DE102006060350A1

DE102006060350A1 - Schaltung zur Begrenzung mindestens einer Spannung und Verfahren zum Betrieb der Schaltung

Info

Publication number: DE102006060350A1
Application number: DE102006060350A
Authority: DE
Inventors: Rene Franzky
Original assignee: PULS GmbH
Current assignee: PULS GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: DE102006060350B4

Abstract

Es wird u. a. eine Schaltung, insbesondere zur Reduzierung der Eingangsspannungsabhängigkeit der Überlastkennlinie durch eine bevorzugt unabhängig einstellbare Begrenzung mindestens einer Spannung, die an mindestens einem vorgegebenen Bauteil abfällt, angegeben, umfassend ein Begrenzungsnetzwerk mit einem ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss mit dem mindestens einen Bauteil und der zweite Anschluss mit einer Versorgung verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung mindestens einer Spannung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltung.
Stromversorgungen, insbesondere Schaltnetzgeräte, Schaltnetzteile, primär und sekundär getaktete Schaltregler sind bekannt aus [1]. Jeder elektrische Verbraucher benötigt zu seiner Versorgung elektrische Leistung, die anhand einer Stromversorgung bzw. eines Netzteils zur Verfügung gestellt wird. Weltweit werden Netzleitungen als Stromleitungen eingesetzt, um über Steckdosen nahezu beliebige elektrische Geräte mit Strom bzw. Spannung zu versorgen. Hierzu werden über die Netzleitungen genormte Wechselspannungen, z. B. 120 Volt in den U. S. A. und 230 Volt in Deutschland zur Verfügung gestellt.
Aufbau und Grundprinzip eines Schaltnetzteils ist beispielsweise beschrieben in [2].
In derartigen Schaltnetzteilen werden Resonanzwandler eingesetzt. Technische Grundlagen zu Resonanzwandlern können z. B. [3] entnommen werden.
Bei hoher Last am Ausgang des Resonanzwandlers kann sich der Resonanzkreis aufschaukeln, die Bauteile des Schaltkreises können überlastet werden oder müssten entsprechend dimensioniert werden, um diesen Effekt aushalten zu können. Eine derartige Dimensionierung führt zu teueren und großen Bauteilen und damit zu einem ineffizienten und kostspieligen Netzteil. Üblicherweise werden zum Schutz der Bauteile Klemmdioden gegen die Eingangsspannung des Wandlers verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, die vorstehend genannte Nachteile vermeidet und bspw. die Herstellung günstiger und effizienter Resonanzwandler, Netzteile oder sonstiger Geräte ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Begrenzung mindestens einer Spannung, die an mindestens einem vorgegebenen Bauteil abfällt, angegeben umfassend ein Begrenzungsnetzwerk mit einem ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss mit dem mindestens einen Bauteil und der zweite Anschluss mit einer Versorgung verbunden ist.
Das Begrenzungsnetzwerk realisiert vorzugsweise eine "Klemmfunktion" derart, dass nur eine vorgegebene maximale Spannung an dem mindestens einen Bauteil abfällt, darüber hinaus gehende Spannungen werden durch das Begrenzungsnetzwerk "geklemmt", d. h. fallen an dem Begrenzungsnetzwerk ab. Damit wird das mindestens eine Bauteil geschützt, da es nicht für diese hohen Spannungen ausgelegt werden muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das mindestens eine Bauteil, wenn es nicht für die beschriebenen hohen Spannungen ausgelegt sein muss, kleiner und billiger ist, wodurch sich einerseits die Kosten für das Gesamtgerät reduzieren lassen und andererseits die Baugröße und die Abwärme dieses Gesamtgeräts reduziert werden können.
Die Begrenzung der mindestens einen Spannung (insbesondere zur Einstellung einer Überlastkennlinie) erfolgt vorzugsweise unabhängig von einer Eingangsspannung der Schaltung, insbesondere unabhängig von der Versorgungsspannung eines Wandlers (Resonanzwandlers).
Die Versorgung kann die in etwa halbe Eingangsspannung der Schaltung betragen.
Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das mindestens eine Bauteil ein Kondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator, ist.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das mindestens eine vorgegebene Bauteil zwei Kondensatoren, insbesondere zwei Elektrolytkondensatoren, umfasst, die in Reihe geschalten sind. Dabei kann der Mittenabgriff der in Reihe geschalteten Kondensatoren mit dem ersten Anschluss des Begrenzungsnetzwerks verbunden sein.
Hierbei ist es von Vorteil, dass somit beide Kondensatoren anhand des Begrenzungsnetzwerks vor Überlast bzw. Überspannung geschützt sind.
Eine Weiterbildung ist es, dass das mindestens eine vorgegebene Bauteil, also beispielsweise die vorstehend genannten Kondensatoren, Bauteile eines Resonanzwandlers sind. Insbesondere ist das Begrenzungsnetzwerk in einem Resonanzwandler einsetzbar. Beispielsweise können auch (elektronische) Schalter, z. B. Transistoren, Mosfets oder IGBTs, eines Resonanzwandlers durch das Begrenzungsnetzwerk geschützt werden. Insbesondere kann das mindestens eine vorgegebene Bauteil eine symmetrische Verschaltung zu schützender Bauteile umfassen.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass das Begrenzungsnetzwerk mindestens eine passive und/oder mindestens eine aktive Komponente umfasst.
Die passive Komponente kann dabei mindestens eines der folgenden Bauelemente umfassen:

