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Schaltungen üblicher Ausführung, wie beschrieben in der Patentanmeldung US 4634903 ”POWER FET DRIVING CIRCUIT”, unterliegen gewissen Einschränkungen hinsichtlich Frequenz und prozentualen Aussteuerzeiten von MOSFETs. Dies liegt daran, dass ein Impulsübertrager, insbesondere wenn er baulich klein sein soll, nur so lange übertragen kann, bis sein Kern in die Sättigung geht und ein magnetischer Freilaufimpuls in Gegenrichtung erfolgt. ”US 4634903” bezieht sich auf eine MOSFET Ansteuerschaltung, die mit hoher, fester Schaltfrequenz arbeitet. Beide Ansteuerimpulse arbeiten außerdem mit 180° fester Phasenlage zueinander und einem Dutycycle, der bis maximal 50% betragen kann. In der Schaltungsausführung dieser Anmeldung befindet sich auf der primären Seite keine Schaltung, zum Unterdrücken von Freilaufimpulsen des Übertragers. Falls ein solcher Freilaufimpuls auftreten sollte, so wirkt dieser ebenfalls auf der Sekundärseite im gleichem Sinne, weil auf der sekundären Seite die Ausgänge beider magnetischen Übertragungsrichtungen über Dioden in ihrer Vorwärtsrichtung zusammen geschaltet sind. Deshalb schadet ein Freilaufimpuls nicht, sondern verlängert lediglich das Signal. Diese Schaltung nutzt dabei nicht beide möglichen Übertragungsrichtungen unabhängig von einander. Deshalb dürfen die primären Ansteuerimpulse auch nicht mehr als 50% betragen. Ein sekundärer Dutycycle des anzusteuernden MOSFETs ergibt sich ungefähr aus der Verdoppelung der primären prozentualen Aussteuerung. Beispielsweise führen 25% primäre wechselseitige Steuerimpulse zu einer 50%-igen Aussteuerung des sekundären MOSFETs.
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Bei dem zitierten Stand der Technik ist der Freilaufimpuls des Übertragers bedeutungslos, weil keine unterschiedlichen logischen Signale für beide magnetischen Richtungen des Übertragers vorhanden sind.
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Benutzt man einen kleinen Übertrager, in dem bei niedrigen Frequenzen Freilaufimpulse entstehen, so können durch eine Diode die Freilaufimpulse unterdrückt werden. In der Patentanmeldung
DE 4312300 B4 wurden bisher zwei Impulsübertrager eingesetzt, weil die Aufgabe des Ein- und Ausschaltens jeweils eines MOSFETs auf zwei Übertrager verteilt wird. Der Freilaufimpuls der einzelnen Übertrager wird mit einer Diode auf der sekundären Seite gegen die Signalrichtung kurzgeschlossen und die gespeicherte Energie des Übertragers in der Diode und dem Innenwiderstand der Wicklung abgebaut. Der Vorteil liegt darin, kleine Übertrager verwenden zu können, der Nachteil allerdings darin, zwei verwenden zu müssen. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes zweier Übertrager liegt darin, dass nur ein Treibertransistor pro Übertrager primär angesteuert werden muss, dadurch kann es auch nicht durch gleichzeitige fehlerhafte Ansteuerung zweier primärer Transistoren zu einem Überstrom in einem der primären Treibertransistoren kommen.
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Benutzt man dagegen nur einen Impulsübertrager für beide Signalrichtungen, so läßt sich ein eventuell auftretender Freilaufimpuls nicht mehr mit einer ständig wirksamen Diode unterdrücken, da die Funktion der Unterdrückung nicht abgeschaltet werden kann und so eine gewollte Ansteuerung in Gegenrichtung verhindert wird.
