DE102007029349A1 - Anordnung zur sicheren elektrischen Trennung von Schaltungsteilen - Google Patents

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Bernd Herrmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung bei einem elektrischen Gerät mit schnell schaltenden Schaltstufen und zugehörigen Ansteuerschaltungen zur sicheren elektrischen Trennung der jeweiligen Schaltstufe von der Ansteuerschaltung. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zur Kopplung der Ansteuerschaltung (1) an die Schaltstufe (4) ein Potentialtrennelement (2) und ein isoliertes Treiberelement (3) in Reihe angeordnet sind und die Signale zwischen den Elementen auf ein definiertes Potential (P) bezogen sind. Somit erhält man eine Schaltungsanordnung, bei der die Spannungssteilheiten in der Schaltstufe nicht auf die Ansteuerschaltung zurückwirken und wobei die Anforderungen an eine sichere elekrische Trennung erfüllt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung bei einem elektrischen Gerät mit schnell schaltenden Schaltstufen und zugehörigen Ansteuerschaltungen zur sicheren elektrischen Trennung der jeweiligen Schaltstufe von der Ansteuerschaltung.
  • Bei Geräten der Leistungselektronik mit schnellen Schaltstufen, wie etwa Frequenzumrichtern für Motorsteuerungen, treten an diesen hohe Spannungsänderungen auf, die über Koppelimpedanzen zu Rückwirkungen auf die Ansteuerschaltung führen. Weiterhin besteht bei solchen Geräten die Forderung nach sicherer elektrischer Trennung, etwa gemäß VDE 0884.
  • Üblicherweise werden Optokoppler zur Potentialtrennung von Signalen verwendet. Handelsübliche Optokoppler lassen prinzipbedingt aber nur Spannungssteilheiten von max. 15 kV/μs zu. In den genannten Geräten treten aber Spannungssteilheiten von mehr als 20 kV/μs auf. Andere einstufige Potentialtrennungsverfahren, die höhere Spannungssteilheiten zulassen, sind nicht für die sichere elektrische Trennung zulässig.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der die Spannungssteilheiten in der Schaltstufe nicht auf die Ansteuerschaltung zurück wirken und bei der die Anforderungen an eine sichere elektrische Trennung erfüllt werden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Kopplung der Ansteuerschaltung an die Schaltstufe ein Potentialtrennelement und ein isoliertes Treiberelement in Reihe angeordnet sind und die Signale zwischen den Elementen auf ein definiertes Potential bezogen sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Durch die Reihenschaltung von zwei Trennelementen werden die Forderungen nach Rückwirkungsfreiheit und die Forderung nach sicherer elektrischer Trennung erfüllt. Dabei ist es wesentlich, dass die Signale zwischen den Trennelementen auf ein definiertes Potential bezogen sind. Der überwiegende Teil der steilen Spannungssprünge fällt dadurch über dem isolierten Treiberelement ab und die Rückwirkungen über das Potentialtrennelement auf die Ansteuerschaltung bleiben gering.
  • Dabei ist das isolierte Treiberelement so ausgelegt, dass es für hohe Spannungssteilheiten geeignet ist. Dieses Element ist etwa eine integrierte Treiberschaltung, die einen monolithischen Übertrager aufweist. Dieser Übertrager ist eisenlos und somit für hohe Frequenzen geeignet.
  • Bei der hier vorgeschlagenen Anordnung kann in einer Ausführungsform das Potentialtrennelement die Anforderung an eine sichere elektrische Trennung, etwa gemäß der Vorschrift VDE 0884, erfüllen.
  • In einer anderen Ausführungsform erfüllen beide Trennelemente die Anforderung an eine Basisisolation. Durch die Reihenschaltung der beiden Trennelemente ist eine doppelte Isolation gegeben und somit werden die Anforderungen an eine sichere elektrische Trennung erfüllt.
  • Die Signale zwischen dem Potentialtrennelement und dem isolierten Treiberelement sind auf ein definiertes Potential bezogen. Dies kann das Erdpotential sein, das über einen Schutzleiter herangeführt ist.
  • In weiteren Ausführungsformen kann dies auch ein anderes Bezugspotential sein, das über eine definierte Impedanz angekoppelt ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch eine Anordnung, bei der die Signale zwischen den Trennelementen auf ein Potential bezogen sind und
  • 2 schematisch die gleiche Anordnung mit einem Bezug auf Erdpotential.
  • In 1 ist eine Schaltungsanordnung aus einem elektrischen Gerät mit Leistungselektronik gezeigt, bei der von einer Ansteuerschaltung 1 aus die schnellen Schaltstufen 4 angesteuert werden. Die Signale aus der Ansteuerschaltung 1 durchlaufen jeweils die Potentialtrennelemente 2 und gelangen dann auf die isolierten Treiberelemente 3, die die Schaltstufen 4 ansteuern. An den Schaltstufen 4 treten steile Spannungsspitzen auf, die vom Treiberelement 3 abgefangen werden.
  • Die Signale zwischen den Elementen 2 und 3 sind hier auf ein Potential P bezogen, auf das sie über eine definierte Impedanz Z angebunden sind.
  • Beide Elemente 2 und 3 bieten eine Potentialtrennung, wobei das Potentialtrennelement 2 für eine sichere elektrische Trennung ausgelegt sein kann. Ist es nur für eine Basisisolation ausgelegt, muss auch die isolierte Treiberschaltung die Anforderungen an die Basisisolation erfüllen.
  • 2 zeigt die gleiche schematische Schaltungsanordnung, bei der nun aber die Signale zwischen den Elementen 2 und 3 auf das Erdpotential E bezogen sind, das fest angebunden ist. Diese Anordnung bietet einen guten Bezug, da nur noch in einem Fehlerfall eine Änderung in diesem Mittelpotential zu erwarten ist.

Claims (7)

  1. Schaltungsanordnung bei einem elektrischen Gerät mit schnell schaltenden Schaltstufen und zugehörigen Ansteuerschaltungen zur sicheren elektrischen Trennung der jeweiligen Schaltstufe von der Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kopplung der Ansteuerschaltung (1) an die Schaltstufe (4) ein Potentialtrennelement (2) und ein isoliertes Treiberelement (3) in Reihe angeordnet sind und die Signale zwischen den Elementen auf ein definiertes Potential (P) bezogen sind.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Potentialtrennelement (2) die sichere elektrische Trennung gegeben ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialtrennelement (2) und das isolierte Treiberelement (3) jeweils den Anforderungen an eine Basisisolation entsprechen.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierte Treiberelement (3) für hohe Spannungssteilheiten an der Schaltstufe (4) geeignet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das isolierte Treiberelement (3) ein monolithischer Übertrager integriert ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale zwischen den Elementen (2, 3) auf das Erdpotential (E) bezogen sind.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale zwischen den Elementen (2, 3) über eine Koppelimpedanz (Z) auf ein festes Bezugspotential bezogen sind.
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