DE3705249A1 - Schaltungsanordnung zur entkopplung des ausganges eines spannungswandlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In größeren, über Spannungswandler mit Gleichspannung versorgten elektrischen Anlagen tritt häufig das Problem auf, einem schon im Betrieb befindlichen ersten Wandler einen zweiten Wandler parallel zuschalten zu müssen. Besitzt der zuzuschaltende Wandler keine Ausgangsentkopplung, so kommt es beim Zuschalten zu einem Spannungseinbruch auf dem durch den ersten Wandler gespeisten Gleichspannungsnetz. Dieser Spannungseinbruch rührt daher, daß unmittelbar nach Anschalten des zweiten Wandlers dessen Siebkondensatoren von dem im Betrieb befindlichen Wandler aufgeladen werden müssen, was dessen Leistung in der Regel übersteigt. Ein merklicher Spannungseinbruch kann aber z. B. in Rechneranlagen unangenehme Störungen verursachen.

Solche Spannungseinbrüche lassen sich durch eine Entkopplung der Wandlerausgänge grundsätzlich vermeiden. Die einfachste bekannte Entkopplungsart ist die Anordnung von Dioden in den Wandlerausgängen. Die Verwendung von Entkopplungsdioden hat jedoch Nachteile, die bei hohen Ausgangsleistungen der Wandler und bei hohen Anforderungen an die Konstanz der Ausgangsspannung deutlich zutage treten: So verursachen Dioden recht hohe Durchflußverluste, die gegebenenfalls Kühlmaßnahmen erforderlich machen. Dioden zeigen außerdem ein nichtlineares Verhalten und eine große Toleranz der Durchflußspannungen. Dies führt insgesamt zu unerwünschten Abweichungen der Ausgangsspannungen solcher Wandler vom Sollwert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Entkopplung von Wandlerausgängen anzugeben, die kleinere Durchflußverluste und kleinere Abweichungen vom Sollwert der Ausgangsspannung aufweist als die einfache Anordnung von Entkopplungsdioden in den Wandlerausgängen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch den steuerbaren Schalter wird die Entkopplungsdiode im Betrieb überbrückt, so daß hier weder ihre Verluste noch ihre Toleranzen und Nichtlinearitäten eine Rolle spielen. Die Entkopplungsdiode ist nur noch dann leitend, wenn die Spannung im Gleichspannungsnetz unter die zur Ansteuerung des steuerbaren Schalters notwendige Mindestspannung absinkt. Dies ist nur in Fällen der Netzüberlastung oder unmittelbar nach Einschalten des Gleichstromnetzes kurzzeitig der Fall.

Anspruch 2 sieht eine Doppelausnutzung der Fühlerschaltung vor. Diese kann gleichzeitig der Gewinnung eines Regelkriteriums für einen die Wandlerausgangsspannung konstant haltenden Regler dienen. Dies ist deshalb möglich, weil sowohl Spannungsbegrenzung als auch Ausgangsentkopplung beim Sollwert der Ausgangsspannung wirksam werden sollen.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist im Anspruch 3 angegeben und sieht die Verwendung eines MOS-Feldeffekttransistors als steuerbaren Schalter vor. Ein solches Bauelement erfüllt die Schalterfunktion sehr weitgehend und ist dazuhin - etwa gegenüber einem mechanischen Kontakt - mit wesentlich geringerer Energie und nahezu trägheitslos anzusteuern. Ein MOSFET weist gegenüber einer Diode einen wesentlich niedrigeren Durchflußwiderstand sowie wesentlich kleinere Abweichungen vom Sollwert der Durchflußspannung auf.

Weitere Ausgestaltungen betreffen die Fühlerschaltung und sind in den Ansprüchen 4, 5 und 6 angegeben. So wird in Anspruch 4 die Verwendung eines Operationsverstärkers, der den steuerbaren Schalter über einen Optokoppler ansteuert, für die Fühlerschaltung beschrieben. Anspruch 5 beschreibt die Anordnung des Optokopplers bei Verwendung einer Hilfsspannungsquelle und eines MOSFET als steuerbarer Schalter.

