DE102007046940A1 - Gleichrichterschaltung und Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) mit einem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) zur Anzapfung eines ersten Wechselspannungspotentials (V1), einem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) zur Anzapfung eines zweiten Wechselspannungspotentials (V2) und einem Wechselspannungsquellen-Mittenanschluss (A3) zur Anzapfung eines zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungspotential (V1, V2) liegenden mittleren Spannungspotentials (Vm). Die Schaltung weist außerdem einen ersten Gleichspannungsausgang (A4), welcher mit dem Wechselspannungsquellen-Mittenanschluss (A3) verbunden ist, und einen zweiten Gleichspannungsausgang (A5) auf, welcher über einen ersten Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden ist und welcher über einen zweiten Transistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) verbunden ist. Dabei ist der erste Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) so mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) gekoppelt, dass der erste Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) durch das Wechselspannungspotential (V2) am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) geschaltet wird, und der zweite Transistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) so mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden, dass der zweite Transistor ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung sowie ein Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung, bei dem ein erstes Wechselspannungspotential von einem ersten Wechselspannungsquellenanschluss über einen ersten Transistor und ein zweites Wechselspannungspotential von einem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss über einen zweiten Transistor wechselweise jeweils auf einen Gleichspannungsausgang geschaltet werden und ein zwischen dem ersten und dem zweiten Wechselspannungspotential liegendes mittleres Spannungspotential eines Wechselspannungsquellen-Mittenanschlusses auf einen ersten Gleichspannungsausgang geschaltet wird.
  • In vielen elektrischen und elektronischen Geräten werden Gleichspannungen benötigt. Hierzu muss in der Regel eine gegebene Wechselspannung gleichgerichtet werden. Für die Gleichrichtung von Wechselspannungen sind die verschiedensten Schaltungen bekannt. Die einfachste Form sind sog. Einweggleichrichter, bei denen nur eine Halbschwingung der Wechselspannung gleichgerichtet wird. Um die Effizienz zu erhöhen, werden daher oft sog. Brückengleichrichter eingesetzt, bei denen in einer Schaltung mit vier Dioden die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt wird, wobei die Dioden so geschaltet sind, dass sowohl die positive als auch die negative Halbschwingung im Gleichstromkreis an einem Verbraucher ausschließlich positiv anliegen. Dabei werden immer zwei Dioden gleichzeitig vom Strom durchflossen.
  • Ein weiteres bekanntes Prinzip wird bei sog. Mittelpunktgleichrichtern verwendet, bei denen ebenfalls beide Halbschwingungen der Wechselspannung gleichgerichtet werden. Hierzu ist allerdings eine Wechselstromquelle, beispielsweise ein Transformator, mit einer Mittelpunktanzapfung erforderlich. Diese Mittelpunktanzapfung bildet gleichzeitig einen Pol der gleichgerichteten Ausgangsspannung. Der Vorteil einer Mittelpunktgleichrichterschaltung liegt darin, dass man mit nur zwei Dioden auskommt, von denen immer nur eine vom Strom durchflossen wird, d. h. nur an dieser Verlustleistung abfällt. Im sog. Siliziumgleichrichter werden hierfür Siliziumdioden verwendet. Ein solcher Gleichrichteraufbau ist sehr einfach, jedoch immer noch mit einer recht hohen Verlustleistung verbunden. Daneben gibt es sog. Schottky-Gleichrichter, in denen Schottky-Dioden verwendet werden. Auch dieser Aufbau ist einfach, jedoch hat er bei hohen Spannungen und/oder hohen Strömen keine Vorteile mehr gegenüber dem genannten Siliziumgleichrichter.
  • Abgesehen von den genannten ungesteuerten Gleichrichtern gibt es sog. gesteuerte Gleichrichter, bei denen anstelle von einfachen Dioden Transistoren eingesetzt werden, die so angesteuert werden, dass sie im richtigen Zeitpunkt die Spannung durchschalten. Ein Beispiel ist eine MOSFET-Brückengleichrichterschaltung mit vier MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). In der Application Note AN-1087 von International Rectifier (zu finden unter www.irf.com/technicalinfo/appnotes/AN-1087.pdf) ist des Weiteren eine eingangs beschriebene Mittelpunktgleichrichterschaltung mit zwei MOSFETS beschrieben. Die beiden MOSFETS werden dabei jedoch mit einer relativ aufwändigen Steuerschaltung betrieben, die zudem eine logische Versorgungsspannung benötigt, welche mit einer zusätzlichen Wicklung oder einem speziell hierfür vorgesehenen Abschnitt der Sekundärwicklung des Transformators erzeugt werden kann, welcher auch die gleichzurichtende Wechselspannung liefert.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gleichrichterschaltung und ein verbessertes Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung anzugeben, wobei keine zusätzliche Versorgungsspannung benötigt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Gleichrichterschaltung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung weist einen ersten Wechselspannungsquellenanschluss zur Anzapfung eines ersten Wechselspannungspotentials, einen zweiten Wechselspannungsquellenanschluss zur Anzapfung eines zweiten Wechselspannungspotentials und einen Wechselspannungsquellen-Mittenanschluss zur Anzapfung eines zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungspotentials liegenden mittleren Spannungspotentials auf.