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Arbeitet man mit nur einem Übertrager, wie es in dem Patent
JP 61016619 ”DRIVING CIRCUIT FOR FIELD EFFECT TRANSISTOR” beschrieben ist, so muss beim Einschalten der primären Treibertransistoren, außerdem darauf geachtet werden, dass keine Überströme in den primären Treiber-MOSFETs
8 oder
9 auftreten, insbesondere dann, wenn MOSFETs
8 und
9 versehentlich gleichzeitig und zeitlich überschneidend eingeschaltet werden. Der MOSFET der hinzu geschaltet wird, so lange der andere noch in Gegenrichtung aktiv ist, arbeitet dann auf einen kurzgeschlossenen Übertrager und es entsteht ein Überstrom in diesem MOSFET. Dies ist ein Hauptproblem des älteren Standes der Technik. Hier erzeugt eine Generatorschaltung aus einem PWM Eingangssignal Steuerimpulse für den Signalübertrager. Bei einem PWM Eingangssignal mit sehr kurzer Aussteuerung besteht die Gefahr, dass beide MOSFETs
8 und
9 gleichzeitig leitend geschaltet werden können, weil die Steuerimpulse eine kurze aber definierte und ausreichende Länge haben müssen, die bei analoger Signalgenerierung zur zeitlichen Überschneidung führen.
JP 61016619 zielte darauf ab, über die Verbesserung der Generatorschaltung, überschneidende Signale beider primären Treibertransistoren zu verhindern, außerdem darf es unter keinen Umständen dazu kommen, dass die Impedanz des Übertragers gelöscht wird, d. h. das der Übertrager über eine Zusatzwicklung kurz geschlossen wird und damit es auch nicht zu Überströmen in den primären Treiber MOSFETs kommen kann. Die Zusatzwicklungen des Übertragers besitzen einen Widerstand in Serie und werden nur zur Bedämpfung über die fast volle Periodendauer der PWM genutzt und dabei von MOSFETs angesteuert.
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Will man beide Übertragungsrichtungen für unterschiedliche Schaltaufgaben auf der sekundären Seite nutzen, und zwar auch zu sehr niedrigen Frequenzen hin, braucht man ein neues Schaltungskonzept für den Freilaufimpuls und man benötigt außerdem ein Verfahren welches verhindert, dass primäre Treibertransistoren nicht versehentlich auf einen in der Impedanz kurzgeschlossenen Übertrager eingeschaltet werden.
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In die eine Übertragungsrichtung soll ein MOSFET leitend, in die Gegenrichtung soll er sperrend gesteuert werden. Nur wenige Bauteilen sollen eine betriebssichere Schaltung ermöglichen, die den Einsatz nur eines kleinen Übertragers auch für niedrige Frequenzen zulässt. Die Bauteile sollen möglichst nur geringe Kosten und zudem wenig Steuerenergie und -aufwand verursachen.
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Die erfindungsgemäße Schaltung enthält keine analog generierten Treibersignale mehr, sondern es werden Nadelimpulse aus einem PWM Modul eines Mikrocontrollers erzeugt und im Ablauf per Software gesteuert. Die Programmierung verhindert, dass zwei primäre Treibertransistoren, die entgegengesetzt auf den Übertrager arbeiten, gleichzeitig eingeschaltet sind und einen Überstrom zur Folge hätten.
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Die erfindungsgemäße Schaltung begrenzt den Strom von der Versorgung zu den primären Wicklungen mit einem Widerstand, so dass im Gegensatz zum Stand der Technik ein den Strom limitierendes Bauteil dauernd für die primären Treibertransistoren wirksam ist. Durch den Widerstand wird der Strom begrenzt und zusätzlich wird auch durch den deutlichen Spannungsabfall über den Widerstand ein Kondensatorentlade- und Ladestrom, der den Wicklungskurzschluss steuert, erzeugt. Durch diese Zusatzbeschaltung folgt immer einem digitalen Steuerimpuls automatisch ein Wicklungskurzschluss.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung können entgegen gerichtete Signale übertragen werden, in dem immer automatisch zwei bipolare Transistoren den Übertrager in seiner Impedanz kurz schließen, so dass ein ungewolltes Steuersignal auf der sekundären Seite, das unmittelbar einem gewolltem Signalimpuls folgt, unterdrückt wird.
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Damit die Transistoren, die den Übertrager kurzschließen, nicht aktiv sind, wenn einer der beiden primären Treibertransistoren leitend ist, wird das Ansteuersignal für das Kurzschließen aus dem Ladestrom des oben erwähnten Kondensators gewonnen.
