DE19711017A1 - Stromversorgungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die insbesondere zum Spei­ sen mehrerer gekoppelter Endstufen vorgesehen ist. Bevorzugt ist die Stromversorgungseinrichtung für einen Gradientenver­ stärker eines Kernspintomographen vorgesehen, bei dem meh­ rere Leistungsendstufen zum Ansteuern einer Gradientenspule in Reihe geschaltet sind.

Eine derartige Stromversorgungseinrichtung ist aus der DE 43 04 517 A1 bekannt. Dort sind zwei Gleichrichter über je einen Trenntransformator an eine Wechselspannung ange­ schlossen. Die Gleichrichter vermögen ihrerseits Energie über je einen Gleichspannungsanschluß an je eine Leistungs­ endstufe abzugeben. Die Ausgangsanschlüsse der Endstufen sind in Reihe geschaltet und treiben eine Gradientenspule.

Im Betrieb legen die Endstufen eine geregelte Spannung von beispielsweise mehreren hundert Volt an die Gradientenspule an, um einen Strom von beispielsweise 300 A periodisch auf- und abzubauen. Dabei wird eine genau vorgegebene Stromkurve eingehalten, die eine Zyklusdauer von beispielsweise 20 ms aufweist. Während eines Zyklus fließen erhebliche Energie­ mengen von den Endstufen zur Spule und wieder zurück. In ei­ nem Normalbetrieb trägt jede der Endstufen zum Ausgleich der dabei auftretenden Verluste bei. Über die Zyklusdauer gemit­ telt (also ohne Berücksichtigung der Blindströme) fließt da­ her im Normalbetrieb Energie von der Wechselspannungsquelle über die Gleichrichter an jede Endstufe und weiter an die Gradientenspule.

Es sind jedoch auch Betriebszustände möglich, bei denen eine Endstufe in der Gradientenspule gespeicherte Energie be­ zieht, während eine andere Endstufe diese Energie liefert. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Endstu­ fen unterschiedlich angesteuert werden oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Wenn beispielsweise die vorgegebene Stromkurvenform steile Anstiegs- und flachere Abfallflanken aufweist und die Endstufen die Funktion einer Grund- und einer Spitzenlastendstufe übernehmen, kann es sein, daß die Spitzenlastendstufe nur während der steilen Stromanstiegs­ flanken zugeschaltet wird. Die von der Spitzenlastendstufe an die Gradientenspule abgegebene Energie wird dann während der flacheren Stromabfallflanken ausschließlich an die Grundlastendstufe zurückgeführt. Dies kann zu einer über­ mäßigen Aufladung (Überspannung) eines Ladekondensators füh­ ren, der in einem von der Grundlastendstufe und dem zugeord­ neten Gleichrichter gebildeten Gleichspannungszwischenkreis angeordnet ist. Durch die Überspannung kann die Stromversor­ gungseinrichtung insgesamt beschädigt werden.

Eine derartige unerwünschte Aufladung ist auch in anderen Situationen möglich, beispielsweise, wenn die Endstufen so angesteuert werden, daß sie Spannungen unterschiedlicher Po­ larität liefern. Ferner können Abweichungen der elektrischen Eigenschaften der Endstufen selbst bei gleicher Ansteuerung zu einem Ladungstransfer zwischen den Endstufen führen.

Um eine Überspannung in den einzelnen Gleichspannungszwi­ schenkreisen zu vermeiden, schlägt die DE 43 04 517 A1 als erste Alternative Entladewiderstände vor, die parallel zu den Ladekondensatoren geschaltet sind. Durch solche Entlade­ widerstände erhöhen sich jedoch der Energieverbrauch und die durch eine Kühlung abzuführende Verlustwärme der Stromver­ sorgungseinrichtung beträchtlich. Als zweite Alternative sind in der DE 43 04 517 A1 schaltbare Entladeeinrichtungen (DC-DC-Wandler) zur Energieverteilung zwischen den Gleich­ spannungszwischenkreisen vorgesehen. Derartige Entladeein­ richtungen sind jedoch schaltungstechnisch aufwendig, insbe­ sondere dann, wenn mehr als zwei Gleichrichter und Endstufen vorgesehen sind.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, eine Stromversor­ gungseinrichtung zu schaffen, bei der die oben genannten Probleme vermieden werden. Insbesondere soll eine Energie­ symmetrierung zwischen mehreren angeschlossenen Verbrau­ chern, beispielsweise rückspeisenden Endstufen, mit geringen Verlusten und geringem Schaltungsaufwand möglich sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Stromversor­ gungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, eine Überspannung in einem Gleichspannungszwischenkreis über eine geeignete Schalteinrichtung an die gemeinsame Wechselspannungsquelle zurückzuführen. Die zurückgespeiste Energie wird von den weiteren an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Ver­ brauchern wieder entnommen. Dadurch erfolgt die gewünschte Energiesymmetrierung zwischen beliebig vielen Verbrauchern selbständig, ohne daß aufwendige Schaltungen zur unmittelba­ ren Verbindung der Gleichspannungszwischenkreise erforder­ lich wären. Als Wechselspannung soll hier jede Spannung mit wechselnden Spannungspegeln angesehen werden, auch wenn ihr eine Gleichspannung überlagert ist.

