DE10128075A1 - Hilfsspannungsversorgung für einen Halbleiterschalter - Google Patents

Abstract

In Stromrichterschaltungen werden steuerbare Halbleiterschalter eingesetzt. Diese besitzen in der Regel eine Steuerelektronik zur Überwachung und Ansteuerung des Halbleiterschalters. Die Erfindung betrifft eine potentialgetrennte Hilfsspannungsversorgung für diese Steuerelektronik. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache Geometrie der Isolationsschicht die Spannungsfestigkeit des Transformators zu erhöhen. Das kann mit einer ebenen Isolationsschicht IS und beidseitiger elektrisch leitfähiger Schirmfläche SCH erreicht werden. Dafür wird der Magnetkern des Transformators in zwei Hälften (K1 und K2) geteilt, die beidseitig der Isolationsschicht IS angeordnet werden. Auf den beiden Kernhälften befinden sich die Spulen L1 und L2. DOLLAR A Der Transformator besitzt eine schlechte magnetische Kopplung, was erfindungsgemäß durch den Betrieb in einem Serienschwingkreis ausgeglichen werden kann. Dafür wird die Wicklung L1 des Transformators mit einem kapazitiven Energiespeicher C (Kondensator) in Serie geschaltet. Wenn dieser Schwingkreis von einem Wechselrichter WR mit der Resonanzfrequenz angeregt wird, ist eine maximale Energieübertragung möglich.

Description

In Stromrichterschaltungen werden steuerbare Halbleiterschalter eingesetzt. Diese besitzen in der Regel eine Steuerelektronik zur Überwachung und Ansteuerung des Halbleiterschalters. Die Erfindung betrifft eine potentialgetrennte Hilfsspannungsversorgung für diese Steuerelektronik.

In Stromrichterschaltungen größerer Leistung werden häufig mehrere Halbleiterschalter in Serie geschaltet, um die maximale Sperrspannung zu erhöhen. Dabei treten dann große Potentialdifferenzen zwischen der Steuerelektronik des Halbleiterschalters und dem Erdpotential auf. Diese hohe Spannungsdifferenz beansprucht die Isolation der Hilfsspannungsversorgung erheblich.

Üblicherweise wird die Hilfsspannungsversorgung durch einen mit Netzfrequenz betriebenen Transformator mit einem durchgehenden Magnetkern realisiert. Die beiden Wicklungen müssen sowohl gegeneinander, als auch gegenüber dem Magnetkern eine Isolation mit einer hohen Spannungsfestigkeit erhalten. Dadurch ergibt sich eine unregelmäßige Geometrie der Isolationsschicht. Es stellen sich lokale Erhöhungen der elektrischen Feldstärke ein, wodurch die maximale Isolationsspannung begrenzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache Geometrie der Isolationsschicht die Spannungsfestigkeit der Isolation im Transformator zu erhöhen. Daraus resultiert eine schlechte Kopplung des Transformators, was erfindungsgemäß durch den Betrieb des Transformators in einem Serienschwingkreis ausgeglichen werden kann.

Die höchste Isolationsspannung bei einem gegebenen Isolationsabstand kann bei einer homogenen Feldverteilung erreicht werden. Ein homogenes elektrisches Feld kann mit einer ebenen Isolationsschicht IS und beidseitiger elektrisch leitfähiger Schirmfläche SCH erreicht werden. Die beiden Schirme werden mit den zu trennenden Potentialen verbunden.

Der Magnetkern des Transformators wird in zwei Hälften (K1 und K2) geteilt, die beidseitig der Isolationsschicht IS angeordnet werden. Auf der einen Kernhälfte befindet sich die Spule der Eingangsseite L1 und auf der anderen Kernhälfte die Spule L2 der Ausgangsseite. Der magnetische Fluß wird durch die Isolation geführt.

Dadurch verringert sich die Kopplung der beiden Spulen, da der Streufluß die gleiche Größenordnung wie der Hauptfluß annimmt. Die Form der Kernhälften und die Anordnung der Spulen auf den Kernhälften ist unerheblich für die Funktion der Hilfsspannungsversorgung.

Wird der Transformator an einer einfachen Wechselspannung betrieben, so fließt aufgrund des großen Spaltes im Magnetkreis ein hoher Magnetisierungsstrom. Die Übertragbare Leistung ist gering, da die Ausgangsspannung aufgrund der schlechten Kopplung bei einer Belastung stark absinkt.

Diese schlechten magnetischen Eigenschaften können durch den Betrieb in einem Serienschwingkreis ausgeglichen werden. Dafür wird die Wicklung L1 des Transformators mit einem kapazitiven Energiespeicher C (Kondensator) in Serie geschaltet. Wenn dieser Schwingkreis von einem Wechselrichter mit der Resonanzfrequenz angeregt wird, ist eine maximale Energieübertragung möglich. Die Spannung an der Spule L1 übersteigt dabei die Höhe der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung.

Wird der Ausgang entlastet, steigt die Induktivität der eingangsseitigen Spule L1 und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises sinkt. Bei gleicher Frequenz und Spannung des Wechselrichters sinkt die Spannung an der Spule L1, wodurch nur eine geringe Überhöhung der Ausgangsspannung auftritt. Der Wechselrichter WR, der kapazitive Energiespeicher C, der Transformator TR und der ausgangsseitige Gleichrichter GL bilden zusammen die potentialgetrennte Hilfsspannungsversorgung für einen Halbleiterschalter.

Claims (2)

1. Potentialgetrennte Hilfsspannungsversorgung für einen Halbleiterschalter, die einen Transformator TR zur Energieübertragung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern des Transformators TR in zwei Hälften geteilt ist, zwischen denen sich die Isolationsschicht IS befindet, in der sich wegen der auf beiden Seiten angebrachten elektrisch leitfähigen Schirmfläche SCH ein nahezu homogenes elektrisches Feld einstellt, so daß eine besonders hohe Spannungsfestigkeit der Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsseite erreicht werden kann.

2. Hilfsspannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Wicklung L1 des Transformators TR mit einem kapazitiven Energiespeicher C in Reihe geschaltet wird, so daß sich ein Serienschwingkreis ergibt, der von dem eingangsseitigen Wechselrichter WR angeregt wird, so daß eine Energieübertragung auf die ausgangsseitige Wicklung L2 stattfindet, und daß zwischen der ausgangsseitigen Wicklung L2 und dem Ausgang ein Gleichrichter angeordnet werden kann.