DE2718996C2 - Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in Halbleiterschaltern - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in HalbleiterschalternInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsordnung
zur Verringerung der Ausschaltverluste des Halbleiterschalters in Schaltreglern, der zwischen einem
Pol einer Eingangsspannungsquelle und einem Verbraucher eingeschaltet ist und mit einer das ausgangsseitige
Ende der Schaltstrecke des Halbleiterschalters und den anderen Pol der Eingangsspannungsquelle verbindenden
Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer in Sperrichtung gepolten Diode.
Eine derartige Schaltungsordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste von Halbleiterschaltern durch
kapazitives Ausschalten ist bereits bekannt (The Bell System Technical Journal, July 1963, No. 4, Part I1 S.
956). Das Schaltungsprinzip dieser bei einem Schaltregler angewendeten bekannten Anordnung ist in F i g. 1
dargestellt. Die wesentlichen Schaltungsteile des Schaltreglers sind ein periodisch arbeitender durch einen
Schaltkontakt Sangedeuteter Halbleiterschalter, dessen Schaltstrecke zwischen dem positiven Pol der Eingangsspannung Ue und einer mit einem Verbraucher Rl
verbundenen Speicherdrossel Dr2 angeordnet ist. Zur Erzielung eines sicheren Arbeitsbetriebes des Halbleiterschalters,
insbesondere bei Leistungs-Schalttransistoren, sind häufig Zusatzschaltungen erforderlich,
mittels welchen neben einem verlustarmen Einschalten durch verzögerten Stromanstieg auch ein vexlustarmes
Ausschalten des Halbleiterschalters durch verzögerten Spannungsanstieg an der Schaltstrecke erzwungen
wird. Bei der bekannten Schaltung wird dieses sog. »kapazitive Ausschalten« des HaJbleiterschalters durch
eine zwischen dem Schalter Sund dem Verbraucher RL
im Querzweig angeordnete Reihenschaltung aus einem Kondensator C1 und einer Diode D1, die durch einen
Widerstand R überbrückt ist, erreicht. Im Zeitpunkt des
öffnens des Schalters S ist der Kondensator Ci auf die
ίο Eingangsspannung Ue aufgeladen. Der Laststrom Il
durch den Verbraucher, welcher von der Speicherdrossel Dr 2 weitergeliefert wird, kommutiert auf die Diode
D1 und den Kondensator Cl, da die Freilaufdiode D4
noch gesperrt ist Der Kondensator Cl wird mit
ir> konstantem Strom entladen und seine Spannung sinkt
linear gegen Null, worauf die dann leitend werdende Freilaufdiode D 4 den Strom übernimmt Der kapazitive
Ausschaltkreis Cl, D1, ist jetzt stromlos. Die Spannung
am Schalter S ist im Zeitpunkt des Öffnens Null und steigt erst allmählich auf die Eingangsspannung Ue an,
wenn der Strom über den Schalter S bereits zu Null geworden ist.
Im Augenblick des Schließens des Schalters S kommutiert der Strom /t von der jetzt in Sperrichtung
betriebenen Freilauf diode D 4 erneut auf den Schalter S. Zusätzlich fließt der nach einer e-Funktion abklingende
Ladestrom des Kondensators C1 über den Widerstand R. Die Zeitkonstante muß so bemessen sein, daß der
Kondensator Cl zum Zeitpunkt des erneuten öffnens
J" des Schalters 5 auf die Eingangsspannung Ue aufgeladen
ist. Bei dieser Aufladung des Kondensators C1 wird hier die gleiche Energie im Vorwiderstand R in Wärme
umgesetzt, die nach beendeter Ladung im Kondensator Cl zur nächsten kapazitiven Ausschaltung zur Verfü-
''' gung steht. Die Ausschaltverlustleistung des Halbleiterschalters
wird bei unverändertem Wirkungsgrad in den Widerstand R verlagert. Ein Nachteil der kapazitiven
Ausschaltung besteht darin, daß der Schalter S im Augenblick des Schließens zusätzlich zum Laststrom /;.
·"' Ladestromspitze führen muß, die je nach Schaltfrequenz
und Tastgrad des Schalters S die Größenordnung des Laststromes erreichen kann. Wird gleichzeitig eine
induktive Einschalthilfe benutzt, dann geht die Ladestromspitze erheblich in die Dimensionierung ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art eine
Verringerung der Ausschaltverluste und der Strombeanspruchung in Halbleiterschaltern bei gleichzeitiger
Verbesserung des Wirkungsgrades zu erzielen.
"° Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß der Kondensator mit der Drosselspule und dem Kondensator einer LC-Reihenschaltung, die dem
Kondensator mittels des Halbleiterschalters periodisch parallel geschaltet ist, einen Schwingkreis bildet, der in
'Λ Verbindung mit einer zwischen dem Kondensator und
der LC-Reihenschaltung befindlichen Diode nach dem Schließen des Halbleiterschalters eine periodische
Umladung des Kondensators der Reihenschaltung auf den Kondensator bewirkt und daß der Kondensator
über eine für die Aufladung des Kondensators in Durchlaßrichtung gepolte Diode der Schaltstrecke des
Halbleiterschalters parallel geschaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Halbschwingungsdauer des LC-Kreises so
b5 bemessen, daß der Umladevorgang während der
kürzesten vorkommenden Stromflußdauer des Halbleiterschalters beendet ist.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbei-
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbei-
spiels in den F i g. 2 bis 5 näher erläutert.