Anspruch 6 betrifft den Einsatz eines weiteren Optokopplers bei Doppelausnutzung der Fühlerschaltung entsprechend Anspruch 2.

Anhand von zwei Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt schematisch die Parallelschaltung zweier Wandler zur Speisung eines Gleichstromnetzes;

Fig. 2 zeigt eine Entkopplungsschaltung mit einem MOSFET als Schalter und seine Ansteuerung durch eine Fühlerschaltung.

In Fig. 1 sind zwei Wandler W 1, W 2 beliebiger Bauweise dargestellt, die je eine Eingangsspannung UE 1, UE 2 in eine die Nennspannung eines Gleichspannungsnetzes bildende Ausgangsspannung + UA wandeln. Die beiden Wandler können jeweils durch gemeinsam betätigte, eingangsseitige und ausgangsseitige Schalter S 1, S 2 in Betrieb gesetzt werden. In Fig. 1 ist der Wandler W 1 in Betrieb, der Wandler W 2 ist abgeschaltet. Der Wandler W 2 weist neben einer die Spannungswandlung bewerkstelligenden Schaltung WS ausgangsseitig einen Siebkondensator C auf, dessen positive Klemme über eine in Durchflußrichtung geschaltete Diode D und den Schalter S 2 mit dem Wandlerausgang verbunden ist. Zusätzlich ist eine Fühlerschaltung F vorgesehen, welche die am Siebkondensator C anstehende Spannung abgreift und abhängig von deren Wert einen parallel zur Diode D angeordneten Schalter S 3 ansteuert, was durch eine gestrichelte Verbindung zwischen der Fühlerschaltung F und dem Schalter S 3 angedeutet ist.

Wird der Wandler W 2 in Betrieb genommen - z. B. dann, wenn die Leistung des Wandlers W 1 zur Speisung des Gleichstromnetzes allein nicht mehr ausreicht -, so wird neben dem Schalter S 1 auch der Schalter S 2 geschlossen. Der Siebkondensator C bleibt aber durch die Entkopplungsdiode D so lange vom Gleichspannungsnetz getrennt, bis er durch den in Betrieb gegangenen Wandler so weit aufgeladen ist, daß die Fühlerschaltung F das Schließen des Schalters S 3, der die Entkopplungsdiode überbrückt, veranlaßt. Die Diode ist damit außer Betrieb und kann keine Verluste mehr verursachen. Auch Spannungsänderungen auf dem Gleichstromnetz durch sich ändernde Dioden-Durchflußspannungen können nicht mehr auftreten.

In Fig. 2 ist die Entkopplungsschaltung eines Wandlers mit einem MOSFET V 1 dargestellt. Der MOSFET ersetzt den Überbrückungsschalter S 3 in Fig. 1 sowie gleichzeitig mit seiner Inversdiode ID die Diode D in Fig. 1. Die Fühlerschaltung besteht hier aus einem Operationsverstärker V 3, dessen invertierender Eingang mit dem Mittelabgriff eines dem Siebkondensator C 1 parallel geschalteten, aus Widerständen R 6 und R 7 bestehenden Spannungsteilers verbunden ist. Um Regelschwingungen zu verhindern sowie den Einfluß höherfrequenter Spannungsänderungen herabzusetzen, ist zwischen invertierendem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers ein aus einem Kondensator C 2 und einem Widerstand R 5 bestehendes Integrierglied angeordnet. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist an eine Referenzspannungsquelle REF angeschlossen, die auch in den Operationsverstärker integriert sein kann. In der Ausgangsleitung des Operationsverstärkers liegt ein aus den Widerständen R 3 und R 4 gebildeter Spannungsteiler, an dessen Mittelabgriff die Betriebsspannung für zwei in Reihe geschaltete Leuchtdiodenstrecken OK 1 a, OK 2 a zweier Optokoppler OK 1, OK 2, gewonnen wird.

