DE19841733A1 - Semiconductor switch-element power supply circuit arrangement - Google Patents

Semiconductor switch-element power supply circuit arrangement

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DE19841733A1
DE19841733A1 DE19841733A DE19841733A DE19841733A1 DE 19841733 A1 DE19841733 A1 DE 19841733A1 DE 19841733 A DE19841733 A DE 19841733A DE 19841733 A DE19841733 A DE 19841733A DE 19841733 A1 DE19841733 A1 DE 19841733A1
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Manfred Bruckmann
Hubert Schierling
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters

Abstract

A power supply device includes a drive circuit (5) for a semiconductor (1) switching-element comprising two switch terminals (2,3) and a control terminal (4), across which is connected a utility circuit (5) serving as the drive circuit. The switch terminals (2,3) are electrically interconnectable, or electrically separable by controlling the control terminal (4). A back-up capacitor unit (6) is connected across the utility circuit (5). The back-up capacitor (6) is connected in series with a choke unit (11) and a freewheeling diode unit (12) is connected with reverse-bias in parallel with the series circuit. The parallel circuit of the back up capacitor unit (6) choke unit (11) and diode (12) has a forward-biased coupling diode (13) connected in series with it. A coupling capacitor (16) is provided in one of the current feed lines (9,10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsein­ richtung für eine einem Halbleiter-Schaltelement mit zwei Schaltanschlüssen und einem Steueranschluß parallelgeschal­ tete Nutzschaltung, insbesondere eine Ansteuerschaltung für das Halbleiter-Schaltelement,
The present invention relates to a Stromversorgungsein direction for a semiconductor switching element with two switching connections and a control connection in parallel-switched useful circuit, in particular a control circuit for the semiconductor switching element,

  • - wobei die Schaltanschlüsse durch Ansteuern des Steueran­ schlusses elektrisch miteinander verbindbar bzw. elektrisch voneinander trennbar sind,- The switching connections by controlling the Steueran finally electrically connectable or electrically are separable from each other,
  • - wobei der Nutzschaltung eine Stützkondensatoreinheit paral­ lel vorgeschaltet ist, die einerseits mit Stromversorgungs­ anschlüssen der Nutzschaltung und andererseits über zwei Versorgungsleitungen mit den Schaltanschlüssen verbunden ist.- The utility circuit paral a support capacitor unit lel is connected upstream, on the one hand with power supply connections of the useful circuit and on the other hand via two Supply lines connected to the switching connections is.

Für drehzahlveränderbare Antriebe, unterbrechungsfreie Strom­ versorgungen und dergleichen mehr werden Leistungs-Halblei­ ter-Schaltelemente eingesetzt. Zur Umsetzung des Steuerbe­ fehls in ein entsprechend umgeformtes Ansteuersignal dient eine Ansteuerschaltung, die neben der Signalaufbereitung auch Schutzfunktionen beinhaltet. Die Ansteuerschaltung ist direkt dem Halbleiter-Schaltelement zugeordnet und befindet sich auf dessen Potential im Hauptstromkreis. Sie hat einen bestimmten Energiebedarf.For variable-speed drives, uninterruptible power Supplies and the like are becoming semi-performance ter switching elements used. To implement the tax is used in a correspondingly transformed control signal a control circuit, which in addition to the signal processing Protection functions included. The control circuit is direct assigned to the semiconductor switching element and is located on its potential in the main circuit. It has a certain one Energy requirements.

Die Versorgung der Ansteuerschaltung erfolgt im Stand der Technik zumeist über einen Transformator, der mit hochfre­ quenter Wechselspannung gespeist wird. Zwischen Primärkreis und Sekundärkreis findet dabei in der Regel eine elektrische Trennung statt. Bei Frequenzumrichtern für hohe Betriebsspan­ nungen sind dafür große Kriechstrecken usw. erforderlich. Der Transformator ist daher voluminös und verursacht hohe Kosten. The control circuit is supplied in the state of Technology mostly via a transformer that uses high frequency quente alternating voltage is fed. Between primary circuit and secondary circuit usually finds an electrical one Separation instead. For frequency converters for high operating voltages Large creepage distances etc. are required for this. The The transformer is therefore bulky and causes high costs.  