Bevorzugt weist die Schalteinrichtung aktive Schaltelemente auf, die parallel zu je einer Gleichrichterdiode (mit diesem Begriff soll jedes gleichrichtende Bauteil bezeichnet wer­ den) angeschlossen sind. Jedes Schaltelement kann entweder unmittelbar oder über eine zwischengeschaltete Induktivität parallel zu der zugeordneten Gleichrichterdiode geschaltet sein. Wenn eine solche Induktivität (beispielsweise eine Drossel) vorgesehen ist, dient diese bevorzugt zur Begren­ zung des Energierückflusses durch die Schaltelemente im Rückspeisungsbetrieb. Der Energiefluß im Normalbetrieb er­ folgt vorzugsweise über die Gleichrichterdioden an der In­ duktivität vorbei. Er wird dann durch die Induktivität nicht beeinflußt.

Ferner ist vorzugsweise eine Ansteuereinrichtung vorgesehen, die aus einer einzigen Baugruppe oder mehreren getrennten Baugruppen bestehen kann, um die Schalteinrichtung anzusteu­ ern. Diese Ansteuerung erfolgt in einer vorteilhaften Aus­ führungsform unabhängig vom Betriebszustand (Normal- oder Rückspeisungsbetrieb) der Stromversorgungseinrichtung, also beispielsweise gemäß einem festen Zeittakt.

Vorzugsweise wird jedes Schaltelement unabhängig vom Be­ triebszustand nur zu solchen Zeitpunkten in einen leitenden Zustand versetzt, zu denen die zugeordnete Gleichrichter­ diode bei einem angenommenen Normalbetrieb von einem Strom durchflossen werden würde. Im tatsächlichen Normalbetrieb haben die Schaltelemente daher keine Wirkung (wenn man davon absieht, daß sie einen Teil des sonst durch die Gleichrich­ terdiode fließenden Stroms übernehmen können). Im Rückspei­ sungsbetrieb erfolgt dagegen der Energierückfluß über die Schaltelemente entgegen der Durchlaßrichtung der Gleichrich­ terdioden.

Bevorzugt werden die Schaltelemente möglichst lange in einem leitenden Zustand gehalten, wobei allerdings gewisse Sicher­ heitszeiten einzuhalten sind. Dadurch ist die erzeugte Gleichspannung besonders stabil (hohe Steifigkeit der Strom­ versorgungseinrichtung). Insbesondere können die Schaltele­ mente mit minimalen Sicherheitszeiten und exakt phasenstarr angesteuert werden, wenn die Ansteuereinrichtung sowohl die Schalteinrichtungen als auch aktive Schaltelemente eines Durchflußwandlers mit zueinander synchronisierten Schaltsig­ nalen versorgt. Um einen übermäßig hohen Energierückfluß durch eine Schalteinrichtung zu begrenzen, kann jedoch auch vorgesehen sein, die Sicherheitszeiten über die Mindestdauer hinaus verlängerbar zu gestalten. Diese Maßnahme kann zu­ sätzlich oder alternativ zu der oben erwähnten Induktivität im Rückspeisungszweig vorgesehen sein.

Bevorzugt sind die Gleichrichter so ausgebildet, daß jede Gleichrichterdiode überdies als Freilaufdiode für je ein ak­ tives Schaltelement dient. Der zusätzliche Bauteilaufwand für die Energiesymmetrierungsfunktion ist dann gering.

Die von einem Gleichrichter an die Wechselspannungsquelle zurückgeführte Energie wird vorzugsweise an andere ange­ schlossene Gleichrichter oder an einen Ladekondensator der Wechselspannungsquelle weitergeleitet. Dazu weist die Wech­ selspannungsquelle bevorzugt eine Transformatoreinrichtung mit mehreren Sekundärwicklungen auf, an die je ein Gleich­ richter angeschlossen ist. Die Transformatoreinrichtung kann aus einem einzelnen Transformator oder aus mehreren gekop­ pelten Transformatoren gebildet sein. Zur Kopplung mehrerer Transformatoren sind vorzugsweise deren Primärwicklungen pa­ rallelgeschaltet.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen definiert.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 je ein Blockschaltbild von einzelnen Kompo­ nenten eines an eine Gradientenspule ange­ schlossenen Gradientenverstärkers,

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Komponenten in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 und Fig. 5 Prinzipschaltbilder von zwei Ausführungsva­ rianten eines Durchflußwandlers,

Fig. 6 und Fig. 7 Prinzipschaltbilder von zwei Ausführungsva­ rianten eines Gleichrichters,

Fig. 8 und Fig. 9 Zeitdiagramme von Spannungs- und Stromver­ läufen während des Betriebs des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels,

Fig. 10 Zeitdiagramme von Ansteuersignalen,

Fig. 11 und Fig. 12 Prinzipschaltbilder von alternativen Aus­ führungsformen der Gleichrichter nach Fig. 6 und Fig. 7, und

Fig. 13 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Gleichrichters.