– eine Zenerdiode;
– eine Reihenschaltung aus zwei zueinander entgegengesetzt gepolten Zenderdioden;
– eine Diode mit einer Stromquelle und/oder einer Spannungsquelle;
– einen regelbaren Widerstand wie z. B. einen Varistor (VDR).

Eine Weiterbildung besteht darin, dass die aktive Komponente mindestens eines der folgenden Bauelemente umfassen kann:

– einen Schalter, insbesondere einen elektronischen Schalter;
– einen Transistor;
– eine Thyristordiode, insbesondere eine rückwärtssperrende Thyristordiode mit gesteuerter Kathode;
– einen Triac, insbesondere eine Thyristortriode und/oder einen bidirektionalen Triac;
– einen Feldeffekttransistor;
– einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT).

Die vorstehend genannte Versorgung kann eine feste und/oder eine variable Spannungsquelle und/oder Stromquelle sein. Insbesondere kann diese Versorgung eine Spannung aus der Schaltung, z. B. abgreifbar anhand eines Widerstandsnetzwerks, bereitstellen. Die am Widerstandsnetzwerk abgegriffene Spannung kann hierbei mit einem Kondensator abgeblockt sein. Alternativ kann auch eine externe Spannung als Versorgung zur Verfügung gestellt werden, z. B. mit Hilfe einer Batterie und/oder eines Akkumulators.
Auch wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb der vorstehend erläuterten Schaltung angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 Ein Prinzipschaltbild eines Resonanzwandlers mit einem Begrenzungsnetzwerk;
2 passive Komponenten zum Einsatz in dem Begrenzungsnetzwerk;
3 aktive Komponenten zum Einsatz in dem Begrenzungsnetzwerk;
4 eine Beispielschaltung für ein Begrenzungsnetzwerk;
5 eine Schaltung eines Quasi-Resonanzwandlers aus dem Stand der Technik;
6 Kennlinienfelder zur Veranschaulichung der Funktion bzw. der Vorteile der Erfindung.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Resonanzwandlers mit einem Begrenzungsnetzwerk 101.
Die Schaltung gemäß 1 weist eine Eingangsspannungsquelle 106 mit einem negativen Pol und einem positiven Pol, eine Versorgung 107 (Versorgungsspannungsquelle) für das Begrenzungsnetzwerk 101 mit einem negativen Pol und mit einem positiven Pol, das Begrenzungsnetzwerk 101 mit einem ersten Anschluss 102 und mit einem zweiten Anschluss 103, zwei Kondensatoren 104 und 105 (vorzugsweise ausgeführt als Elektrolytkondensatoren oder als Folienkondensatoren mit hoher Güte), eine Resonanzdrossel 117, zwei Schalter 108 und 109 (vorzugsweise ausgeführt als elektronische Schalter, z. B. Transistoren o. ä.), einen Transformator aus einer primärseitigen 110 (mit Anschlüssen 118 und 119) und zwei in Reihe geschalteten sekundärseitigen Wicklungen 112 und 113 mit einem Mittelabgriff 120 sowie sekundärseitig zwei Dioden 114 und 115 und einen Kondensator 116 auf. Ein Ausgangssignal ist über Anschlüsse 121 und 122 auf der Sekundärseite des Wandlers abgreifbar.
Hierbei sei angemerkt, dass die Resonanzdrossel 117 entfallen kann, wenn die Streuinduktivität des Transformators ausreichend groß bemessen ist.
Die Kondensatoren 104 und 105 sind miteinander in Reihe geschaltet, ein Mittelabgriff 123 zwischen den Kondensatoren ist mit dem Anschluss 102 des Begrenzungsnetzwerks 101 und mit dem einen Anschluss der Resonanzdrossel 117 verbunden. Der andere Anschluss der Resonanzdrossel 117 ist mit dem Anschluss 119 der primärseitigen Wicklung 110 des Transformators verbunden. Die beiden Schalter 108 und 109 sind miteinander in Reihe geschaltet, ihr Mittelabgriff ist mit dem Anschluss 118 der primärseitigen Wicklung 110 verbunden. Der positive Pol der Eingangsspannungsquelle 106 ist mit dem einen Ende der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren 104 und 105 sowie mit dem einen Ende der Reihenschaltung der beiden Schalter 108 und 109 verbunden, der negative Pol der Eingangsspannungsquelle 106 ist mit dem anderen Ende der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren 104 und 105, dem anderen Ende der Reihenschaltung der beiden Schalter 108 und 109 sowie dem negativen Pol der Versorgung 107 für das Begrenzungsnetzwerk 101 verbunden.