Es ist weiterhin bekannt, über einen kapazitiven Spannungs­ teiler, der über entsprechende Dioden verschaltet ist, die Ansteuerschaltung aus dem Hauptstromkreis mit Energie zu ver­ sorgen. Die Energieversorgung findet dabei während der Span­ nungsänderungen an dem Halbleiter-Schaltelement statt. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Ladezeiten sehr kurz sind. Hierdurch erfolgt eine hohe Strombelastung der Bauelemente der Stromversorgungseinrichtung.It is also known to have a capacitive voltage divider, which is connected via corresponding diodes, the Control circuit from the main circuit with energy to ver to care. The energy supply takes place during the chip voltage changes take place on the semiconductor switching element. The The disadvantage of this procedure is that the loading times are very high are short. This results in a high current load on the Components of the power supply device.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromversorgungseinrichtung für eine einem Halbleiter-Schalt­ element parallelgeschaltete Nutzschaltung zu schaffen, bei der die Bauelemente der Stromversorgungseinrichtung einer ge­ ringeren Strombelastung ausgesetzt sind.The object of the present invention is a Power supply device for a semiconductor switch element to create parallel-connected useful circuit at of the components of the power supply device a ge are exposed to less current.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stützkondensatorein­ heit eine Drosseleinheit in Reihe vorgeschaltet ist, daß der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit und Drosselein­ heit eine in Sperrichtung angeordnete Freilaufdiodeneinheit parallelgeschaltet ist, daß der Parallelschaltung aus Stütz­ kondensatoreinheit, Drosseleinheit und Freilaufdiodeneinheit eine in Durchlaßrichtung angeordnete Koppeldiode vorgeschal­ tet ist und daß in einer der Versorgungsleitungen ein Koppel­ kondensator angeordnet ist.The object is achieved in that the backup capacitor Unit is a throttle unit connected in series that the Series connection of backup capacitor unit and choke a freewheeling diode unit arranged in the reverse direction is connected in parallel that the parallel connection from support capacitor unit, choke unit and freewheeling diode unit a coupling diode arranged in the forward direction is tet and that in one of the supply lines a coupling capacitor is arranged.

Dadurch werden die Ladezeiten verlängert, so daß die Strombe­ lastung der beteiligten Bauelemente niedriger ist.This extends the charging times, so that the electricity load of the components involved is lower.

Wenn dem Koppelkondensator ein Vorladewiderstand parallelge­ schaltet ist, ist auf besonders einfache Weise eine Vorladung der Stützkondensatoreinheit erreichbar.If the precharge capacitor has a precharge resistor in parallel is a precharge in a particularly simple manner of the backup capacitor unit.

Wenn dem Vorladewiderstand eine in Durchlaßrichtung angeord­ nete Überbrückungsdiode vorgeschaltet ist, erfolgt im norma­ len (getakteten) Ladebetrieb keine Entladung der Stützkonden­ satoreinheit über den Vorladewiderstand. If the precharge resistor is arranged in the forward direction nete bridging diode is connected in the norm len (clocked) charging operation no discharge of the support condens sator unit over the precharge resistor.  

Wenn der Koppeldiode ein Rückkoppelwiderstand parallelge­ schaltet ist, wird bei einer asymmetrisch ausgebildeten Stromversorgungseinrichtung auf besonders einfache Weise ein Entladestrompfad für den Koppelkondensator geschaffen.If the coupling diode has a feedback resistor in parallel is switched, is asymmetrically trained Power supply device in a particularly simple manner Discharge current path created for the coupling capacitor.

Wenn dem Rückkoppelwiderstand eine in Sperrichtung angeord­ nete Rückkoppeldiode vorgeschaltet ist, ergibt sich eine noch bessere Ankopplung des Koppelkondensators an einen der Schaltanschlüsse.If the feedback resistor is arranged in the reverse direction Nete feedback diode is connected upstream, there is still one better coupling of the coupling capacitor to one of the Switching connections.

Bei einer symmetrisch ausgebildeten Stromversorgungseinrich­ tung ist vorgesehen, daß die Stützkondensatoreinheit zwei in Reihe geschaltete Stützkondensatoren mit einem zwischen den Stützkondensatoren angeordneten Kondensatormittelanschluß aufweist, daß die Drosseleinheit zwei Drosseln aufweist, von denen je eine mit je einem der Stützkondensatoren in Reihe geschaltet ist, daß die Freilaufdiodeneinheit zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden mit einem zwischen den Freilaufdi­ oden angeordneten Diodenmittelanschluß aufweist, daß der Kon­ densatormittelanschluß und der Diodenmittelanschluß miteinan­ der und mit der einen Versorgungsleitung verbunden sind und daß der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit, Drossel­ einheit, Freilaufdiodeneinheit und Koppeldiode eine in Sperr­ richtung angeordnete Zusatz-Koppeldiode parallelgeschaltet ist.With a symmetrically designed power supply unit device is provided that the backup capacitor unit two in Series connected backup capacitors with one between the Support capacitors arranged capacitor center connection has that the throttle unit has two throttles, of each one with one of the backup capacitors in series is connected that the freewheeling diode unit two in series switched freewheel diodes with a between the freewheel di oden arranged diode center connection that the Kon capacitor center connection and the diode center connection with each other which are connected to the one supply line and that the series connection of the support capacitor unit, choke unit, freewheeling diode unit and coupling diode one in lock directional additional coupling diode connected in parallel is.