In Fig.2 ist das vereinfachte Schaltbild eines
Schaltreglers mit einer Hilfsschaltung zur Verbesserung des Ausschaltverhaltens dargestellt.
Die F i g. 3, 4 und 5 dienen der Beschreibung der s Wirkungsweise der Schaltung.
Die Fig.2 geht von einem bekannten Schaltregler
aus, der im wesentlichen dem Prinzipschaltbild nach F i g. 1 entspricht. Als Halbleiterschalter ist ein Transistor
Ts verwendet, der in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua und vom Laststrom, der an
einem Mebwiderstand Rm gemessen wird, über einen
Regelumsetzer RU gesteuert wird. Die Spannungsversorgung des Regelumsetzers erfolgt aus einer Hilfsspannungsquelle
UA ι <
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sind in der F i g. 3 neben der Hilfsschaltung H nur die wesentlichen
Schaltelemente des Schaltreglers dargestellt. Der S^halttransistor 7s ist durch den Schalter 5 ersetzt.
Beim öffnen des Schalters 5 wirken die D;ode D 1 und 2<i
der Kondensator CV in der gleichen Weise wie in der an Hand der F i g. 1 beschriebenen Schaltung. Die
Hilfsschaltung besteht im wesentlichen aus einer Reihenschaltung mit einer Diode D 3, einer Drosselspule
Dr 1 und einem Kondensator C2, die zwischen dem :> Verbindungspunkt des Kondensators CV und der
Diode D\ und dem eingangsseitigen Anschluß der Schaltstrecke des Schalters 5 angeschlossen ist. Das
Prinzip des kapazitiven Ausschaltens wird gemäß der Erfindung dadurch verbessert, daß die Ladung des <r.
Kondensators C 2 mittels des von der Drosselspule Dr 1 und dem Kondensator C2 gebildeten Schwingkreises
verlustarm auf den Kondensator CV umgeladen wird. Der Verbindungspunkt des Kondensators C2 und der
Drosselspule DrX ist über eine für die Eingangsspan- r.
nung ίΛ-in Durchlaßrichtung gepolte weitere Diode D 2
mit dem ausgangsseitigen Anschluß des Schalters 5 verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Beim öffnen des Schalter wirken die Diode D1 und der w
Kondensator LM' in gleicher Weise wie bei der Beschallung der bekannten Anordnung in Fig. 1.
Zusätzlich sind jetzt die Diode D 2 und der Kondensator C2 im gleichen Sinne wirksam. Während der Kondensator
Cl' im Zeitpunkt des öffnens des Schalters 5 auf r.
die Eingangsspannung Uh aufgeladen ist, hat der Kondensator C2 keine Ladung. Es wird zunächst
vorausgesetzt, daß die Kondensatoren CV und C2 annähernd gleich groß bemessen sind. Der durch den
Verbraucher fließende Laststrom //. kommutiert in r,o
diesem Augenblick zur einen Hälfte auf die Diode Di
und den Kondensator CV und entlädt diesen Kondensator linear. Zur anderen Hälfte fließt der kommutierte
Strom auf den Kondensator C2 und über die Diode D 2 und lädt den Kondensator linear auf die Eingangsspan- r)5
nung Ue auf. Die Verzögerung des Spannungsanstiegs
am Schalter 5 bleibt durch die Hilfsschaltung unverändert, wenn die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren
CV und C2 gleich der Kapazität des Kondensators CI in der bekannten Schaltung nach F i g. 1 t>n
bemessen ist.
Beim darauffolgenden Schließen des Schalters S übernimmt dieser wieder den Laststrom IL Gleichzeitig
beginnt ein Umladevorgang vom Kondensator C2 auf den Kondensator CI', da beim nächsten Ausschaltvorgang
die Bedingungen erfüllt sein müssen, daß der Kondensator CV auf die Eingangsspannung Ue
aufgeladen und der Kondensator C2 entladen ist. Beim Schließen des Schalters 5 wird der aus dem Kondensator
CV, der Diode D 3, der Drosselspule Dr \ und dem
Kondensator C 2 bestehende Umladestromkreis geschlossen. Aufgrund des Schwingkreisverhaltens der
Hilfsschaltung wird die Energie des Kondensators C2 in Form einer sinusförmigen Stromhalbschwingung auf
den Kondensator CV verlustlos umgeladen, so daß nach Beendigung der Halbschwingung der Kondensator
C 2 spannungslos und der Kondensator CV auf die Eingangsspannung UE aufgeladen ist. Die Diode D 3
verhindert ein Zurückschwingen und damit ein erneutes Zurückladen vom Kondensator Cl' auf den Kondensator
C 2. Die Halbschwingungsdauer wird aus der Resonanzfrequenz des Schwingungskreises bestimmt,
dessen frequenzbestimmende Komponenten die Drosselspule DrI und die wirksame Kapazität aus der
Reihenschaltung der Kondensatoren Cl' und C2 sind. Die Halbschwingungsdauer muß so gewählt werden,
daß der Umladevorgang während der kürzesten vorkommerden Siromflußdauer des Schalters 5 beendet
ist. Gegenüber der bekannten Beschallung nach F i g. 1 ergibt die erfindungsgemäße Hilfsschaltung H
neben dem Fortfall der Verlustleistung im Vorwiderstand R(F i g. Ί) auch eine geringere Beanspruchung des
Schalters S, weil im Augenblick des Schließens die zum Laststrom zusätzlich fließende Ladestromspitze des
Kondensators Cl' jetzt entfällt. Erst bei geschlossenen Schalter S beginnt der von Null ausgehende sinusförmige
Umladestrom zu fließen, dessen Maximum erst bei längst geschlossenem Schalter Sauftritt.