In Fig. 1 und Fig. 2 stellen die durchgezogenen Linien elek­ trische Verbindungen dar, während die gestrichelten Pfeile den Energiefluß zwischen den Komponenten symbolisieren. Un­ ter einem "Energiefluß" wird hier der über einen vollständi­ gen Stromverlaufszyklus gemittelte Energiefluß (ohne Blind­ stromanteil) verstanden. Eine als ein Netzteil 10 ausgebil­ dete Stromversorgungseinrichtung ist mit einer Netzeingangs­ leitung 12 an eine beliebige geeignete Spannungsquelle, bei­ spielsweise das öffentliche Stromnetz, angeschlossen. Drei Endstufen 14, 14', 14'' des Gradientenverstärkers werden von dem Netzteil 10 mit je einer potentialfreien Gleichspannung versorgt. Die Endstufen 14, 14', 14'' sind an ihren Ausgängen in Reihe geschaltet und an eine induktive Last, hier eine Gradientenspule 16, angeschlossen. In Ausführungsvarianten kann eine beliebige andere Anzahl von angeschlossenen End­ stufen vorgesehen sein.

Fig. 1 zeigt den im Normalbetrieb erfolgenden Energiefluß, der über die Netzeingangsleitung 12 zum Netzteil 10, von diesem zu jeder Endstufe 14, 14', 14'' und weiter zur Gra­ dientenspule 16 gerichtet ist.

In Fig. 2 ist der Rückspeisungsbetrieb am Beispiel der End­ stufe 14 dargestellt. Die Endstufe 14 erhält von der Gra­ dientenspule 16 Energie und leitet diese an das Netzteil 10 zurück. Die rückgespeiste Energie wird über das Netzteil 10 an die anderen Endstufen 14', 14'' geleitet. Diese Endstufen 14', 14'' arbeiten im Normalbetrieb, geben also Energie an die Gradientenspule 16 ab.

Das Netzteil 10 weist, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Wechsel­ spannungsquelle 20 mit drei potentialfreien Ausgängen für Wechselspannungen u₂, u_2', u_2'' auf. Eine Netzeingangsschaltung 22 der Wechselspannungsquelle 20 ist mit der Netzeingangs­ leitung 12 verbunden und liefert eine Gleichspannung u₁ an einen Durchflußwandler 24. Dieser erzeugt seinerseits die drei Wechselspannungen u₂, u_2', u_2'', die an Gleichrichtern 26, 26', 26'' anliegen. Jeder der Gleichrichter 26, 26', 26'' weist einen Gleichspannungsanschluß 28, 28', 28'' für je eine Gleichspannung u₃, u_3', u_3'' auf. Die Gleichspannungen u₃, u_3', u_3'' dienen als Versorgungsspannungen für die Endstufen 14, 14', 14''. Schalteinrichtungen 30, 30', 30'' der Gleichrichter 26, 26', 26'' sind über Ansteuerverbindungen 34, 34', 34'' an eine Ansteuereinrichtung 32 angeschlossen. Eine weitere An­ steuerverbindung 36 verläuft zwischen der Ansteuereinrich­ tung 32 und dem Durchflußwandler 24.

Die Netzeingangsschaltung 22 ist an sich bekannt. Sie be­ steht im einfachsten Fall lediglich aus einem Gleichrichter zum Erzeugen der Gleichspannung u₁. Diesem Gleichrichter kön­ nen beispielsweise ein Transformator zur Spannungsanpassung und/oder eine Schaltung zur sinusförmigen Stromaufnahme aus dem Netz und/oder ein Hochfrequenz-Filter zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit vorgeschaltet sein. In einer Ausführungsvariante kann die Netzeingangsschaltung 22 auch als stabilisierendes Netzteil ausgestaltet sein.

Fig. 4 zeigt eine Vollbrückenschaltung für den Durchflußwand­ ler 24. Ein Kondensator C1 ist an die Gleichspannung u₁ ange­ schlossen, um diese zu glätten und benötigte Leistungsspit­ zen bereitzustellen. Je zwei in Reihe geschaltete Schaltele­ mente S1, S2 bzw. S3, S4 bilden einen ersten und einen zwei­ ten Brückenzweig. Freilaufdioden FD1-FD4 sind parallel zu den Schaltelementen S1-S4 angeschlossen. Eine Primärwick­ lung L1 der hier als Transformator T1 ausgebildeten Trans­ formatoreinrichtung ist mit einem Koppelkondensator C2 in Reihe geschaltet und an die Brückenzweige angeschlossen.