Der Aufbau der Stromversorgungseinrichtung läßt sich weiter vereinfachen, wenn der Stützkondensatoreinheit ein Spannungs­ wandler nachgeschaltet ist, dem eine Versorgungskondensator­ einheit nachgeschaltet ist.The structure of the power supply device can be further simplify when the backup capacitor unit has a voltage converter is connected downstream of which a supply capacitor unit is connected downstream.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, der Reihenschal­ tung von Stützkondensatoreinheit, Drosseleinheit, Freilaufdi­ odeneinheit und Koppeldiode einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung vorzuschalten. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung können dabei wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt sein. Alternatively or additionally, it is possible to use the row scarf tion of support capacitor unit, throttle unit, freewheel di ode unit and coupling diode a transformer with a Primary winding and a secondary winding. The The primary winding and the secondary winding can be selected connected or separated from each other.  

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in PrinzipdarstellungFurther advantages and details emerge from the following description of an embodiment. Here zei in principle

Fig. 1 bis 4 je ein Halbleiter-Schaltelement mit einer An­ steuerschaltung und einer Stromversorgungsein­ richtung. Fig. 1 to 4 a respective semiconductor switching element control circuit having an on and direction of Stromversorgungsein.

Gemäß Fig. 1 weist ein Halbleiter-Schaltelement 1 zwei Schaltanschlüsse 2, 3 und einen Steueranschluß 4 auf. Der Steueranschluß 4 ist von einer dem Halbleiter-Schaltelement 1 parallelgeschalteten Ansteuerschaltung 5 ansteuerbar. Je nach Ansteuerung durch die Ansteuerschaltung 5 werden die Schalt­ anschlüsse 2, 3 elektrisch miteinander verbunden bzw. elek­ trisch voneinander getrennt. Das Halbleiter-Schaltelement 1 ist beispielsweise als IGBT oder als GTO ausgebildet. Es sind aber auch andere Ausbildungen des Halbleiter-Schaltelements 1 möglich, z. B. als MOSFET.Referring to FIG. 1, a semiconductor switching element 1 has two switching terminals 2, 3 and a control terminal 4. The control connection 4 can be controlled by a control circuit 5 connected in parallel with the semiconductor switching element 1 . Depending on the control by the control circuit 5 , the switching connections 2 , 3 are electrically connected to one another or electrically separated from one another. The semiconductor switching element 1 is designed, for example, as an IGBT or as a GTO. However, other designs of the semiconductor switching element 1 are also possible, for. B. as a MOSFET.

Mittels des Halbleiter-Schaltelements 1 wird eine Betriebs­ spannung U von z. B. 600 V geschaltet. Wenn die Schaltan­ schlüsse 2, 3 durch entsprechendes Ansteuern des Steueran­ schlusses 4 elektrisch miteinander verbunden sind, fällt über den Schaltanschlüssen 2, 3 eine Schaltelementspannung von we­ nigen Volt, typisch 1 bis 2 Volt, ab. Wenn hingegen die Schaltanschlüsse 2, 3 elektrisch voneinander getrennt sind, fällt über den Schaltanschlüssen 2, 3 die volle Betriebsspan­ nung U ab.By means of the semiconductor switching element 1 , an operating voltage U of z. B. 600 V. If the switching connections 2 , 3 are electrically connected to one another by correspondingly controlling the control connection 4 , a switching element voltage of a few volts, typically 1 to 2 volts, drops across the switching connections 2 , 3 . If, on the other hand, the switching connections 2 , 3 are electrically separated from one another, the full operating voltage U drops across the switching connections 2 , 3 .