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Die Erzeugung der Steuerimpulse mit einem Mikrocontroller ermöglicht es, mit geringem Bauteilaufwand und nur einem Übertrager ohne Einschränkungen von Bandbreite und Austaktungszeiten MOSFETs galvanisch getrennt anzusteuern. Das Ansteuersignal zum Kurzschließen der Wicklungen wird automatisch aus der Zusatzbeschaltung gewonnen und geht damit nicht zu Lasten der Rechenleistung eines Mikrocontrollers. Höhere PWM Frequenzen würden sonst die Rechenleistung des Mikrocontrollers einschränken.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in der Kostenersparnis, da ausschließlich bipolare Transistoren als primäre Transistoren verwendet werden. Die Erfindung ist dennoch hinsichtlich der aufzuwendenden Steuerleistung sehr effizient, da die Ansteuerzeiten aller primären bipolaren Transistoren nur sehr kurz sind. Die Betriebssicherheit der Schaltung ist hoch, weil ein Widerstand die Stromaufnahme begrenzt und durch das Nichtverwenden von MOSFETs als Treiber, deren Gates dann auch nicht durch Überspannungen gefährdet werden können.
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Die primären Steuersignale werden auf die Sekundärseite übertragen. Zum Beispiel wird ein erstes Signal SIG1 zum Einschalten, ein zweites, entgegengesetzt gerichtetes Signal SIG2 zum Ausschalten eines MOSFETs genutzt. Es wird verhindert, dass bereits unmittelbar am Ende von SIG1 oder SIG2 ein entgegen gerichtetes Signal entstehen kann. Zu diesem Zweck schließt je ein Transistor nach jedem Signal SIG1 oder SIG2 die magnetische Flussrichtung des Übertragers in Gegenrichtung kurz, so bald durch einen Freilaufimpuls eine Fehlsteuerung zu erwarten wäre. Durch diesen Wicklungskurzschluss werden auch gleichzeitig alle anderen Wicklungen des Übertragers magnetisch kurzgeschlossen, so dass eine Fehlübertragung in Gegenrichtung effektiv ausgeschlossen werden kann. Die Entmagnetisierung erfolgt gleichzeitig und automatisch durch Transistoren, die am Ende jedes vorausgegangenen Signals SIG1 oder SIG2 durch den Rückladestrom des an der primären Versorgung angeschlossenen Kondensators angesteuert werden. Die Transistoren, die den Übertrager kurzschließen, könnten auch direkt vom Mikrocontroller gesteuert werden. Bei höheren Frequenzen erfordert dies aber viel Rechenleistung, da alle vier primären Signale nicht mehr aus dem gleichen PWM Modul des Mikrocontrollers selbst erzeugt werden können. Die erfindungsgemäße Schaltung vermeidet bei einem komplexen Softwareablauf Fehler und dessen Folgeschäden. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht galvanisch getrenntes Ein- und Ausschalten eines einzelnen MOSFETs aber insbesondere auch die komplementäre Ansteuerung von MOSFETs einer Inverterschaltung.
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Die Anzahl der MOSFETs, die man gleichzeitig und galvanisch getrennt ansteuern kann, hängt von der Anzahl der Sekundärwicklungen ab, die man in einem Übertrager unterbringen kann. Die Wicklungen lassen sich nur mit gewissem Aufwand auf einem Wickelkörper unterbringen, da hierfür entsprechend Anschlussstifte und ausreichende Isolation zwischen den Wicklungen gewährleistet werden muss.
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Die Ausführung eines Impulsübertragers wird erfindungsgemäß im Patentanspruch 5 dadurch verbessert, dass anstelle eines klassischen Wickelkörpers mit Draht, die Wicklungen in einer Leiterplatte mit mehreren Lagen untergebracht werden und ein Übertragerkern in Planarform mit geringen Abmessungen eingesetzt werden kann. Die nötige Isolation ist durch das Leiterplattenmaterial und die Abstände der Leiterbahnen gegeben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 3 und 4 erläutert. 1 und 2 veranschaulichen das Prinzip.
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1 zeigt die Grundschaltung mit einem Übertrager mit Wicklungen zum Kurzschließen und primären Wicklungen, die entgegengesetzte Impulse auf die sekundäre Seite übertragen sollen.
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2 zeigt einen gewünschten Signalverlauf der Schaltung aus 1.
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3 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung, die dem Signalverlauf aus 2 entspricht.
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4 zeigt eine weitere Ausführung der Schaltung von 3, bei der mit Hilfe einer Signalpegelumkehrung durch zwei PNP Transistoren die Primärwicklungen kurzgeschlossen werden.