Hierbei sei angemerkt, dass bei Elektrolytkondensatoren die Polung derselben zu beachten ist. Entsprechend ist dann der positive Pol des Kondensators 104 mit dem positiven Pol der Eingangsspannungsquelle 106 zu verbinden, der negative Pol des Kondensators 104 wird mit dem positiven Pol des Kondensators 105 verbunden und der negative Pol des Kondensators 105 wird mit dem negativen Pol der Eingangsspannungsquelle 106 (sowie u. a. dem negativen Pol der Versorgung 107) verbunden.
Sekundärseitig weist die Reihenschaltung aus Wicklung 112 und Wicklung 113 den Mittelabgriff 120 auf, der mit dem Ausgang 121 sowie mit dem Kondensator 116 (positiver Pol sofern der Kondensator 116 ein Elektrolytkondensator ist) verbunden ist. Die Reihenschaltung aus Wicklung 112 und Wicklung 113 ist einerseits mit der Kathode der Diode 114 und andererseits mit der Kathode der Diode 115 verbunden. Die beiden Anoden der Dioden 114 und 115 sind miteinander und mit dem anderen Anschluss des Kondensators 116 sowie mit dem Ausgang 122 verbunden.
Grundsätzlich kann es sich bei den Schaltern 108 und 109 um beliebige (elektronische) Schalter handeln. Beispielsweise kann ein solcher Schalter einen Transistor, einen Mosfet, einen IGBT o. a. umfassen. Die Ansteuerung der Schalter 108 und 109 erfolgt entsprechend den Vorgaben zur Resonanzwandlung, so dass eine effiziente Arbeitsweise des Wandlers im Normalbetrieb gegeben ist.
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG GEMÄß 1:
Im Normalbetrieb übernimmt der Wandler in 1 keine Regelung (z. B. Tiefsetzung) der Spannung. Dies hat den Vorteil, dass der Wandler für einen bestimmten Resonanzbetrieb ausgelegt ist und für diese Auslegung mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.
Steigt die über die Eingangsspannungsquelle 106 zugeführte Spannung über einen bestimmten Wert an oder werden bspw. die Ausgänge 121 und 122 kurzgeschlossen, kann sich der Resonanzkreis (Primärseite des Resonanzwandlers) aufschaukeln, die Resonanzbauteile auf der Primärseite, z. B. die Kondensatoren 104 und 105 und/oder die (elektronischen) Schalter 108 und 109 können – sofern sie für die in diesem Fall auftretenden hohen Spannungen bzw. hohe Ströme nicht ausgelegt sind – zerstört werden.
Dies verhindert effizient das Begrenzungsnetzwerk 101, indem Spannungen oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes entsprechend der Auslegung der betroffenen Bauteile im Resonanzkreis "geklemmt", d. h. über das Begrenzungsnetzwerk abgeleitet, werden. Im Ergebnis fallen also nur Spannungen an den Bauteilen im Resonanzkreis ab, für die diese Bauteile auch dimensioniert wurden. Gleichzeitig wird dadurch vorteilhaft der Stromanstieg in den Bauteilen verringert.
Allgemein kann das Begrenzungsnetzwerk 101 auf unterschiedliche Art realisiert sein. Es ist z. B. möglich, eine Spannung am Anschluss 102 zu überwachen und bei Überschreiten bzw. Unterschreiten dieser Spannung geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten um zu verhindern, dass die Spannung, die an den Kondensatoren 104 und 105 bzw. an den Schaltern 108 und 109 abfällt, einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.