Um die Ansteuerschaltung 5 mit elektrischer Energie zu ver­ sorgen, ist der Ansteuerschaltung 5 eine Stützkondensatorein­ heit 6 parallel vorgeschaltet. Die Stützkondensatoreinheit 6 ist einerseits mit Stromversorgungsanschlüssen 7, 8 der An­ steuerschaltung 5 und andererseits über zwei Versorgungslei­ tungen 9, 10 mit den Schaltanschlüssen 2, 3 verbunden. Der Stützkondensatoreinheit 6 ist eine Drosseleinheit 11 in Reihe vorgeschaltet. Dieser Reihenschaltung ist eine in Sperrich­ tung angeordnete Freilaufdiodeneinheit 12 parallelgeschaltet. Dieser Parallelschaltung ist eine in Durchlaßrichtung ange­ ordnete Koppeldiode 13 vorgeschaltet. Der Koppeldiode 13 ist ein Rückkoppelwiderstand 14 parallelgeschaltet, dem eine in Sperrichtung angeordnete Rückkoppeldiode 15 vorgeschaltet ist.In order to supply the control circuit 5 with electrical energy, the control circuit 5 is a supporting capacitor unit 6 connected in parallel. The support capacitor unit 6 is connected on the one hand to power supply connections 7 , 8 of the control circuit 5 and on the other hand via two supply lines 9 , 10 to the switching connections 2 , 3 . The supporting capacitor unit 6 is preceded by a choke unit 11 in series. This series connection is a freewheeling diode unit 12 arranged in the blocking direction connected in parallel. This parallel connection is connected in the forward direction arranged coupling diode 13 . The coupling diode 13 is connected in parallel with a feedback resistor 14 , which is preceded by a feedback diode 15 arranged in the reverse direction.

In der einen Versorgungsleitung 9 ist ein Koppelkondensator 16 angeordnet. Diesem ist ein Vorladewiderstand 17 parallel­ geschaltet, dem eine in Durchlaßrichtung angeordnete Über­ brückungsdiode 18 vorgeschaltet ist.A coupling capacitor 16 is arranged in one supply line 9 . This is a precharge resistor 17 connected in parallel, which is arranged in the forward direction over bridging diode 18 .

Die Stromversorgungseinrichtung arbeitet wie folgt:
Wenn das Halbleiter-Schaltelement 1 permanent geöffnet ist, also nicht betrieben wird, erfolgt ein langsames Aufladen der Stützkondensatoreinheit 6 über die Koppeldiode 13, den Vorla­ dewiderstand 17, die Überbrückungsdiode 18 und die Drossel­ einheit 11.The power supply works as follows:
If the semiconductor switching element 1 is permanently open, i.e. is not operated, the backup capacitor unit 6 is slowly charged via the coupling diode 13 , the pre-charging resistor 17 , the bridging diode 18 and the choke unit 11 .

Wenn hingegen, wie im Normalbetrieb üblich, das Halbleiter- Schaltelement 1 von der Ansteuerschaltung 5 getaktet wird, erfolgt das Laden der Stützkondensatoreinheit 6 im wesentli­ chen über den Koppelkondensator 16.On the other hand, if, as is normal in normal operation, the semiconductor switching element 1 is clocked by the control circuit 5 , the charging of the backup capacitor unit 6 takes place essentially via the coupling capacitor 16 .

Der Koppelkondensator 16 und der Rückkoppelwiderstand 14 sind derart dimensioniert, daß sich im getakteten Betrieb des Halbleiter-Schaltelements 1 eine Kondensatorspannung UK über dem Koppelkondensator 16 aufbaut. Wenn daher das Halbleiter- Schaltelement 1 geschlossen ist, erfolgt ein Stromfluß über den Rückkoppelwiderstand 14, die Rückkoppeldiode 15 und die Freilaufdiodeneinheit 12. Wenn das Halbleiter-Schaltelement 1 geöffnet ist, erfolgt ein Stromfluß über die Koppeldiode 13. In beiden Schaltzuständen fließt Ladestrom durch die Drossel­ einheit 11 auf die Stützkondensatoreinheit 6. The coupling capacitor 16 and the feedback resistor 14 are dimensioned such that a capacitor voltage UK builds up across the coupling capacitor 16 in the clocked operation of the semiconductor switching element 1 . Therefore, when the semiconductor switching element 1 is closed, a current flows through the feedback resistor 14 , the feedback diode 15 and the free-wheeling diode unit 12 . When the semiconductor switching element 1 is open, a current flows through the coupling diode 13 . In both switching states, charging current flows through the choke unit 11 to the backup capacitor unit 6 .

Der Koppelkondensator 16 und die Drosseleinheit 11 bilden ei­ nen Schwingkreis. Die Zeiten, während derer durch die Dros­ seleinheit 11 Strom fließt, sind daher erheblich größer als beim Stand der Technik. Die maximale Strombelastung der Bau­ elemente 6, 11-18 der Stromversorgungseinrichtung ist daher erheblich geringer als im Stand der Technik. Bei geeigneter Auslegung von Koppelkondensator 16 und Drosseleinheit 11 ist sogar ein Betrieb im Resonanzbereich des Schwingkreises mög­ lich.The coupling capacitor 16 and the choke unit 11 form a resonant circuit. The times during which current flows through the throttle unit 11 are therefore considerably greater than in the prior art. The maximum current load of the construction elements 6 , 11-18 of the power supply device is therefore considerably less than in the prior art. With a suitable design of coupling capacitor 16 and choke unit 11 , operation in the resonance range of the resonant circuit is even possible.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen der Drosseleinheit 11 und der Stützkondensatoreinheit 6 eine in Durchlaßrichtung geschal­ tete Sperrdiode 11' angeordnet. Diese verhindert einen La­ dungsfluß von der Stützkondensatoreinheit 6 auf den Koppel­ kondensator 16 beim Beenden des Taktens des Halbleiter-Schal­ telements 1.According to Fig. 1, between the throttle unit 11 and the backup capacitor unit 6 a geschal ended in the forward blocking diode 11 '. This prevents a flow of charge from the backup capacitor unit 6 to the coupling capacitor 16 when the clocking of the semiconductor scarf element 1 is ended .