Der Transformator T1 weist in dem hier beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel drei getrennte Sekundärwicklungen L2, L2', L2'' für Wechselspannungen u₂, u_2', u_2'' auf. In einer Ausführungs­ variante ist die Transformatoreinrichtung durch mehrere Transformatoren mit parallelgeschalteten Primärseiten gebil­ det. Auch eine Kombination dieser Ausführungsformen ist mög­ lich. Die Transformatoreinrichtung besteht dann aus mehreren Transformatoren mit jeweils mehreren Sekundärwicklungen, die an ihren Primärseiten parallelgeschaltet sind.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 4 wird die Spannung u₁ mit wechselnder Polarität an die Primärwicklung L1 des Transfor­ mators T1 angelegt, indem abwechselnd die Schaltelemente S1, S4 bzw. S2, S3 ein- und die jeweils anderen Schaltelemente ausgeschaltet werden. Die an den Sekundärwicklungen L2, L2', L2'' abgegriffenen Wechselspannungen u₂, u_2', u_2'' haben, ebenso wie die an der Primärwicklung L1 anliegende Spannung, einen im wesentlichen rechteckförmigen Verlauf.

Der Koppelkondensator C2 verhindert, daß sich ein Gleich­ strom in der Primärwicklung L1 aufbaut, wenn beispielsweise die Ansteuersignale für die Schaltelemente S1-S4 nicht exakt symmetrisch oder deren Schaltverzugszeiten nicht exakt gleich sind. In einer Ausführungsalternative sind geeignete Schaltungsmaßnahmen vorgesehen, um einen solchen Gleichstrom nicht entstehen zu lassen. Der Koppelkondensator C2 kann dann entfallen.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Durchflußwandler 24 in Halb­ brückenschaltung ist ein Brückenzweig durch Schaltelemente S5, S6 und Freilaufdioden FD5, FD6 gebildet. Im anderen Brückenzweig sind die Schaltelemente und Freilaufdioden durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren C3, C4 er­ setzt. Ein zusätzlicher Koppelkondensator ist hier nicht er­ forderlich.

Werden beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 5 die Schaltele­ mente S5, S6 im Gegentakt bei symmetrischem Tastverhältnis angesteuert, so liegt an den Kondensatoren C3, C4 je eine Spannung u₁/2 an. Demgemäß wird auch die Primärwicklung L1 des Transformators T1 nur mit jeweils wechselnder Polarität an u₁/2 geschaltet. Auch hier sind die Ausgangsspannungen u₂, u_2', u_2'' rechteckförmig.

Die Schaltung für den Durchflußwandler 24 gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 hat den Vorteil, daß bei einer Energierückspeisung auf der Primärseite von T1 die Freilaufdioden FD1-FD6 als Gleichrichterdioden wirken. Im Rückspeisungsbetrieb kann daher nicht nur ein Energiefluß über die Sekundärwicklungen L2, L2', L2'' des Transformators T1 an andere Gleichrichter 26, 26', 26'' erfolgen, sondern auch ein Energiefluß über die Primärwicklung L1 und weitere Bauelemente des Durchflußwand­ lers 24 an den Kondensator C1 (Fig. 4) bzw. an die Kondensa­ toren C3, C4 (Fig. 5). Wenn auf diese Möglichkeit verzichtet wird (sie ist nicht unbedingt erforderlich, da im Regelfall die Energiesymmetrierung zwischen den Endstufen 14, 14', 14'' ohne Einbeziehung von Ladekondensatoren des Durchflußwand­ lers 24 ausreicht), kann der Durchflußwandler 24 auch abwei­ chend von Fig. 4 und Fig. 5 aufgebaut sein.

In Fig. 6 ist eine Vollbrückenschaltung für den Gleichrichter 26 (sowie die Gleichrichter 26', 26'') gezeigt. Die Wechsel­ spannung u₂ liegt über einen Koppelkondensator C8 an zwei Gleichrichter-Brückenzweigen an, die je zwei in Reihe ge­ schaltete Gleichrichterdioden G1, G2 bzw. G3, G4 aufweisen. Durch diese Anordnung der Gleichrichterdioden G1-G4 wird im Normalbetrieb (also bei dem in Fig. 1 gezeigten Energie­ fluß) die Spannung u₂ vollweggleichgerichtet. Die resultie­ rende Gleichspannung u₃ erreicht den Scheitelwert der Wech­ selspannung u₂. Die Spannung u₃ liegt an dem Gleichspannungs­ anschluß 28 an und wird einer Endstufe 14 (vgl. Fig. 3) zuge­ führt.

Von der Gleichspannungsseite des Gleichrichters 26 und der Endstufe 14 ist somit ein Gleichspannungszwischenkreis ge­ bildet, in den ein Kondensator C5 als Ladekondensator ge­ schaltet ist. Der Kondensator C5 ist in Fig. 6 dem Gleich­ richter 26 zugeordnet; er kann jedoch in einer Ausführungs­ alternative auch Bestandteil der Endstufe 14 sein. In einer weiteren Ausführungsalternative entfällt der Koppelkondensa­ tor C8, wie dies oben im Zusammenhang mit dem Koppelkonden­ sator C2 erwähnt ist.