  • Beispielsweise kann es sich bei der Wechselspannungsquelle um einen üblichen Transformator bzw. die Sekundärwicklung eines Transformators handeln, welcher einen ersten Transformatoranschluss, einen zweiten Transformatoranschluss und einen Transformatormittenanschluss aufweist, so dass das Potential am Mittenanschluss genau zwischen dem ersten Wechselspannungspotential und dem zweiten Wechselspannungspotential liegt. Das heißt, am ersten Wechselspannungsquellenanschluss schwankt das Wechselspannungspotential gegenüber dem Transformatormittenanschluss immer zwischen einem minimalen Potentialwert (von beispielsweise –10 Volt) und einem maximalen Potentialwert (von z. B. +10 Volt) und komplementär dazu schwankt das Wechselspannungspotential am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss zwischen dem maximalen Potentialwert und dem minimalen Potentialwert. Am Wechselspannungsquellenmittenanschluss liegt dann ein Gleichspannungspotential von genau dem Mittelwert zwischen dem maximalen und dem minimalen Potentialwert vor (Bei den genannten Werten läge dann hier ein Wert von 0 Volt an).
  • Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung weist weiterhin einen ersten Gleichspannungsausgang auf, welcher direkt mit dem Wechselspannungsmittenanschluss verbunden ist, um das dort vorliegende Gleichspannungspotential als ein Spannungspotential für den Gleichspannungsausgang zur Verfügung zu stellen. Weiterhin weist die Gleichrichterschaltung einen zweiten Gleichspannungsausgang auf, welcher über einen ersten Transistor mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden ist und welcher über einen zweiten Transistor mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden ist. Dabei wird erfindungsgemäß der erste Transistor so mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss gekoppelt, dass der erste Transistor durch das aktuell vorliegende Wechselspannungspotential am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss geschaltet wird. Entsprechend ist der zweite Transistor so mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden, dass der zweite Transistor durch das aktuell vorliegende Wechselspannungspotential am ersten Wechselspannungsquellenanschluss geschaltet wird. Diese Kopplung des ersten Transistors mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss bzw. des zweiten Transistors mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss kann dabei jeweils direkt oder indirekt, d. h. über ein oder mehrere Schaltungselemente, erfolgen. Wesentlich ist nur, dass letztlich der jeweilige Transistor direkt durch das jeweilige Wechselspannungspotential geschaltet wird, d. h. dass keine zusätzliche Versorgungsspannung benötigt wird, sondern die Spannung oder der Strom, der zur Schaltung eines Transistors an einem der Wechselspannungsquellenanschlüsse benötigt wird, aus dem jeweils anderen, komplementären Wechselspannungspotential, d. h. bei einer Wechselspannungsquelle in Form eines üblichen Transformators durch die Spannung der jeweils anderen Wicklungshälfte generiert wird.
  • Die jeweiligen Transistoren sind dabei so angeordnet und geschaltet, dass sie in ihrer Gleichrichterwirkung den Dioden einer konventionellen Mittelpunktsschaltung entsprechen. D. h. bei der Verwendung von n-FETs sind diese beispielsweise so angeordnet, dass sie im durchgeschalteten Zustand wie Dioden wirken, die so ausgerichtet sind, dass die Sperrrichtung jeweils vom Wechselspannungsquellenanschluss, welcher durch den Transistor geschaltet wird, weg bzw. die Durchlassrichtung zum betreffenden Wechselspannungsquellenanschluss hin weist.
  • Bei dem eingangs genannten, erfindungsgemäß weitergebildeten Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung wird also eine Schaltspannung und/oder ein Schaltstrom zum Durchschalten des ersten Transistors aus dem zweiten Wechselspannungspotential generiert und eine Schaltspannung und/oder ein Schaltstrom zum Schalten des zweiten Transistors aus dem ersten Wechselspannungspotential generiert. Auf eine zusätzliche Versorgungsspannung oder eine aufwändige Steuerungsschaltung, welche genau synchron die Transistoren ansteuert, kann hierbei verzichtet werden. Stattdessen reichen einfache Schaltungen zur Strombegrenzung, Spannungsbegrenzung und/oder Filterung aus, die zudem auch rein passiv aufgebaut sein können.
  • Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen der Gleichrichterschaltung weitergebildet sein.