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung von Fig. 1. Zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Bauelementen ist in Fig. 2 der Stützkon­ densatoreinheit 6 ein Spannungswandler 19 nachgeschaltet. Dem Spannungswandler 19 ist eine Versorgungskondensatoreinheit 20 nachgeschaltet. Über diese erfolgt dann die eigentliche Ver­ sorgung der Ansteuerschaltung 5 mit elektrischer Energie. Fig. 2 shows a modification of Fig. 1. In addition to the components shown in Fig. 1, in Fig. 2 of the Stützkon capacitor unit 6 is connected a voltage converter 19 . A supply capacitor unit 20 is connected downstream of the voltage converter 19 . The actual supply of the control circuit 5 with electrical energy then takes place via this.

Die Stromversorgungseinrichtung gemäß Fig. 2 ist insofern vorteilhaft, als mit wenigen Hochvolt-Bauelementen eine sym­ metrische Energieversorgung der Ansteuerschaltung 5 erzielbar ist. Darüber hinaus kann der Vorladestrom entsprechend dem Spannungsübersetzungsverhältnis des Spannungswandlers 19 kleiner gewählt werden. Somit kann der Vorladewiderstand 17 einen größeren Widerstandswert aufweisen, woraus sich eine geringere Verlustleistung und damit u. a. eine geringere Bau­ größe des Vorladewiderstands 17 ergeben.The power supply device shown in FIG. 2 is advantageous in that with a few high-voltage components, a sym metrical energy supply of the drive circuit can be achieved. 5 In addition, the precharge current can be selected to be smaller in accordance with the voltage transformation ratio of the voltage converter 19 . Thus, the precharge resistor 17 can have a larger resistance value, which results in a lower power loss and thus, among other things, a smaller construction size of the precharge resistor 17 .

In Fig. 3 ist eine weitere Stromversorgungseinrichtung darge­ stellt. Mittels dieser Stromversorgungseinrichtung erfolgt eine symmetrische Versorgung der Ansteuerschaltung 5 mit elektrischer Energie. Die Stützkondensatoreinheit 6 weist da­ her zwei in Reihe geschaltete Stützkondensatoren 21, 22 auf. Zwischen den Stützkondensatoren 21, 22 ist ein Kondensatormit­ telanschluß 23 angeordnet. Die Drosseleinheit 11 weist Dros­ seln 24, 25 auf. Je eine der Drosseln 24, 25 ist mit je einem der Stützkondensatoren 21, 22 in Reihe geschaltet. Auch die Freilaufdiodeneinheit 12 weist zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden 26, 27 auf. Zwischen den Freilaufdioden 26, 27 ist ein Diodenmittelanschluß 28 angeordnet. Der Kondensator­ mittelanschluß 23 und Diodenmittelanschluß 28 sind miteinan­ der und mit der Versorgungsleitung 10 verbunden. Ferner weist die Stromversorgungseinrichtung noch eine Zusatz-Koppeldiode 29 auf, die der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit 6, Drosseleinheit 11, Freilaufdiodeneinheit 12 und Koppeldi­ ode 13 in Sperrichtung parallelgeschaltet ist.In Fig. 3 another power supply device is Darge. This power supply device provides a symmetrical supply of the control circuit 5 with electrical energy. The backup capacitor unit 6 has two backup capacitors 21 , 22 connected in series. Between the supporting capacitors 21 , 22 , a capacitor terminal 23 is arranged. The throttle unit 11 has throttles 24 , 25 . One of the chokes 24 , 25 is connected in series with one of the supporting capacitors 21 , 22 . The freewheeling diode unit 12 also has two freewheeling diodes 26 , 27 connected in series. A diode center connection 28 is arranged between the freewheeling diodes 26 , 27 . The capacitor center connection 23 and diode center connection 28 are miteinan and connected to the supply line 10 . Furthermore, the power supply device also has an additional coupling diode 29 which is connected in parallel in the blocking direction to the series connection of the supporting capacitor unit 6 , the choke unit 11 , the freewheeling diode unit 12 and the coupling diode 13 .