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1 dient zur Erläuterung des Verfahrens der Signalfolge des Übertragers: Es wird die Grundschaltung und Wicklungsausführung des Übertragers Ü1 gezeigt bei dem zwei sekundäre MOSFETs M1 und M2 komplementär angesteuert werden. Der Übertrager kann in zwei unterschiedlichen Richtungen angesteuert werden. Als Eingangssignale für SIG1 und SIG2 werden jeweils kurze Rechteckimpulse verwendet. Die Länge der Impulse ist so gewählt, dass eine ausreichend lange Ansteuerung auf der Sekundärseite w3, w4, w7, w8 des Übertragers vorhanden ist. Es darf aber nicht zu einer magnetischen Sättigung des Übertragerkerns kommen. Ein Impuls SIG1 steuert über R1 einen Transistor T1 an, der an die Wicklung w1 einen Impuls mit der Versorgung +12 V legt. Der primäre Impuls an w1 bewirkt einen positiven Impuls am Ausgang der Wicklung w3, der über eine Diode DG1 das Gate eines MOSFETs GM1 auflädt. Der primäre Impuls an w1 bewirkt aber auch gleichzeitig einen positiven Impuls an der Wicklung w8, am Verbindungspunkt zu dem Widerstand R9, über den ein Basis-Strom den Transistor T6 leitend schaltet und damit das Gate des zweiten MOSFETs GM2 entlädt. Für den Impuls in die magnetisch entgegengesetzte Richtung gilt entsprechend: Ein Impuls SIG2 steuert über R2 einen Transistor T2 an, der an die Wicklung w2 einen Impuls mit der Versorgung +12 V legt. Der primäre Impuls an w2 bewirkt einen positiven Impuls am Ausgang der Wicklung w4, der über eine Diode DG2 das Gate eines MOSFETs GM2 auflädt. Der primäre Impuls an w2 bewirkt aber auch gleichzeitig einen positiven Impuls an der Wicklung w7, am Verbindungspunkt zu dem Widerstand R6, über den ein Basis-Strom den Transistor T5 leitend schaltet und damit das Gate des ersten MOSFETs GM1 entlädt.
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In der Schaltung aus 1 befinden sich zwei Wicklungen w5 und w6. Zwei Signale DELSIG1 und DELSIG2 steuern über Widerstände R3 und R4 jeweils Transistoren T3 und T4 an, die die Wicklungen w5 und w6 kurzschließen. Dabei kann innerhalb einer der beiden Wicklungen der Strom nur jeweils in eine Richtung fließen. Hat DELSIG1 einen hohen Signalpegel und ist die Wicklung w5 kurzgeschlossen, so wird ein mögliches Signal SIG1 gelöscht. Dieser Wicklungskurzschluss betrifft alle Wicklungen in der Richtung des Signals SIG1. Ist das Signal DELSIG2 aktiv, so wird ein mögliches Signal SIG2 gelöscht. Es erfolgt in umgekehrter Richtung zu SIG1 ein Wicklungskurzschluss für alle Wicklungen in Richtung des Signals SIG2. DELSIG1 und DELSIG2 sind jedoch nicht nur für das Sperren eines Signalflusses von SIG1 und SIG2 über den Übertrager gedacht, sie sollen die Freilaufimpulse des Übertragers löschen und die im Magnetfeld des Impulsübertragers gespeicherte Energie abbauen, ohne dass es zu einer fehlerhaften, sekundären Signalinterpretation auf dem jeweils anderen, entgegengesetzt gerichteten Kanal kommt. Kommen Impulsfolgen nur über SIG1 und man möchte überhaupt keine Signale SIG2 übertragen, so ist dies nur dadurch möglich, dass der Freilaufimpuls des Übertragers über das Ansteuern von DELSIG2 unterdrückt wird. DELSIG2 muss hierfür unmittelbar nach einem Signalimpuls von SIG1 erfolgen. Der Ablauf in die andere Richtung erfolgt entsprechend.