  • Zur Umsetzung der Erfindung kann grundsätzlich in der Gleichrichterschaltung eine Steuerstrecke des ersten Transistors (d. h. bei einem MOSFET die Gate-Source-Strecke oder bei einem npn- oder pnp-Transistor die Basis-Kollektor-Strecke) mit einer aus dem zweiten Wechselspannungspotential, d. h. aus der am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss vorliegenden Spannung, betriebenen Spannungsquelle geschaltet sein. Dementsprechend ist dann die Steuerstrecke des zweiten Transistors mit einer aus dem ersten Wechselspannungspotential, d. h. der am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss vorliegenden Spannung, betriebenen Spannungsquelle beschaltet. Ebenso einfach kann aber auch ein Steuereingang (beispielsweise der Gate-Eingang eines MOSFETS oder der Basis-Eingang eines npn- oder pnp-Transistors) des ersten Transistors mit einer aus dem zweiten Wechselspannungspotential betriebenen Stromquelle geschaltet sein und der Steuereingang des zweiten Transistors mit einer aus dem ersten Wechselspannungspotential betriebenen Stromquelle.
  • Verschiedene Varianten, um aus einer umliegenden Spannung eine Spannungsquelle zu betreiben, welche die passenden Charakteristiken aufweist, so dass die richtigen Schaltspannungen für den jeweiligen Transistor an der Steuerstrecke anliegen, sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Ebenso sind dem Fachmann verschiedenste Varianten bekannt, um mit Hilfe einer vorliegenden Wechselspannung eine Stromquelle in definierter Weise zu betreiben. Ein Beispiel für eine geeignete Konstantstromquelle findet sich u. a. in dem Buch „Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Springer-Verlag, 7. Auflage, 1985, Seite 95 ($5.5. FET als Konstantstromquelle). In diesem Buch oder in ähnlichen Grundlagenbüchern finden sich auch weitere Beispiele für geeignete Spannungs- und/oder Stromquellen.
  • In der einfachsten Variante ist der Steuereingang des ersten Transistors direkt über eine einfache Leiterstrecke mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden und der Steuereingang des zweiten Transistors ist entsprechend direkt mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden.
  • Je nach Aufbau der Transistoren ist es vorteilhaft, den Strom, welcher über die Steuerstrecke des jeweiligen Transistors geleitet wird, zu begrenzen. Daher ist vorzugsweise der Steuereingang des ersten Transistors über einen ersten Strombegrenzungswiderstand mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden, und der Steuereingang des zweiten Transistors ist über einen zweiten Strombegrenzungswiderstand mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss verbunden.
  • Viele Transistoren, beispielsweise n-MOSFET-Transistoren, besitzen eine störende parasitäre Kapazität innerhalb der Steuerstrecke, d. h. zwischen Gate und Source-Anschluss oder Basis- und Kollektor-Anschluss. Diese parasitäre Kapazität kann verursachen, dass der Transistor auch noch eine Zeit lang durchgeschaltet bleibt, wenn eigentlich aufgrund des aktuellen Wechselspannungspotentials kein Strom mehr fließen sollte. Dies könnte dazu führen, dass die Wechselspannungsquelle kurzzeitig kurzgeschlossen ist. Daher weist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Gleichrichterschaltung einen ersten Entladestrompfad auf, um eine in der Steuerstrecke des ersten Transistors gebildete Kapazität z. B. über den Steuereingang des ersten Transistors zu entladen. Ebenso weist die Gleichrichterschaltung einen zweiten Entladestrompfad auf, um eine in der Steuerstrecke des zweiten Transistors gebildete Kapazität z. B. über den Steuereingang des zweiten Transistors zu entladen. Beispielsweise könnte in der vorbeschriebenen einfachen Schaltung mit den Strombegrenzungswiderständen parallel zum ersten Strombegrenzungswiderstand und parallel zum zweiten Strombegrenzungswiderstand jeweils eine Diode geschaltet sein, die jeweils in der Richtung vom Wechselspannungsquellenanschluss zum Steuereingang des jeweiligen Transistors hin sperrt. Das heißt, wenn die Wechselspannung an dem jeweils den Transistor schaltenden, komplementären Wechselspannungsquellenanschluss abfällt und der betreffende Transistor eigentlich geschlossen werden müsste, fließt über diese Diode der Strom vom Steuereingang des betreffenden Transistors ab.
  • Um einen Schutz der Transistoren vor einer zu hohen Spannung an der Steuerstrecke, d. h. zwischen Gate- und Source-Anschluss bzw. Basis- und Kollektor-Anschluss, zu erreichen, kann parallel zur Steuerstrecke des ersten Transistors und/oder parallel zur Steuerstrecke des zweiten Transistors jeweils eine spannungsbegrenzende Schaltung, vorzugsweise eine spannungsbegrenzende Diode, beispielsweise eine Zenerdiode, geschaltet sein, welche oberhalb einer Grenzspannung, die unter der für den Transistor schädlichen Spannung liegt, durchschaltet.