Bei der Stromversorgungseinrichtung gemäß Fig. 3 sperrt beim Schließen des Halbleiter-Schaltelements 1 die Koppeldiode 13. Die Zusatz-Koppeldiode 29 hingegen leitet dann Strom. Hier­ durch baut sich in der Drossel 25 ein Ladestrom auf. Der Stützkondensator 22 wird aufgeladen, der Koppelkondensator 16 entladen. Sowie der Koppelkondensator 16 entladen ist, baut sich der Ladestrom über die Drossel 25 und die Freilaufdiode 27 ab. Wenn nun das Halbleiter-Schaltelement 1 geöffnet wird, sperrt die Zusatz-Koppeldiode 29. Die Koppeldiode 13 hingegen wird leitend, was zum Aufbau eines Ladestroms in der Drossel 24 führt. Der Koppelkondensator 16 wird wieder aufgeladen. Anschließend baut sich der Ladestrom wieder über die Drossel 24 und die Freilaufdiode 26 ab.In the power supply device shown in FIG. 3 locks the coupling diode 13 when closing the semiconductor switching element 1. The additional coupling diode 29, however, then conducts current. Here, a charging current builds up in the choke 25 . The backup capacitor 22 is charged, the coupling capacitor 16 discharges. As soon as the coupling capacitor 16 is discharged, the charging current is reduced via the choke 25 and the freewheeling diode 27 . If the semiconductor switching element 1 is now opened, the additional coupling diode 29 blocks. The coupling diode 13, on the other hand, becomes conductive, which leads to the build-up of a charging current in the inductor 24 . The coupling capacitor 16 is recharged. The charging current then decreases again via the inductor 24 and the freewheeling diode 26 .

In Fig. 4 ist eine Abwandlung von Fig. 3 dargestellt. Gemäß Fig. 4 ist der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit 6, Drosseleinheit 11, Freilaufdiodeneinheit 12 und Koppeldiode 13 nunmehr ein Transformator 30 mit einer Primärwicklung 31 und einer Sekundärwicklung 32 vorgeschaltet. Die Primärwick­ lung 31 und die Sekundärwicklung 32 sind miteinander verbun­ den. Sie könnten aber auch voneinander getrennt sein. FIG. 4 shows a modification of FIG. 3. According to Fig. 4 of the series circuit of capacitor support unit 6, throttle unit 11, freewheeling diodes 12 and coupling diode unit 13 is now preceded by a transformer 30 having a primary winding 31 and a secondary winding 32. The primary winding development 31 and the secondary winding 32 are connected to one another. But they could also be separate from each other.

Durch das Anordnen des Transformators 30 in der Versorgungs­ leitung 9 erfolgt die Spannungswandlung nunmehr unmittelbar in dem Transformator 30. Der Koppelkondensator 16 bildet mit den Streuinduktivitäten des Transformators 30 sowie den se­ kundär zugeschalteten Drosseln 24, 25 Schwingkreise. Dadurch steigt der Strom im Koppelkondensator 16 nur langsam an, wenn das Halbleiter-Schaltelement 1 Spannung aufnimmt. Gleichzei­ tig hiermit magnetisiert sich die Hauptinduktivität des Transformators 30. Wird nun das Halbleiter-Schaltelement 1 wieder geschlossen, dann sperrt die Koppeldiode 13. Die Zu­ satz-Koppeldiode 29 hingegen wird leitend, so daß sich der Ladestrom in der Drossel 25 aufbaut. Die Hauptinduktivität des Transformators 30 entmagnetisiert sich hierdurch wieder. Mit den Freilaufdioden 26, 27 wird wieder der Freilaufpfad für die Drosseln 24, 25 gebildet.By arranging the transformer 30 in the supply line 9 , the voltage conversion now takes place directly in the transformer 30 . The coupling capacitor 16 forms with the leakage inductances of the transformer 30 and the secondary chokes 24 , 25 resonant circuits. As a result, the current in the coupling capacitor 16 rises only slowly when the semiconductor switching element 1 receives voltage. At the same time, the main inductance of the transformer 30 is magnetized. If the semiconductor switching element 1 is now closed again, the coupling diode 13 blocks. To set coupling diode 29, on the other hand, becomes conductive, so that the charging current builds up in the choke 25 . As a result, the main inductance of the transformer 30 demagnetizes again. The freewheel path for the chokes 24 , 25 is again formed with the freewheeling diodes 26 , 27 .