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In 2 wird der gewünschte zeitliche Signalablauf hierfür gezeigt. Der gestrichelte Bereich m1 zeigt ein einzelnes, übertragenes Signal SIG1 zu GM1, auf deren Übertragungsende ein sofortiger DELSIG2 Pegel erfolgt, um eine Fehlübertragung auf GM2 zu unterdrücken. Entsprechend sieht in Gegenrichtung die Ansteuerung für SIG2 und DELSIG1 aus. Im gestrichelten Block m2 wird deutlich, dass die Wicklungen w5 und w6 nicht kurzgeschlossen sein dürfen, falls eine schnelle wechselseitige Impulsfolge von SIG1 und SIG2 stattfindet. Das Ummagnetisieren erfolgt dann hier wechselseitig gewollt. Ein vorzeitiger Freilaufimpuls kann nicht auftreten, weil der Eisenkern des Übertragers Ü1 nicht in die Sättigung kommen konnte. Falls es zu einer Signalüberschneidung von SIG1 und DELSIG1, bzw. SIG2 und DELSIG2 kommen sollte, würden in der Schaltungsausführung von 1 die Transistoren T1 oder T2 die Versorgung +12 V auf einen kurzgeschlossenen Übertrager schalten und zu einer Zerstörung der Baugruppe führen.
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3 zeigt nun ein komplettes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung die die Schaltung aus 1 auf der linken Seite vervollständigt. Die Nadelimpulse SIG1 und SIG2 kommen aus den Anschlüssen PWM1 und PWM2 des Mikrocontrollers MCU, z. B. Type PIC18F4431, und gelangen an die Widerstände R1 und R2.
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In 3 wird die Ansteuerung zur Erzeugung von DELSIG1 und DELSIG2 vereinfacht. Die Widerstände R3 und R4 sind an einem Punkt mit dem Kondensator C1 und der Diode D1 miteinander verbunden. Diese Verbindung ist der Ausgangspunkt für die Steuersignale DELSIG1 und DELSIG2. Wie man aus der 2 entnehmen kann, ist die Ansteuerung der Signale DELSIG1 und DELSIG2 zeitlich länger aktiv als die Rechteckimpulse von SIG1 und SIG2. DELSIG1 und DELSIG2 müssen so lange andauern, bis der Übertrager vollständig entmagnetisiert ist. Dieser Vorgang kann eine längere Zeit erfordern als die Ansteuersignale SIG1 und SIG2. Um die Steuerströme in den Widerständen R3 und R4 in Richtung der Transistoren T3 und T4 zu minimieren, sollte die Dauer aber nur nur so lange wie nötig sein.
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Die Schaltung aus 1 ist erweitert für eine in beide Richtungen automatisch und gleichzeitig erfolgende Entmagnetisierung des Übertragers am Ende jedes Steuersignals SIG1 oder SIG2. Die Schaltung ist um den Widerstand R5, den Kondensator C1 und der Diode D1 und dem Mikrocontroller MCU erweitert. Der Widerstand R5 begrenzt die Stromaufnahme aus der Versorgung +12 V. Die durch die Signale von SIG1 und SIG2 am Widerstand R5 verursachten Spannungsabfälle bilden an dem angeschlossenem Kondensator C1 Verschiebeströme, die über die Widerstände R2 und R3 die Transistoren T3 und T4 ansteuern und so die zugeordneten Wicklungen w5 und w6 für sich richtungsgebunden und gleichzeitig kurzschließen.
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Die Entladung des Kondensators C1 erfolgt über die Diode D1 in die primären Wicklungen w1 oder w2 und das Laden des Kondensators beginnt mit dem Ende des Signals SIG1 oder SIG2 und mit dem gleichzeitigen Ansteuern der Transistoren T3 und T4.
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4 zeigt eine Änderung der Schaltung 3 mit vereinfachtem Übertrager Ü2 und zusätzlichen Bauteilen, aber bei gleichem Funktionsprinzip jedoch unter Wegfall der Wicklungen. Die Wicklungen w5 und w6 sind entfallen, weil mit zwei zusätzlichen PNP Transistoren T7 und T8 die Primärwicklungen w1 und w2 in beide Richtungen kurz geschlossen werden können. Der Transistor T3 steuert die Transistoren T7 und T8 über den gemeinsamen Basiswiderstand R10 und über je eine Diode D2 und D3 an, die dann die Wicklungen w1 und w2 kurz schließen. Dabei wird die an den Emittern auftretende Spannung beibehalten ohne diese an Massepotential zu legen. Je eine Diode D2 oder D3 verhindert das Überschreiten der Basis-Emitter-Durchbruchspannung eines der PNP Transistoren T7 oder T8, während einer Signalphase SIG1 oder SIG2.
