber), die über einen Widerstand 3 mit der Basis des jeweiligen Transistors 1
verbunden sind. Um die Transistoren 1 schalten zu können, müssen die
Gatetreiber 2 eine Steuerspannung auf die Transistoren 1 geben, die
typischerweise +15 Volt beträgt. Soweit es den Gatetreiber 2a der Lowside
angeht, kann eine solche Steuerspannung durch entsprechende
Dimensionierung der konstanten Versorgungsspannung Vcc gegenüber Erde
(Ground) GND sichergestellt werden. Der Gatetreiber 2b der Highside liegt
jedoch mit einer Seite am Emitter des Transistors 1b auf dieser Seite, d. h.
am Schaltausgang U, dessen Spannung sich je nach Schaltstellung ständig
ändert. Da der Transistor 1b auf der Highside zum Schalten eine Spannung
benötigt, die stets 15 Volt höher als die Spannung U ist, muss eine
entsprechende Spannungsversorgung des zugehörigen Gatetreibers 2b
vorgesehen sein. Hierzu ist eine Bootstrap-Spannungsversorgung
vorgesehen, die für eine solch erhöhte Steuerspannung gegenüber U sorgt. Sie
besteht aus einer anodenseitig an der Versorgungsspannung Vcc
anliegenden Bootdiode 4, die kathodenseitig an einen Bootwiderstand 5
anschließt, der mit einem Bootkondensator 6 verbunden ist, dessen andere
Seite mit dem Umrichterausgang des Transistors 1b der Highside, also U,
verbunden ist. Der Bootkondensator 6 liegt parallel zum Gatetreiber 2b, so
dass die am Kondensator 6 anliegende Spannung zugleich auch die
Steuerspannung des Treibers 2b bildet.
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Dieser grundsätzliche Schaltungsaufbau, wie anhand der Fig. 1
beschrieben worden ist, zählt zum Stand der Technik und ist, wie sich aus den
Fig. 2 bis 5 ergibt, auch Grundlage der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung. Soweit es die Gatetreiber 2, den Widerstand 3 und die
angesteuerten Leistungstransistoren 1 angeht, stimmen die nachfolgend
anhand der Fig. 2 bis 5 dargestellten Schaltungen identisch mit der
vorbeschriebenen überein. Auch weisen sie sämtlichst eine Bootdiode 4
auf, die anodenseitig an der Versorgungsspannung Vcc anliegt, sowie
einen parallel zum Gatetreiber 2b liegenden Bootkondensator 6, an dem
die Steuerspannung anliegt.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist ein aktiver Strombegrenzer 7
vorgesehen, und zwar zwischen der Kathode der Bootdiode 4 und der nicht mit U
verbundenen Seite des Bootkondensators 6. Der Strombegrenzer weist zwei
Transistoren 8 und 9 sowie zwei Widerstände 10 und 11 auf. Der Transistor 8
liegt mit seinem Kollektor an der Kathodenseite der Bootdiode 4 an, sein
Emitter ist über den Widerstand 10 mit der nicht an U anliegenden Seite
des Bootkondensators 6 verbunden. Der zweite Transistor 9 liegt mit seinem
Kollektor an der Basis des ersten Transistors 8 sowie an dem Widerstand 11
an, dessen andere Seite mit der Kathodenseite der Bootdiode 4
verbunden ist. Die Basis des Transistors 9 ist mit dem Emitter des Transistors 8
verbunden, der Emitter des Transistors 9 liegt an der Seite des
Bootkondensators 6 an, die nicht mit U verbunden ist. Der Widerstand 10 ist so ausgelegt,
dass der maximale Strom Imax dem maximalen Ladestrom des
Kondensators 6 angepaßt ist. Hier ist der maximale Strom wie folgt begrenzt:
Imax = 0,6 Volt: R
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Der Spannungsabfall am Widerstand 10 entspricht dem Basis-Emitter-
Spannungsabfall des gewählten Transistors 9, der üblicherweise etwa 0,6 Volt
beträgt. Der Widerstand 11 ist dem Zündstrom des Transistors 8
angepaßt. Damit ist der Ladestrom, der den Bootkondensator 6 lädt, begrenzt,
so dass sowohl die Spannungsversorgung Vcc als auch der
Bootkondensator 6 im Vergleich zum Stand der Technik (Fig. 1) geringer dimensioniert sein
kann.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 ist neben dem Strombegrenzer
7 zusätzlich noch eine Zenerdiode 12 vorgesehen, welche eine
Spannungsregelung bildet. Die Zenerdiode 12 liegt anodenseitig am
Umrichterausgang U des Transistors 1b an, also insoweit parallel zum
Bootkondensator 6. Kathodenseitig ist die Zenerdiode 12 mit der Seite des Widerstands 11
verbunden, die an der Basis des Transistors 8 anliegt. Die Zenerdiode ist so
gewählt, dass die Spannung zwischen U und der Basis des Transistors 8 der
Beziehung
ΔUZehnerdiode = UBootkondensotor + 2Δ.UTransistor8,9
folgt. Wenn UBootkondensator (die am Bootkondensator anliegende Spannung)
15 Volt ist und der Basis-Emitterspannungsabfall am Transistor 8 und 9
jeweils 0,6 Volt beträgt, dann ergibt sich die Spannung Uzenerdiode (an der
Zenerdiode anliegende Spannung) zu 16,2 Volt. Hierdurch kann der
Bootkondensator 6 hinsichtlich seiner Spannungsfestigkeit kleiner dimensioniert
werden.
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Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der anhand
von Fig. 3 vorbeschriebenen lediglich dadurch, dass parallel zur
Zenerdiode 12 und dem Widerstand 11 ein weiterer Kondensator 13 geschaltet ist,
der also mit seiner einen Seite an der Kathodenseite der Bootdiode 4 und
mit seiner anderen Seite an U anliegt. Bei dieser Schaltungsanordnung
sollte Vcc mindestens zweimal so groß sein wie die zum Schalten des Transistors
1b erforderliche Steuerspannung. Dann kann in diesem Kondensator
13 auf hohem Spannungsniveau Energie gespeichert werden, wodurch
der Bootkondensator 6a entlastet wird. Es kann in diesem Fall vollständig
auf einen aufwändigen Tantalkondensator verzichtet werden, es genügt
vielmehr ein üblicher Folienkondensator. Der Kondensator 13 hingegen
kann ein kostengünstiger und kleinbauender Elektrolytkondensator
vergleichsweise hoher Kapazität sein.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist ebenfalls ein Kondensator 13 zwischen
der Kathodenseite der Bootdiode 4 und U vorgesehen, um den
Bootkondensator 6a geringer dimensionieren zu können, insbesondere um auf
einen Tantalkondensator vollständig verzichten zu können. Bei der dort
dargestellen Ausführungsvariante ist auf den Transistor 9 und den
Widerstand 10 verzichtet worden, statt dessen liegt der Transistor 8 mit seinem
Emitter direkt am Bootkondensator 6a an und mit seiner Basis an der
Kathodenseite der Zenerdiode 12.
Bezugszeichenliste
1 Transistoren
a Lowside
b Highside
2 Gatetreiber
a Lowside
b Highside
3 Widerstand
4 Bootdiode
5 Bootwiderstand
6 Bootkondensator
6a Bootkondensator in den Fig. 4 und 5
7 Strombegrenzer
8 Transistor
9 Transistor
10 Widerstand
11 Widerstand
12 Zenerdiode
13 Kondensator (Fig. 5)