Aus Fig. 4 ist auch ersichtlich, daß der Vorladewiderstand 17 und die Überbrückungsdiode 18 nicht nur den Koppelkondensator 16, sondern ggf. auch weitere Bauelemente (hier z. B. die Koppeldiode 13 und die Drossel 24) überbrücken können. Eine derartige Anordnung des Vorladewiderstands 17 und der Über­ brückungsdiode 18 ist selbstverständlich auch bei den Strom­ versorgungseinrichtungen gemäß den Fig. 1 bis 3 möglich.From Fig. 4 it is also seen that the pre-charge resistor 17 and the bypass diode 18 is not only the coupling capacitor 16, but possibly also other components (in this example. The coupling diode 13 and the inductor 24) can be bridged. Such an arrangement of the precharge resistor 17 and the bridging diode 18 is of course also possible with the power supply devices according to FIGS . 1 to 3.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die Anordnung eines Trans­ formators 30 selbstverständlich auch bei einer der Stromver­ sorgungseinrichtungen gemäß den Fig. 1 und 2 möglich ist. Ebenso kann ein Spannungswandler 19 mit nachgeschalteter Ver­ sorgungskondensatoreinheit 20 auch bei den Stromversorgungs­ einrichtungen gemäß den Fig. 3 und 4 eingesetzt werden. Fer­ ner ist die Stromversorgungseinrichtung auch bei anderen Nutzschaltungen als der Ansteuerschaltung 5 einsetzbar, z. B. bei einer Istwert-Erfassungseinrichtung.Finally, it should also be mentioned that the arrangement of a transformer 30 is of course also possible with one of the power supply devices according to FIGS . 1 and 2. Likewise, a voltage converter 19 with a downstream supply capacitor unit 20 can also be used in the power supply devices according to FIGS . 3 and 4. Fer ner, the power supply device can also be used in other useful circuits than the control circuit 5 , for. B. in an actual value detection device.

Claims (10)