2 zeigt beispielhaft passive Komponenten zum Einsatz in dem Begrenzungsnetzwerk 101. Es können dabei auch mehrere der gezeigten Bauteile bzw. Bauteilkombinationen in dem Begrenzungsnetzwerk 101 eingesetzt werden. Die in 2 gezeigten zweipoligen Komponenten können entsprechend in das Begrenzungsnetzwerk 101 eingesetzt werden, deren linker Anschluss wird dazu mit dem Anschluss 103 und deren rechter Anschluss wird mit dem Anschluss 102 verbunden.
In dem Begrenzungsnetzwerk 101 können also Serienschaltungen 201 und 202 zweier zueinander entgegengesetzer Zenerdioden, eine Zenerdiode 203 und 204 (je nach Polung), eine Diode mit Spannungsquelle 205 bzw. 207 oder ein spannungsabhängiger Widerstand 206 (Varistor) eingesetzt werden.
Ferner zeigt 3 einige Beispiele für aktive Komponenten in Form von Zweipolen, die in das Begrenzungsnetzwerk 101 aus 1 eingesetzt werden können. Der dritte Pol des Schalters kann über eine Ansteuerschaltung geeignet gesetzt bzw. gelöscht werden. So zeigt 3 die folgenden Möglichkeiten zum Einsatz (ggf. in Kombination mit weiteren aktiven und/oder passiven Komponenten): Einen Schalter 301, insbesondere einen elektronischen Schalter, eine rückwärtssperrende Thyristordiode mit einer gesteuerten Kathode 302 und zusätzlich einer Abschaltfunktionalität 303, eine Thyristordiode bzw. einen bidirektionalen Triac 304, einen n-Kanal Mosfet 305, einen p-Kanal Mosfet 306, einen IGBT 307, einen n-Kanal Transistor 308 und einen p-Kanal Transistor 309.
In 4 ist eine weitere mögliche Realisierung des Begrenzungsnetzwerks 101 dargestellt. Das Begrenzungsnetzwerk umfasst neben den Anschlüssen 102 und 103 aus 1 Spannungsquellen 404 und 405 und zwei Dioden 401 und 402.
Der positive Pol der Spannungsquelle 404 ist mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 405 und mit dem Anschluss 103 verbunden. Der negative Pol der Spannungsquelle 404 ist mit der Anode der Diode 402, die Kathode der Diode 402 ist mit der Anode der Diode 401 und mit dem Anschluss 102 verbunden. Die Kathode der Diode 401 ist mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 405 verbunden.
Vorzugsweise können die Spannungsquellen 404 und 405 (im wesentlichen) identisch dimensioniert sein. Die Funktionalität des Begrenzungsnetzwerks ist jedoch auch für den Fall ungleicher Dimensionierungen der Spannungsquellen 404 und 405 gegeben.
Vorzugsweise kann die Versorgung 107 (siehe 1) auf die halbe über die Eingangsspannungsquelle 106 zugeführte Spannung eingestellt werden.
Zur Veranschaulichung wird auf 5 verwiesen. Dort ist ein Quasi-Resonanzwandler wie in [4] beschrieben, dargestellt. Bei dieser Schaltung erfolgt eine Klemmung auf die Wandlereingangsspannung.
In 6 sind unterschiedliche Kennlinienfelder dargestellt, die die Vorteile der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Links oben sind Ausgangskennlinien mit einer Klemmung auf die Eingangsspannung (für unterschiedliche Eingangsspannungen U_e) dargestellt. Darunter finden sich Ausgangskennlinien mit einer Klemmung auf eine konstante Spannung von 150 V (für unterschiedliche Eingangsspannungen U_e). Rechts oben sind Ausgangskennlinien mit einer Klemmung auf eine konstante Spannung von 50 V (für unterschiedliche Eingangsspannungen U_e) und links unten sind die Ausgangskennlinien im Vergleich zueinander dargestellt.
Durch die Anordnung der Klemmung ergibt sich insbesondere eine Reduzierung der Abhängigkeit der Überlastkennlinie von der Wandlereingangsspannung.