  • Vorzugsweise ist parallel zu einer Schaltstrecke des ersten Transistors, d. h. beispielsweise zwischen Source- und Drain-Anschluss eines MOSFETS bzw. Kollektor- und Emitter-Anschlusses eines npn- oder pnp-Transistors, eine Schutzdiode geschaltet. Die Schutzdiode ist dabei so ausgerichtet, dass die Sperrrichtung jeweils vom Wechselspannungsquellenan schluss, welcher durch den Transistor geschaltet wird, weg bzw. die Durchlassrichtung zum betreffenden Wechselspannungsquellenanschluss hin weist. Eine solche Diode erlaubt den Stromfluss schon bei Spannungen unterhalb der Schaltschwelle der Transistoren und begrenzt die Drain-Source-Spannung bei hohen Strömen nochmals, was den Wirkungsgrad weiter verbessern kann. Diese Schutzdiode kann auch jeweils mit dem Transistor in einen Transistorbaustein integriert sein, wie dies bei vielen Transistoren, insbesondere den bevorzugten n-MOSFETS, ohnehin meist der Fall ist.
  • Wie bereits erwähnt, können als Transistoren verschiedenste Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren (FETs) genutzt werden. Denkbar wären z. B. geeignete npn- oder pnp-Transistoren. Vorzugsweise werden aber MOSFETS und besonders bevorzugt n-MOSFETS (auch n-Channel-Enhancement-MOSFETS oder n-Kanal-MOSFETS genannt) als Transistoren eingesetzt, da diese bei der derzeitigen Technik den besten Wirkungsgrad innerhalb der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung aufweisen. Dies liegt daran, dass z. B. p-MOSFETS (auch p-Channel-Enhancement-MOSFETS oder p-Kanal-MOSFETS genannt) einen ca. vierfach höheren Durchlasswiderstand als n-MOSFETS aufweisen. Herkömmliche npn- oder pnp-Transistoren benötigen wiederum einen hohen Basisstrom.
  • Der Wirkungsgrad der Schaltung kann im Übrigen auch dadurch erhöht werden, dass mehrere Transistoren auf jeder Seite parallel geschaltet werden. Dies führt zu einer Absenkung des Durchlasswiderstands der aus den mehreren Transistoren bestehenden Transistoranordnung.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Schaltbild eines besonders einfachen Ausführungsbeispiels einer Gleichrichterschaltung mit zwei n-MOSFETS,
  • 2 ein schematisches Schaltbild eines besonders einfachen Ausführungsbeispiels einer Gleichrichterschaltung mit zwei p-MOSFETS,
  • 3 ein schematisches Schaltbild des Aufbaus nach 1 mit in die n-MOSFETS integrierten Schutzdioden,
  • 4 eine schematische Darstellung eines weitergebildeten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung gemäß 1,
  • 5 eine schematische Darstellung der parasitären Kapazität innerhalb eines n-MOSFETs,
  • 6 eine schematische Darstellung eines weitergebildeten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung gemäß 4,
  • 7 ein schematisches Schaltbild zweier parallel geschalteter n-MOSFETs zur Verwendung in einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
  • 8 ein schematisches Schaltbild einer Stromquelle zur Verwendung in einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
  • 9 ein schematisches Schaltbild eines besonders einfachen Ausführungsbeispiels mit zwei npn-Transistoren,
  • 10 ein schematisches Schaltbild eines besonders einfachen Ausführungsbeispiels einer Gleichrichterschaltung mit zwei pnp-Transistoren.
  • Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltung wird zunächst an dem besonders einfachen Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung 1a gemäß 1 erläutert.
  • Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen wird im Folgenden der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass es sich bei der Wechselstromquelle um einen Transformator T handelt, welcher eine Sekundärwicklung mit drei Abgriffen – einem ersten Wechselspannungsanschluss A1, einem zweiten Wechselspannungsanschluss A2 und einem Mittenanschluss A3 – aufweist. Die Wechselspannungsquellenanschlüsse A1 und A2 werden daher im Folgenden auch einfach als Transformatoranschlüsse A1, A2 bezeichnet.
  • Bei dem Transformator T gemäß 1 kann beispielsweise am ersten Wechselspannungsanschluss A1 gegenüber dem Mittenanschluss A3 ein Wechselspannungspotential V1 zwischen +10 Volt und –10 Volt (Peak-Peak-Spannung) anliegen. Ebenso liegt komplementär am zweiten Wechselspannungsanschluss A2 gegenüber dem Mittenanschluss A3 ein Wechselspannungspotential V2 zwischen –10 Volt und +10 Volt (Peak-Peak-Spannung) an, d. h. wenn am ersten Wechselspannungsanschluss A1 die Spannung von +10 Volt anliegt, liegt am zweiten Wechselspannungsanschluss A2 die Spannung von –10 Volt an und umgekehrt. An dem Mittenanschluss A3 liegt bei obigen Beispielwerten ständig ein Mittenspannungspotential Vm von 0 Volt an.