1. Stromversorgungseinrichtung für eine einem Halbleiter- Schaltelement (1) mit zwei Schaltanschlüssen (2, 3) und einem Steueranschluß (4) parallelgeschaltete Nutzschaltung (5), insbesondere eine Ansteuerschaltung (5) für das Halbleiter- Schaltelement (1),
  • - wobei die Schaltanschlüsse (2, 3) durch Ansteuern des Steueranschlusses (4) elektrisch miteinander verbindbar bzw. elektrisch voneinander trennbar sind,
  • - wobei der Nutzschaltung (5) eine Stützkondensatoreinheit (6) parallel vorgeschaltet ist, die einerseits mit Strom­ versorgungsanschlüssen (7, 8) der Nutzschaltung (5) und andererseits über zwei Versorgungsleitungen (9, 10) mit den Schaltanschlüssen (2, 3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Stützkondensatoreinheit (6) eine Drosseleinheit (11) in Reihe vorgeschaltet ist,
  • - daß der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit (6) und Drosseleinheit (11) eine in Sperrichtung angeordnete Freilaufdiodeneinheit (12) parallelgeschaltet ist,
  • - daß der Parallelschaltung aus Stützkondensatoreinheit (6), Drosseleinheit (11) und Freilaufdiodeneinheit (12) eine in Durchlaßrichtung angeordnete Koppeldiode (13) vorgeschaltet ist und
  • - daß in einer der Versorgungsleitungen (9, 10) ein Koppel­ kondensator (16) angeordnet ist.
1. Power supply device for a semiconductor switching element ( 1 ) with two switching connections ( 2 , 3 ) and a control connection ( 4 ) parallel-connected useful circuit ( 5 ), in particular a control circuit ( 5 ) for the semiconductor switching element ( 1 ),
  • the switching connections ( 2 , 3 ) can be electrically connected to one another or can be electrically separated from one another by driving the control connection ( 4 ),
  • - The useful circuit ( 5 ) has a supporting capacitor unit ( 6 ) connected in parallel, which on the one hand is connected to power supply connections ( 7 , 8 ) of the useful circuit ( 5 ) and on the other hand via two supply lines ( 9 , 10 ) to the switching connections ( 2 , 3 ) is
characterized by
  • - That the supporting capacitor unit ( 6 ) is connected in series with a choke unit ( 11 ),
  • - That the series connection of the support capacitor unit ( 6 ) and the choke unit ( 11 ) is arranged in the reverse direction, a freewheeling diode unit ( 12 ) connected in parallel
  • - That the parallel connection of the support capacitor unit ( 6 ), choke unit ( 11 ) and freewheeling diode unit ( 12 ) is connected upstream of a coupling diode ( 13 ) and
  • - That in one of the supply lines ( 9 , 10 ) a coupling capacitor ( 16 ) is arranged.
2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Koppelkondensator (16) ein Vorladewiderstand (17) parallelgeschaltet ist.2. Power supply device according to claim 1, characterized in that the coupling capacitor ( 16 ), a precharge resistor ( 17 ) is connected in parallel. 3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorladewiderstand (17) eine in Durchlaßrichtung ange­ ordnete Überbrückungsdiode (18) vorgeschaltet ist. 3. Power supply device according to claim 2, characterized in that the precharge resistor ( 17 ) is arranged in the forward direction arranged bridging diode ( 18 ). 4. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppeldiode (13) ein Rückkoppelwiderstand (14) paral­ lelgeschaltet ist.4. Power supply device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the coupling diode ( 13 ) is a feedback resistor ( 14 ) connected in parallel. 5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rückkoppelwiderstand (14) eine in Sperrichtung ange­ ordnete Rückkoppeldiode (15) vorgeschaltet ist.5. Power supply device according to claim 4, characterized in that the feedback resistor ( 14 ) is arranged in the reverse direction arranged feedback diode ( 15 ). 6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Stützkondensatoreinheit (6) zwei in Reihe ge­ schaltete Stützkondensatoren (21, 22) mit einem zwischen den Stützkondensatoren (21, 22) angeordneten Kondensator­ mittelanschluß (23) aufweist,
  • - daß die Drosseleinheit (11) zwei Drosseln (24, 25) auf­ weist, von denen je eine mit je einem der Stützkonden­ satoren (21, 22) in Reihe geschaltet ist,
  • - daß die Freilaufdiodeneinheit (12) zwei in Reihe geschal­ tete Freilaufdioden (26, 27) mit einem mit einem zwischen den Freilaufdioden (26, 27) angeordneten Diodenmittelan­ schluß (28) aufweist,
  • - der Kondensatormittelanschluß (23) und der Diodenmittel­ anschluß (28) miteinander und mit der einen Versorgungs­ leitung (10) verbunden sind und
  • - daß der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit (6), Drosseleinheit (11), Freilaufdiodeneinheit (12) und Kop­ peldiode (13) eine in Sperrichtung angeordnete Zusatz- Koppeldiode (29) parallelgeschaltet ist.
6. Power supply device according to claim 1, 2 or 3, characterized in
  • - That the backup capacitor unit ( 6 ) has two series connected backup capacitors ( 21 , 22 ) with a capacitor between the backup capacitors ( 21 , 22 ) arranged medium connection ( 23 ),
  • - That the throttle unit ( 11 ) has two throttles ( 24 , 25 ), of which one each with one of the support capacitors ( 21 , 22 ) is connected in series,
  • - That the freewheeling diode unit ( 12 ) has two series-connected freewheeling diodes ( 26 , 27 ) with a circuit with one between the freewheeling diodes ( 26 , 27 ) arranged diode means circuit ( 28 ),
  • - The capacitor means connection ( 23 ) and the diode means connection ( 28 ) with each other and with the one supply line ( 10 ) are connected and
  • - That the series circuit of the support capacitor unit ( 6 ), choke unit ( 11 ), freewheeling diode unit ( 12 ) and Kop peldiode ( 13 ) an additional coupling diode ( 29 ) arranged in the reverse direction is connected in parallel.
7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkondensatoreinheit (6) ein Spannungswandler (19) nachgeschaltet ist, dem eine Versorgungskondensatoreinheit (20) nachgeschaltet ist. 7. Power supply device according to one of the above claims, characterized in that the support capacitor unit ( 6 ) is followed by a voltage converter ( 19 ), which is followed by a supply capacitor unit ( 20 ). 8. Stromversorgungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung von Stützkondensatoreinheit (6), Drosseleinheit (11), Freilaufdiodeneinheit (12) und Koppel­ diode (13) ein Transformator (30) mit einer Primärwicklung (31) und einer Sekundärwicklung (32) vorgeschaltet ist.8. Power supply device according to one of the above claims, characterized in that the series circuit of the support capacitor unit ( 6 ), choke unit ( 11 ), freewheeling diode unit ( 12 ) and coupling diode ( 13 ) a transformer ( 30 ) with a primary winding ( 31 ) and a secondary winding ( 32 ) is connected upstream. 9. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (31) und die Sekundärwicklung (32) miteinander verbunden sind.9. Power supply device according to claim 8, characterized in that the primary winding ( 31 ) and the secondary winding ( 32 ) are interconnected. 10. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (31) und die Sekundärwicklung (32) voneinander getrennt sind.10. Power supply device according to claim 8, characterized in that the primary winding ( 31 ) and the secondary winding ( 32 ) are separated from one another.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111771322A (en) * 2018-02-28 2020-10-13 松下知识产权经营株式会社 Switching circuit

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