Claims

Schaltung zur Begrenzung mindestens einer Spannung, die an mindestens einem vorgegebenen Bauteils abfällt, umfassend ein Begrenzungsnetzwerk mit einem ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss mit dem mindestens einen Bauteil und der zweite Anschluss mit einer Versorgung verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das mindestens eine vorgegebene Bauteil ein Kondensator ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das mindestens eine vorgegebene Bauteil zwei Kondensatoren umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 3, bei der ein Mittenabgriff zwischen den in Reihe geschalteten Kondensatoren mit dem ersten Anschluss des Begrenzungsnetzwerks verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine vorgegebene Bauteil ein Bauteil eines Resonanzwandlers ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Begrenzungsnetzwerk in einem Resonanzwandler einsetzbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Begrenzungsnetzwerk mindestens eine passive und/oder mindestens eine aktive Komponente umfasst.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der die mindestens eine passive Komponente mindestens eines der folgenden Bauelemente umfasst: – eine Zenerdiode; – eine Reihenschaltung aus zwei zueinander entgegengesetzt gepolten Zenderdioden; – eine Diode mit einer Stromquelle und/oder einer Spannungsquelle; – einen regelbaren Widerstand, insbesondere einen Varistor (VDR).
Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die mindestens eine aktive Komponente mindestens eines der folgenden Bauelemente umfasst: – einen Schalter, insbesondere eine elektronischen Schalter; – einen Transistor; – eine Thyristordiode, insbesondere eine rückwärtssperrende Thyristordiode mit gesteuerter Kathode; – einen Triac, insbesondere eine Thyristortriode und/oder einen bidirektionalen Triac; – einen Feldeffekttransistor; – einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT).
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Versorgung eine feste und/oder eine variable Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle ist.
Verfahren zum Betrieb der Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abhängigkeit einer Überlastkennlinie von einer Eingangsspannung, insbesondere durch eine unabhängig einstellbare Begrenzung der mindestens einen Spannung, reduziert wird.