  • Der Mittenanschluss A3 ist direkt mit einem ersten Gleichspannungsausgang A4 verbunden, so dass auch hier dieses Mittenspannungspotential Vm (von beispielsweise 0 Volt) anliegt. Die beiden äußeren Transformatoranschlüsse A1, A2 sind jeweils über einen ersten n-MOSFET-Transistor NFT1 bzw. einen zweiten n-MOSFET-Transistor NFT2 mit einem zweiten Gleichspannungsausgang A5 verbunden.
  • Zwischen diesem zweiten Gleichspannungsausgang A5 und dem ersten Gleichspannungsausgang A4 kann der Verbraucher L angeschlossen werden, welcher hier durch eine Last L schematisch dargestellt wird.
  • Die Steuereingänge, d. h. die sog. Gate-Anschlüsse G, der n-MOSFETS NFT1, NFT2, sind jeweils mit dem gegenüberliegenden Transformatoranschluss A2, A1 verbunden. Wie oben erläutert, sind die jeweiligen Transistoren NFT1, NFT2 so angeordnet, dass sie im durchgeschalteten Zustand wie Dioden wirken, die so ausgerichtet sind, dass die Sperrrichtung jeweils vom Wechselspannungsquellenanschluss, welcher durch den Transistor geschaltet wird, weg bzw. die Durchlassrichtung zum betreffenden Wechselspannungsquellenanschluss hin weist. D. h. beide Transistoren NFT1, NFT2 sind so ausgerichtet, dass ihr Drain-Anschluss D zum jeweiligen Transformatoranschluss A1, A2 weist.
  • Die n-MOSFETS NFT1, NFT2 sind dann jeweils wechselweise passend durchzuschalten, so dass am zweiten Gleichspannungsausgang A5 als Spannungspotential V0 der minimale Potentialwert der Wechselspannung, hier 0 Volt bis –10 Volt, anliegt, d. h. die Transistoren schalten immer das negative Potential des Transformators durch, so dass hier eine Spitzenspannung von –10 Volt gegenüber der Mittenanzapfung des Transformators anliegt.
  • Bei der erfindungsgemäßen einfachen Schaltung gemäß 1 ist dies ohne großen Aufwand automatisch gegeben, da ja immer, wenn am ersten Transformatoranschluss A1 das Spannungspotential V1 ansteigt, automatisch auch die Spannung über der Gate-Source-Strecke, d. h. der Steuerstrecke, des zweiten MOSFET NFT2 ansteigt. Ab einer durch den MOSFET NFT2 vorgegebenen Schwellenspannung schaltet der MOSFET NFT2 durch. Im zweiten Teil der Halbwelle der Wechselspannung des Transformators T liegt dann der umgekehrte Fall vor. Durch die höhere Spannung am zweiten Transformatoranschluss A2 wird der erste n-MOSFET NFT1 mit einer entsprechend hohen Gate-Source-Spannung beaufschlagt, welcher daraufhin durchschaltet.
  • Diese einfache Gleichrichterschaltung 1a zeigt bereits, dass auch ohne zusätzliche Versorgungsspannungen und ohne großen Schaltungsaufwand eine erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung realisiert werden kann.
  • 2 zeigt eine gleichartig aufgebaute Gleichrichterschaltung 1b, wobei lediglich die n-MOSFETS NFT1, NFT2 durch p-MOSFETS PFT1, PFT2 ersetzt sind.
  • Da jedoch, wie bereits oben erläutert, n-MOSFETS wegen des relativ geringen Durchlasswiderstands und damit des höchstmöglichen Wirkungsgrades innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltung bevorzugt verwendet werden, wird im Folgenden, wenn nicht anders erläutert, davon ausgegangen, dass es sich bei den Transistoren um n-MOSFETS NFT1, NFT2 handelt.
  • Die derzeit gängigen n-MOSFETS werden meist mit einer integrierten Schutzdiode DS hergestellt. Werden solche n-MOSFETS in der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung 1a gemäß 1 eingesetzt, so liegt die in dem Schaltbild gemäß 3 gezeigte Gleichrichterschaltung 1c vor. Diese Schutzdioden DS haben mehrere Vorteile:
    • – die Begrenzung der „verkehrten" Drain-Source-Spannung
    • – dass die komplette Gleichrichterschaltung auch schon bei sehr kleinen Spannungen arbeitet
    • – eine Reduktion der Verlustleistung bei hohen Strömen.
  • Durch die Schutzdioden DS würde die Gleichrichterschaltung 1c im Prinzip auch funktionieren, ohne dass die n-MOSFET NFT1, NFT2 überhaupt durchschalten, da die Schutzdioden DS jeweils in der passenden Richtung durchlässig sind. Die Funktionsweise wäre dann die eines ungesteuerten Gleichrichters. Jedoch sind die Durchlasswiderstände der Schutzdioden DS relativ hoch, so dass der Gleichrichter dann sehr uneffektiv wäre. Durch die erfindungsgemäße Beschaltung werden die Durchlasswiderstände passend getaktet stark reduziert und die Effizienz wesentlich erhöht. Z. B. ergäbe sich bei einem Durchlasswiderstand des Transistors zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss von 30 mΩ bei einem Strom von 10 A nur eine Drain-Source-Spannung von 0,3 Volt, was erheblich niedriger ist als der Spannungsabfall an einer Diode von über 1 Volt.