In F i g. 4 sind die Spannung Us und der Strom Is am
Schalter S der bekannten Schaltungsanordnung nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Der
Stromverlauf zeigt, daß der Schalter im Augenblick des Schließens noch eine erhebliche Ladestromspitze
führen muß. Der weseniiich günstigere Verlauf des Stromes Asdes Schalters nei AnweniJ'ing der erfindungsgemäßen
Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Im Einschaltaugenblick ist der Schalter S durch keinen
zusätzlichen Strom belastet.
Bei der Dimensionierung der Hilfsschaltung H wird der Kondensator C2 zweckmäßig etwas größer als der
Kondensator Cl' bemessen, da beim Umladevorgang ein kleiner Teil der Energie in den nicht idealen
Bauteilen in Wärme umgesetzt wird und der Kondensator CV bei Kapazitätsgleichheit mit dem Kondensator
C2 nicht mehr auf die volle Eingangsspannung Up. aufgeladen werden könnte. Der Kondensator C2 wird
in jedem Falle restlos entladen. Ein Ansteigen der Spannung am Kondensator Cl' über den Wert der
Eingangsspannung Ue hinaus ist unkritisch, weil die Energie sofort über die Diode D1 in den Lastkreis
zurückfließt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste des Halbleiterschalters in Schaltreglern,
der zwischen einem Pol einer Eingangsspannungsquelle und einem Verbraucher eingeschaltet ist
und mit einer das ausgangsseitige Ende der Schaltstrecke des Halbleiterschalters und den
anderen Pol der Eingangsspannungsquelle verbindenden Reihenschaltung aus einem Kondensator
und einer in Sperrichtung gepolten Diode, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator
(Cl') mit der Drosselspule und dem Kondensator einer LC-Reihenschaltung (DrI, C2), die dem
Kondensator (Cl') mittels des Halbleiterschalters (Ts) periodisch parallelgeschaltet ist, einen Schwingkreis
bildet, der in Verbindung mit einer zwischen
dem Kondensator (Cl') und der LC-Reihenschaltung (DrI, C 2) befindlichen Diode (D 3) nach dem
Schließen des Halbleiterschalters (Ts) eine periodische Umladung des Kondensators (C2) der Reihenschaltung
auf den Kondensator (Cl') bewirkt und daß der Kondensator (C2) über eine für die
Aufladung des Kondensators (C2) in Durchlaßrichtung gepolte Diode (D 2) der Schaltstrecke des
Halbleiterschalters (Ts)parallel geschaltet: ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators
(C2) der LC-Reihenschaltung größer als die des ersten Kondensators (Cl) bemessen ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbschwingungsdauer des LC-Schwingkreises so bemessen ist, daß der Umladevorgang während der
kürzesten vorkommenden Stromflußdauer des Halbieiterschalters beendet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE772718996A DE2718996C2 (de) | 1977-04-28 | 1977-04-28 | Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in Halbleiterschaltern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE772718996A DE2718996C2 (de) | 1977-04-28 | 1977-04-28 | Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in Halbleiterschaltern |
Publications (2)
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DE2718996B1 DE2718996B1 (de) | 1978-07-06 |
DE2718996C2 true DE2718996C2 (de) | 1979-03-01 |
Family
ID=6007546
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE772718996A Expired DE2718996C2 (de) | 1977-04-28 | 1977-04-28 | Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in Halbleiterschaltern |
Country Status (1)
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DE (1) | DE2718996C2 (de) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2442552A1 (fr) * | 1978-11-27 | 1980-06-20 | Accumulateurs Fixes | Circuit d'aide a la commutation de transistors de puissance |
DE3309871A1 (de) * | 1983-03-18 | 1984-09-20 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Schaltungsanordnung zur verringerung der schaltverluste eines elektronischen schalters in gleichstromumrichtern |
DE3429488A1 (de) * | 1984-08-10 | 1986-02-20 | Danfoss A/S, Nordborg | Elektronische schaltvorrichtung |
DE102012204255A1 (de) * | 2012-03-19 | 2013-09-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Gleichspannungswandler |
-
1977
- 1977-04-28 DE DE772718996A patent/DE2718996C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2718996B1 (de) | 1978-07-06 |
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