Die Schalteinrichtung 30 des Gleichrichters 26 ist gemäß Fig. 6 aus vier aktiven Schaltelementen S7-S10 gebildet, die parallel zu je einer Gleichrichterdiode G1-G4 angeschlos­ sen sind. Als Schaltelemente S7-S10 können (ebenso wie für die Schaltelemente S1-S6) bipolare Transistoren, FETs (Feldeffekt-Transistoren) oder IGBTs (insulated gate bipolar transistors) dienen. Alternativ kann jedes Schaltelement S1 -S10 mit der zugeordneten Diode FD1-FD4, G1-G6 als FREDFET ausgestaltet sein, also als Feldeffekt-Transistor, dem intern eine FRED (fast recovery epitaxial diode) paral­ lelgeschaltet ist. Insbesondere bei größeren Leistungen kön­ nen auch Thyristoren (gegebenenfalls mit Löscheinrichtung) oder GTOs (gate turn-off thyristors) als Schaltelemente S1- S10 dienen.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Halbbrückenschaltung (Span­ nungsverdopplerschaltung) für den Gleichrichter 26 (sowie für die Gleichrichter 26', 26'') sind in einem Brückenzweig zwei Gleichrichterdioden G5, G6 vorgesehen, während die Gleichrichterdioden und Schaltelemente in dem anderen Brückenzweig durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren C6, C7 ersetzt sind. Die Schalteinrichtung 30 weist zwei pa­ rallel zu den Gleichrichterdioden G5, G6 angeschlossene Schaltelemente S11, S12 auf, die ebenso wie die Schaltele­ mente S1-S10 ausgestaltet sein können. Die Ausgangsspan­ nung u₃ erreicht hier die Summe der positiven und negativen Scheitelwerte von u₂. Ein Koppelkondensator (wie C8 in Fig. 6) ist nicht erforderlich.

Im Betrieb der Stromversorgungseinrichtung werden die Schaltelemente S7-S10 in Fig. 6 bzw. S11, S12 in Fig. 7 von der Ansteuereinrichtung 32 über die Verbindungen 34, 34', 34'' (vgl. Fig. 3) geeignet angesteuert, wie dies im einlei­ tenden Teil dieser Beschreibung in Grundzügen geschildert ist und im folgenden genauer erläutert wird.

Fig. 8 zeigt typische Spannungs- und Stromverläufe beim Nor­ malbetrieb des Gleichrichters 26 (bzw. der Gleichrichter 26', 26''). Die Eingangsspannung u₂ (erste Zeile in Fig. 8) ist hier eine symmetrische, rechteckförmige Wechselspannung. Die Schaltelemente S7, S10 (bzw. S11) werden nur dann in einen leitenden Zustand versetzt, wenn eine positive Spannung u₂ anliegt (zweite Zeile in Fig. 8). Die fallende Flanke des An­ steuersignals für die Schaltelemente S7, S10 (bzw. S11) liegt dabei um eine Sicherheitszeit T_S1 vor der fallenden Flanke von u₂, und die steigende Flanke des Ansteuersignals um eine Sicherheitszeit T_S2 nach der steigenden Flanke von u₂. Während der Sicherheitszeiten T_S1, T_S2 leiten die Schalt­ elemente S7, S10 (bzw. S11) nicht.

Die Schaltelemente S8, S9 (bzw. S12) werden ebenfalls unter Berücksichtigung von Sicherheitszeiten betrieben und nur dann durchgeschaltet, wenn die Spannung u₂ negativ ist (drit­ te Zeile in Fig. 8). Durch diese Ansteuerung wird erreicht, daß jedes Schaltelement S7-S12 höchstens dann leitet, wenn die zugeordnete Gleichrichterdiode G1-G6 im Normalbetrieb von einem Strom durchflossen wird. Das Schaltelement S7- S12 kann dann einen Teil des Stromflusses durch die Gleich­ richterdiode G1-G6 übernehmen; sonst hat es jedoch (im Normalbetrieb) keine Wirkung. Beispielhaft sind in den letz­ ten beiden Zeilen von Fig. 8 die an der Gleichrichterdiode G1 anliegende Spannung U_G1 (bzw. die halbe an G5 anliegende Spannung U_G5/2) und der Stromfluß i_G1 durch die Gleichrichter­ diode G1 (bzw. der Stromfluß i_G5 durch G5) gezeigt.

Die Spannungs- und Stromverläufe in Fig. 9 veranschaulichen den Rückspeisungsbetrieb des Gleichrichters 26. Beim Rück­ speisungsbetrieb ist durch eine Rückspeisung von der Gra­ dientenspule 16 in den entsprechenden Gleichspannungszwi­ schenkreis die Gleichspannung u₃ über den Wert hinausgewach­ sen, den sie durch die Gleichrichtung der Wechselspannung u₂ hätte. Durch die Gleichrichtung von u₂ wird dann kein Strom­ fluß mehr erzeugt. Wie in der ersten Zeile von Fig. 9 darge­ stellt ist, fließt demgemäß durch die Gleichrichterdiode G1 (bzw. G5) die meiste Zeit kein Strom i_G1 (bzw. i_G5). Bei jedem Ausschalten des Schaltelements S8 (bzw. S12) tritt jedoch eine Stromspitze auf, da die Gleichrichterdiode G1 dann als Freilaufdiode für das Schaltelement S8 (bzw. G5 als Freilaufdiode für S12) wirkt. Der Zeitpunkt des Ausschaltens von S8 (bzw. S12) ist in Fig. 8 und Fig. 9 mit B bezeichnet.