  • Solange die Gleichrichterschaltung an Wechselspannungsquellen eingesetzt wird, bei denen die maximale Spannung im Bereich der zulässigen Schaltspannung (Gate-Source-Spannung) der MOSFETS liegt, können die einfachen Schaltungsaufbauten gemäß den 1 bis 3 verwendet werden. Sollen dagegen höhere Spannungen gleichgerichtet werden, beispielsweise wenn ein Transformator eingesetzt wird, dessen maximale Spannung V1 am ersten Wechselspannungsanschluss A1 gegenüber der Spannung V2 am zweiten Wechselspannungsanschluss A2 (und umgekehrt) bei ca. 100 Volt liegt und dessen Mittenpotentialspannung Vm bei 50 Volt liegt, so ist dafür zu sorgen, dass die an die Steuerstrecke angelegte Spannung nicht den zulässigen Wert überschreitet. Um die MOSFETS NFT1, NFT2 vor zu hohen Spannungen zu schützen, kann, wie dies in der Gleichrichterschaltung 1d in 4 dargestellt ist, die Steuerstrecke GS mit einer Zener-Diode Z1, Z2 überbrückt werden. Zusätzlich oder alternativ kann in die Leitung vom Gate-Eingang G des MOSFETS zum gegenüberliegenden Transformatoranschluss ein Vorwiderstand R1, R2 als Strombegrenzungswiderstand eingesetzt werden.
  • Üblicherweise besitzen die MOSFETS eine störende parasitäre Kapazität CGS zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S. Dies ist in 5 schematisch dargestellt. Diese Kapazität CGS (bei größeren n-MOSFET-Bausteinen sind 5 nF typisch) kann verursachen, dass der MOSFET auch dann durchgeschaltet bleibt, wenn schon längst kein Strom mehr zur Zener-Diode Z1, Z2 fließen würde. Sofern es sich um die Gleichrichtung von 50 Hz Wechselspannung handelt, spielt die Ladezeit dieses parasitären Kondensators CGS keine Rolle. Um bei höheren Frequenzen oder auch bei kurzen Störspitzen (sog. Spikes) auf dem Netz für eine sichere Entladung des Gate-Anschlusses G zu sorgen und damit sicherzustellen, dass der jeweilige MOSFET auch sicher sperrt, bevor die Schutzdiode im komplementären Zweig leitend wird, und so ein Kurzschluss des Trafos vermieden wird, ist eine spezielle Entladungsstrecke E1, E2 vorteilhaft.
  • Ein Ausführungsbeispiel für eine entsprechende Gleichrichterschaltung 1e ist in 6 dargestellt. Die Entladungsstrecke E1, E2 läuft hier jeweils parallel zu dem jeweiligen strombegrenzenden Widerstand R1, R2 und weist jeweils eine Diode D1, D2 auf, deren Sperrrichtung vom jeweiligen Transformatoranschluss A2, A1 zum Gate-Anschluss G des betreffenden gegenüberliegenden n-MOSFETS NFT1, NFT2 gerichtet ist. Um diese Diode D1, D2 vor zu hohen Strömen zu schützen, kann ein weiterer Widerstand R3, R4 vorgeschaltet werden. Durch diese Entladungsstrecken E1, E2 über die Dioden D1, D2 und die Vorwiderstände R3, R4 kann jeweils sichergestellt werden, dass die N-MOSFETS NFT1, NFT2 schnell abschalten.
  • In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel können bei einem maximalen Spannungspotential V1 bzw. V2 von 80 Volt und einem minimalen Spannungspotential von 0 Volt sowie einem Mittenspannungspotential VM von 40 Volt jeweils Zener-Dioden Z1, Z2 mit einer Durchbruchspannung von 10 Volt verwendet werden. Die Widerstände R1, R2 könnten jeweils einen Wert von ca. 27 KΩ aufweisen. Bei dieser Konstellation können beispielsweise MOSFET-Typen FDA75N28 oder IRFP4332 eingesetzt werden, deren Durchbruchspannung bei 3 bis 5 Volt liegt und deren maximale Spannung zwischen Gate und Source bei ca. 30 Volt liegt. Die Werte für die Widerstände R3, R4 können hierbei beispielsweise bei 100 Ω liegen. Bei diesen Werten ist sichergestellt, dass die N-MOSFETS NFT1, NFT2 über die Entladungsstrecken E1, E2 innerhalb von ca. 1,2 μs abschalten und selbst kurze Spikes auf dem Netz nicht stören.
  • Die in 6 dargestellten Zener-Dioden Z1, Z2 mit den Vorwiderständen R1, R2 bilden jeweils eine Spannungsbegrenzung, welche aus der an dem jeweiligen Transformatoranschluss V1 bzw. V2 anliegenden Spannung eine geeignete Schaltspannung für die Steuerstrecke des jeweiligen gegenüberliegenden n-MOSFETS NFT1, NFT2 generiert. Grundsätzlich könnten diese Spannungsbegrenzungen aber auch anders gestaltet werden, z. B. über Varistoren oder andere spannungsbegrenzende Schaltungen.
  • Der Wirkungsgrad der Gleichrichterschaltung kann weiter erhöht werden, indem auf jeder Seite mehrere Transistoren parallel geschaltet werden. Dadurch kann der Durchlasswiderstand noch einmal gesenkt werden. 7 zeigt ein Beispiel einer aus zwei Transistoren NFT1, NFT1' bestehenden Transistoranordnung. Die komplette Transistoranordnung kann z. B. jeweils ersatzweise für die einfachen Transistoren NFT1, NFT2 in die bisher gezeigten Gleichrichterschaltungen eingesetzt werden.
  • Bei einer solchen Parallelschaltung mehrerer Transistoren an jedem der Wechselspannungsanschlüsse ist vorteilhafterweise auf geeignete Leiterbahnführungen zu achten, so dass gleiche Weglängen zu den einzelnen Transistoren NFT1, NFT1' führen. Anstatt nur zwei Transistoren NFT1, NFT1' können auch mehr als zwei Transistoren in gleicher Weise parallel geschaltet werden.
  • Weiterhin ist es auch möglich, die Widerstände R1, R2 durch geeignete strombegrenzende Schaltungen zu ersetzen. 8 zeigt das Prinzip einer Stromquelle als strombegrenzende Schaltungen, wie sie beispielsweise anstelle des Widerstands R1 in die Schaltung gemäß 6 eingesetzt werden könnte. Diese Stromquelle, welche grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, funktioniert mit einem selbstleitenden p-MOSFET PFT3, welcher sperrt, wenn seine Gate-Source-Spannung negativ wird. Fließt ein Strom vom Anschluss a zum Anschluss b, fällt an dem in Reihe geschalteten Widerstand R5 eine Spannung ab. Wird der Stromfluss größer, wird auch diese Spannung größer, bis die Gate-Source-Spannung des MOSFETs PFT3 so groß ist, dass der MOSFET PFT3 diesen Stromfluss begrenzt. Da der Strom dadurch unabhängig von der Spannung ist, kann die aus diesen beiden Elementen aufgebaute Bauteilgruppe als eine durch die jeweils anliegende Spannung betriebene Stromquelle gesehen werden. Alternativ können auch beliebige andere Stromquellen eingesetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind und die dafür sorgen, dass unabhängig von der Spannung des gegenüberliegenden Transformatoranschluss A2, A1 nur eine konstante Gate-Source-Spannung am Transistors NFT1, NFT2 entsteht, sobald die richtige Polung vorhanden ist
  • Wie bereits eingangs erläutert, können anstelle der MOSFETS NFT1, NFT2 auch entsprechende Gleichrichterschaltungen 1c, 1d mit üblichen npn-Transistoren oder pnp-Transistoren aufgebaut werden.
  • 9 zeigt ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Gleichrichterschaltung 1c, in der zwei npn-Transistoren NPT1, NPT2 verwendet werden. Hier ist jeweils der Basis-Anschluss B der Transistoren NPT1, NPT2 mit dem gegenüberliegenden Transformatoranschluss gekoppelt. Die beiden Transistoren NPT1, NPT2 sind dabei so ausgerichtet, dass ihr Drain-Anschluss D zum jeweiligen Transformatoranschluss A1, A2 weist. Auch hier werden zur Strombegrenzung jeweils Widerstände R1, R2 eingesetzt, damit der Strom im jeweiligen npn-Transistor NPT1, NPT2 entlang der Steuerstrecke, d. h. der Strecke zwischen Basis-Anschluss B und Kollektor-Anschluss C, nicht zu hoch wird.
  • 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches analog zu der Schaltung in 8 aufgebaut ist. Jedoch werden in der dort dargestellten Gleichrichterschaltung 1d pnp-Transistoren PNP1, PNP2 anstatt der npn-Transistoren NPT1, NPT2 eingesetzt.