Der Strom i_S7 (bzw. i_S11) durch das Schaltelement S7 (bzw. S11) baut sich nach dem Einschalten des Schaltelements S7 (bzw. S11) auf und fällt mit dem Ausschalten schnell auf null (zweite Zeile von Fig. 9). Die Gleichrichterdiode G2 (bzw. G6) wirkt hier als Freilaufdiode. Der Zeitpunkt des Ausschaltens von S7 (bzw. S11) ist in Fig. 8 und Fig. 9 mit A bezeichnet.

Während das Schaltelement S7 (bzw. S11) leitet, beträgt die Spannung U_G1 ungefähr null (dritte Zeile von Fig. 9). Beim Ausschalten von S7 (bzw. S11) zum Zeitpunkt A steigt die Spannung U_G1 (bzw. U_G5) durch Streuinduktivitäten im Transfor­ mator T1 an, bis sie durch die Gleichrichterdiode G2 (bzw. G6) auf den Wert von u₃ begrenzt wird. Ist die Sicherheits­ zeit T_S1 genügend lang, so kann U_G1 (bzw. U_G5) nochmals sehr klein werden, jedoch nicht null, da u₃ etwas größer als der gleichgerichtete Wert von u₂ ist. Nach Ablauf der Sicher­ heitszeit T_S1 erfolgt der Pegelwechsel von u₂, und nach einer weiteren Sicherheitszeit wird das Schaltelement S8 (bzw. S12) eingeschaltet.

Während das Schaltelement S8 (bzw. S12) eingeschaltet ist, erreicht U_G1 (bzw. U_G5) den Wert von u₃. Wie bereits geschil­ dert, wirkt beim Ausschalten von S8 (bzw. S12), also zum Zeitpunkt B, die Gleichrichterdiode G1 (bzw. G5) als Frei­ laufdiode. Die Spannung U_G1 (bzw. U_G5) wird durch die leitende Diode G1 (bzw. G5) kurzzeitig null. Wenn die entsprechende Sicherheitszeit genügend lang ist, kann die Spannung U_G1 (bzw. U_G5) dann nochmals fast bis auf den Wert von u₃ anstei­ gen.

Wie aus der letzten Zeile von Fig. 9 hervorgeht, weist die sich im Rückspeisungsbetrieb ergebende Spannung u₂ vor jeder Umschaltflanke eine zusätzliche Schaltspannungsspitze auf. Diese Spannungsspitzen ergeben sich durch die Rückwirkung der Spannungsspitzen von U_G1 (bzw. U_G5) auf u₂. Während der Einschaltzustände der Schaltelemente S7-S12 erhöht sich die Spannung u₂ auf den Wert von u₃.

Aus einem Vergleich der Richtungen von U_G1 (bzw. U_G5) im Nor­ malbetrieb (letzte Zeile von Fig. 8) und i_S7 (bzw. i_S11) im Rückspeisungsbetrieb (zweite Zeile von Fig. 9) wird deut­ lich, daß im Rückspeisungsbetrieb der Energiefluß gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrt ist. Die jeweilige Energiefluß­ richtung ergibt sich von selbst je nach der Höhe der Span­ nungen u₂ und u₃. Eine Stabilisierung oder Messung von u₂ oder u₃ ist nicht erforderlich. Ist eines der Schaltelemente S7-S12 dauernd eingeschaltet oder werden keine ausreichen­ den Sicherheitszeiten eingehalten, so kommt dies einem se­ kundärseitigen Kurzschluß des Transformators T1 gleich.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die als eine einzige Baugruppe ausgebildete Ansteuereinrichtung 32 die Ansteuersignale sowohl für die Schaltelemente S1-S4 des Durchflußwandlers 24 als auch für die Schalteinrichtun­ gen 30, 30', 30'' der Gleichrichter 26, 26', 26''. Dadurch ist es möglich, alle diese Signale exakt phasenstarr und mit mi­ nimalen Sicherheitszeiten zu erzeugen, so daß die Gleich­ spannung u₃ besonders stabil ist.

Fig. 10 zeigt die von der Ansteuereinrichtung 32 generierten vier Schaltsignale, nämlich ein erstes Ansteuersignal für die Schaltelemente S1, S4 (bzw. S5), ein zweites Ansteuer­ signal für die Schaltelemente S2, S3 (bzw. S6), ein drittes Ansteuersignal für die Schaltelemente S7, S10 (bzw. S11) und ein viertes Ansteuersignal für die Schaltelemente S8, S9 (bzw. S12). Die ersten beiden Ansteuersignale sind symmetri­ sche, zueinander um 180° verschobene Rechtecksignale, deren Einschaltphasen durch Totzeiten voneinander getrennt sind. Das dritte Ansteuersignal entspricht dem ersten Ansteuersig­ nal, wobei jedoch weitere Sicherheitszeiten am Beginn und am Ende der Einschaltphasen eingefügt sind. Das vierte Ansteu­ ersignal ist ebenfalls durch Einfügen von Sicherheitszeiten aus dem zweiten Ansteuersignal herleitbar.