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend beschriebenen Gleichrichterschaltungen um Ausführungsbeispiele handelt, welche von Experten des Fachgebiets in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - www.irf.com/technicalinfo/appnotes/AN-1087.pdf [0004]
    • - Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Springer-Verlag, 7. Auflage, 1985, Seite 95 [0014]

Claims (14)

  1. Gleichrichterschaltung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) mit – einem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) zur Anzapfung eines ersten Wechselspannungspotentials (V1), – einem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) zur Anzapfung eines zweiten Wechselspannungspotentials (V2), – einem Wechselspannungsquellen-Mittenanschluss (A3) zur Anzapfung eines zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungspotential (V1, V2) liegenden mittleren Spannungspotentials (Vm), – einem ersten Gleichspannungsausgang (A4), welcher mit dem Wechselspannungsquellen-Mittenanschluss (A3) verbunden ist, – einem zweiten Gleichspannungsausgang (A5), welcher über einen ersten Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden ist und welcher über einen zweiten Transistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) verbunden ist, wobei der erste Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) so mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) gekoppelt ist, dass der erste Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) durch das Wechselspannungspotential (V2) am zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) geschaltet wird, und der zweite Transistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) so mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden ist, dass der zweite Transistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) durch das Wechselspannungspotential (V1) am ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) geschaltet wird.
  2. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerstrecke des ersten Transistors (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) mit einer aus dem zweiten Wechselspannungspotential (V2) betriebenen Spannungsquelle beschaltet ist und eine Steuerstrecke des zweiten Transistors (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) mit einer aus dem ersten Wechselspannungspotential (V1) betriebenen Spannungsquelle beschaltet ist.
  3. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereingang (G, B) des ersten Transistors (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) mit einer aus dem zweiten Wechselspannungspotential (V2) betriebenen Stromquelle beschaltet ist und ein Steuereingang des zweiten Transistors (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) mit einer aus dem ersten Wechselspannungspotential (V1) betriebenen Stromquelle beschaltet ist.
  4. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (G, B) des ersten Transistors (NFT1, PFT1) direkt mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) verbunden ist, und der Steuereingang (G, B) des zweiten Transistors (NFT2, PFT2) direkt mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden ist.
  5. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (G, B) des ersten Transistors (NFT1, NPT1, PNT1) über einen ersten Strombegrenzungswiderstand (R1) mit dem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) verbunden ist, und der Steuereingang (G, B) des zweiten Transistors (NFT2, NPT2, PNT2) über einen zweiten Strombegrenzungswiderstand (R2) mit dem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) verbunden ist.
  6. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Entladestrompfad (E1), um eine in der Steuerstrecke des ersten Transistors (NFT1) gebildete Kapazität (CGS) zu entladen, und einen zweiten Entladestrompfad (E2), um eine in der Steuerstrecke des zweiten Transistors (NFT2) gebildete Kapazität (CGS) zu entladen.
  7. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Strombegrenzungswiderstand (R1) und parallel zum zweiten Strombegrenzungswiderstand (R2) jeweils eine Diode (D1, D2) geschaltet ist, welche jeweils in einer Richtung vom Wechselspannungsquellenanschluss (A1, A2) zum Steuereingang (G) des jeweiligen Transistors (NFT1, NFT2) hin sperrt.
  8. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Steuerstrecke des ersten Transistors (NFT1) und/oder parallel zur Steuerstrecke des zweiten Transistors (NFT2) jeweils eine spannungsbegrenzende Schaltung (Z1, Z2) geschaltet ist.
  9. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einer Schaltstrecke des ersten Transistors (NFT1) und parallel zu einer Schaltstrecke des zweiten Transistors (NFT2) jeweils eine Schutzdiode (Ds) geschaltet ist.
  10. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode (Ds) jeweils mit dem Transistor (NFT1, NFT2) in einen Transistorbaustein integriert ist.
  11. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (NFT1, PFT1) und/oder der zweite Transistor (NFT2, PFT2) ein MOSFET ist.
  12. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (NFT1) und/oder der zweite Transistor (NFT2) ein n-MOSFET ist.
  13. Gleichrichterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere parallel geschaltete erste Transistoren (NFT1, NFT1') und/oder mehrere parallel geschaltete zweite Transistoren.
  14. Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung, bei dem ein erstes Wechselspannungspotential (V1) von einem ersten Wechselspannungsquellenanschluss (A1) über einen ersten Transistor (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) und ein zweites Wechselspannungspotential (V2) von einem zweiten Wechselspannungsquellenanschluss (A2) über einen zweiten Schalttransistor (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) wechselweise jeweils auf einen zweiten Gleichspannungsausgang (A5) geschaltet werden, und ein zwischen dem ersten und dem zweiten Wechselspannungspotential (V1, V2) liegendes mittleres Spannungspotential (Vm) eines Wechselspannungsquellen-Mittenanschlusses (A3) auf einen ersten Gleichspannungsausgang (A4) geschaltet wird, wobei eine Schaltspannung und/oder ein Schaltstrom zum Schalten des ersten Transistors (NFT1, PFT1, NPT1, PNT1) aus dem zweiten Wechselspannungspotential (V2) generiert wird und eine Schaltspannung und/oder ein Schaltstrom zum Schalten des zweiten Transistors (NFT2, PFT2, NPT2, PNT2) aus dem ersten Wechselspannungspotential (V1) generiert wird.
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