Bei sehr langen Einschaltphasen der Schalteinrichtungen 30, 30', 30'' kann es im Rückspeisungsbetrieb vorkommen, daß sich ein sehr hoher Strom durch die Schaltelemente S7-S12 auf­ baut. Um eine Überlastung der Schaltelemente S7-S12 zu verhindern, ist in einer Ausführungsalternative die Ansteu­ ereinrichtung 32 so ausgestaltet, daß sie die Sicherheits­ zeiten über das notwendige Mindestmaß hinaus verlängert. Mit der so verkürzten Dauer der Einschaltphasen wird auch der maximale Rückspeisungsstrom verringert.

Die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsvariante des Gleichrich­ ters 26 basiert auf der Schaltung von Fig. 6. Hier sind je­ doch die Schaltelemente S7, S8 über eine als Drossel ausge­ staltete Induktivität L3 an die Gleichrichterdioden G1, G2 und den Koppelkondensator C8 angeschlossen. Ferner sind Freilaufdioden FD7, FD8 für die Schaltelemente S7, S8 vorge­ sehen, die unmittelbar an die Schaltelemente S7, S8 ange­ schlossen sind. Wegen der Induktivität L3 können die Gleich­ richterdioden G1, G2 (im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 6) nicht mehr in hinreichendem Maße als Freilaufdioden für die Schaltelemente S7, S8 dienen.

Im Normalbetrieb arbeitet die Schaltung nach Fig. 11 (ebenso wie die nach Fig. 6) als Gleichrichter für die Wechselspan­ nung u₂. Im Rückspeisebetrieb wird die Anstiegsgeschwindig­ keit des Rückspeisestromes durch die Streuinduktivität des Transformators T1 und zusätzlich durch die in den Rückspei­ sungszweig geschaltete Induktivität L3 verringert. Im übri­ gen arbeitet diese Schaltung ebenso wie die nach Fig. 6.

Fig. 12 stellt die entsprechende Erweiterung der Schaltung nach Fig. 7 dar. Auch hier dient eine Induktivität L4 zur Re­ duktion des Rückspeisestromes, wodurch zusätzliche Freilauf­ dioden FD9, FD10 für die Schaltelemente S11, S12 erforder­ lich werden.

Bei den Schaltungen nach Fig. 11 und Fig. 12 ist das Netzteil im Normalbetrieb hart, d. h., die Spannung u₃ gibt bei Bela­ stung nur wenig nach. Im Rückspeisebetrieb hat das Netzteil wegen des geringeren Rückspeisestromes jedoch eine weiche Charakteristik. Eine einmalige Aufladung der Kondensatoren C5 bzw. C6, C7 führt zu einem länger andauernden Rückspeise­ strom mit einer geringeren Amplitude. Im Gegensatz dazu ist ein Netzteil mit einem Gleichrichter nach Fig. 6 oder Fig. 7 auch im Rückspeisebetrieb hart, d. h., daß eine einmalige Aufladung der Kondensatoren C5 bzw. C6, C7 einen kurz an­ dauernden Rückspeisestrom mit einer hohen Amplitude hervor­ ruft.

In einer weiteren Ausführungsalternative ist die Ansteuer­ einrichtung 32 nicht als zentrale Einheit in der Wechsel­ spannungsquelle 20 (wie in Fig. 3) vorgesehen, sondern sie ist durch mehrere getrennte Baugruppen gebildet. Diese Bau­ gruppen sind je einem Gleichrichter 26, 26', 26'' baulich zu­ geordnet und brauchen weder untereinander noch mit dem Durchflußwandler 24 zu kommunizieren. In jedem Gleichrichter 26, 26', 26'' wird die Information über die Schaltzeitpunkte der Schalteinrichtung 30, 30', 30'' aus dem Verlauf der Span­ nung u₂, u_2', u_2'' abgeleitet. Da dieser Spannungsverlauf je­ doch im Normal- und im Rückspeisungsbetrieb unterschiedlich ist (vgl. Fig. 8, erste Zeile und Fig. 9, letzte Zeile), ist eine geeignete Filtereinrichtung für die Spannung u₂, u_2', u_2'' erforderlich. Außerdem müssen lange Sicherheitszeiten einge­ halten werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante sind die Gleichrichter 26, 26', 26'' gemäß der in Fig. 13 gezeigten Schaltung aufge­ baut (Zweiweggleichrichter in Mittelpunktschaltung). Diese Schaltung weist einen Transformator T2 mit einer Sekundär­ wicklung mit herausgeführter Anzapfung auf. Zwei Gleichrich­ terdioden G7, G8 sind einerseits mit den Endanschlüssen der Sekundärwicklung und andererseits mit einem Anschluß eines Kondensators C9 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensa­ tors C9 ist mit der Anzapfung der Sekundärwicklung verbun­ den. Schaltelemente S13, S14 sind parallel zu den Gleich­ richterdioden G7, G8 vorgesehen. Anders als bei den Schal­ tungen nach Fig. 6 und Fig. 7 wirken hier die Gleichrichter­ dioden G7, G8 jedoch nicht als Freilaufdioden für die Schaltelemente S13, S14. Zum Schutz der Schaltelemente S13, S14 vor Überspannungen ist daher eine geeignete Dämpfungs­ einrichtung, die beispielsweise RC-Glieder aufweist, erfor­ derlich.

Gegenwärtig wird von den Erfindern eine Stromversorgungsein­ richtung gemäß Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 11 mit Ansteuersignalen gemäß Fig. 10 als der beste Weg zum Ausführen der Erfindung angesehen.

Claims (14)

1. Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für einen meh­ rere gekoppelte Endstufen (14, 14', 14'') aufweisenden Gra­ dientenverstärker, mit einer Wechselspannungsquelle (20), an die mehrere Gleichrichter (26, 26', 26'') angeschlossen sind, die in einem Normalbetrieb von der Wechselspannungsquelle (20) gespeist werden und Energie an je einen Gleichspan­ nungsanschluß (28, 28', 28'') abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Gleichrichter (26, 26', 26'') eine Schalteinrich­ tung (30, 30', 30'') aufweist, durch die in einem Rückspei­ sungsbetrieb Energie von dem Gleichspannungsanschluß (28, 28', 28'') und/oder von einem Kondensator (C5; C6, C7; C9) des Gleichrichters (26, 26', 26'') an die Wechselspannungs­ quelle (20) zurückführbar ist.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ richter (26, 26', 26'') mindestens eine Gleichrichterdiode (G1, G2, G3, G4; G5, G6; G7, G8) aufweist, die unmittelbar oder über eine Induktivität (L3; L4) parallel zu je einem aktiven Schaltelement (S7, S8, S9, S10; S11, S12; S13, S14) der Schalteinrichtung (30, 30', 30'') angeschlossen ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, die Schalteinrichtung (30, 30', 30'') zu vorbestimmten Zeitpunkten anzusteuern, um im Rückspeisungsbetrieb den Energierückfluß durch die Schalt­ einrichtung (30, 30', 30'') zu ermöglichen.

4. Stromversorgungseinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ steuereinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, jedes aktive Schaltelement (S7, S8, S9, S10; S11, S12; S13, S14) höch­ stens zu solchen Zeitpunkten in einen leitenden Zustand zu versetzen, zu denen die von der Wechselspannungsquelle (20) stammende Spannung (u₂, u_2', u_2'') in ihrer Polarität der Durchlaßrichtung der dem jeweiligen Schaltelement (S7, S8, S9, S10; S11, S12; S13, S14) zugeordneten Gleichrichterdiode (G1, G2, G3, G4; G5, G6; G7, G8) entspricht.

5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ steuereinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, jedes aktive Schaltelement (S7, S8, S9, S10; S11, S12; S13, S14) während der gesamten in Anspruch 4 genannten Zeitdauer, mit Ausnahme je einer Sicherheitszeit (T_S1, T_S2) am Beginn und Ende dieser Zeitdauer, in einen leitenden Zustand zu versetzten.

6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Sicherheitszeiten (T_S1, T_S2) veränderbar ist, um einen übermäßigen Energierückfluß durch die Schalteinrichtung (30, 30', 30'') zu begrenzen.

7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbe­ stimmten Ansteuerzeitpunkte der Ansteuereinrichtung (32) un­ abhängig vom Betriebszustand der Stromversorgungseinrichtung sind.

8. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gleich­ richterdiode (G1, G2, G3, G4; G5, G6; G7, G8) als Freilauf­ diode für je ein aktives Schaltelement (S7, S8, S9, S10; S11, S12; S13, S14) einer Schalteinrichtung (30, 30', 30'') dient.

9. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel­ spannungsquelle (20) dazu eingerichtet ist, von einem der Gleichrichter (26, 26', 26'') zurückfließende Energie an min­ destens einen anderen Gleichrichter (26, 26', 26'') und/oder an einen Kondensator (C1; C3, C4) der Wechselspannungsquelle (20) zu leiten.

10. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Wechselspan­ nungsquelle (20) zum Erzeugen mehrerer potentialgetrennter Wechselspannungen (u₂, u_2', u_2'') für die Gleichrichter (26, 26', 26'') eingerichtet ist.

11. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel­ spannungsquelle (20) eine Transformatoreinrichtung mit meh­ reren Sekundärwicklungen (L2, L2', L2'') für je eine der po­ tentialgetrennten Wechselspannungen (u₂, u_2', u_2'') aufweist.

12. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel­ spannungsquelle (20) eine Netzeingangsschaltung (22) und einen Durchflußwandler (24) aufweist.

13. Stromversorgungseinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ steuereinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, sowohl die Schalteinrichtungen (30, 30', 30'') der Gleichrichter (26, 26', 26'') als auch aktive Schaltelemente (S1, S2, S3, S4; S5, S6) des Durchflußwandlers (24) mit zueinander synchroni­ sierten Schaltsignalen anzusteuern.

14. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Induktivität (L3; L4) vorgesehen ist, um einen über­ mäßigen Energierückfluß durch die Schalteinrichtung (30, 30', 30'') zu begrenzen.