Anstelle eines gewöhnlichen Operationsverstärkers kann auch ein sogenannter einstellbarer Parallelregler (Adjustable Precision Shunt Regulator), ein heute auf dem Markt erhältlicher Integrierter Schaltkreis, verwendet werden. Dieser wird mit seiner Anode an die negative Klemme der Wandlerspannung UW und mit seiner Kathode an den Verbindungspunkt des Widerstandes R 3 mit dem Kondensator C 2 (Fig. 2) angeschlossen. Sein Referenzeingang liegt am Mittelabgriff des aus den Widerständen R 6 und R 7 bestehenden Spannungsteiles.

Zur Entkopplung wird lediglich einer der Optokoppler, in diesem Falle der Optokoppler OK 1 benötigt. Seine Schaltstrecke OK 1 b liegt in der Gate-Zuleitung des MOSFET V 1. Der zweite Optokoppler dient zur Ansteuerung eines nicht dargestellten, die Wandlerausgangsspannung UW regelnden Schaltungsteiles, z. B. eines auf der Primärseite des Wandlers angeordneten Pulsbreitenmodulators. Die gemeinsame Ansteuerung beider Optokoppler macht deutlich, daß die zur Entkopplung verwendete Fühlerschaltung sinnvoll mit einer in geregelten Wandlern notwendigen Schaltung zur Gewinnung eines Regelkriteriums für einen primärseitig angeordneten Regler vereinigt werden kann.

Zur Ansteuerung des MOSFET wird eine Hilfsspannung UH verwendet, die z. B. einer in Fig. 2 nicht dargestellten, getrennten Wicklung eines in Wandlern üblicherweise zur Potentialtrennung verwendeten Wandlertransformators über einen ebenfalls nicht dargestellten Gleichrichter entnommen wird und nicht geregelt zu werden braucht.

Die positive Klemme der Hilfsspannungsquelle ist über einen Strombegrenzungswiderstand R 1 und die Schaltstrecke OK 1 b des ersten Optokopplers mit dem Gate-Anschluß des MOSFET V 1, die negative Klemme der Hilfsspannungsquelle mit der Source-Elektrode des MOSFET und damit mit der positiven Seite des Siebkondensators C 1 verbunden. Um die Gate-Source Strecke des MOSFET vor Überspannung zu schützen und eine Aufladung der Gate-Elektrode zu verhindern, sind eine Z-Diode V 2 und ein Widerstand R 2 der Gate-Source Strecke parallel geschaltet.

Die Funktion der Schaltung ist wie folgt: Ist die Spannung des Gleichspannungsnetzes U _A = 0 und wird der mit der Entkopplungsschaltung der Fig. 2 ausgestattete Wandler eingeschaltet, so ist der MOSFET V 1 zunächst gesperrt, da die vom Wandler gelieferte, am Kondensator C 1 anliegende Spannung UW ihren Sollwert noch nicht erreicht hat. Der Wandler arbeitet nun und lädt den Kondensator C 1 sowie - über die Inversdiode des MOSFET - das Gleichspannungsnetz auf. Übersteigt die Stromaufnahme des Gleichspannungsnetzes den vom Wandler maximal abzugebenden Strom nicht, so erreicht die Spannung am Kondensator C 1 nach einiger Zeit ihren Sollwert. Jetzt steuert der Operationsverstärker V 3 seinen Ausgang negativ und es fließt Strom über die Leuchtdiodenstrecken der beiden Optokoppler. Damit spricht einerseits über den Optokoppler OK 2 die Spannungsbegrenzung des Wandlers an, andererseits wird über den Optokoppler OK 1 der MOSFET V 1 durchgesteuert und damit eine sehr niederohmige Verbindung zwischen Wandler und Gleichstromnetz hergestellt. Die Leistungsverluste bewirkende Inversdiode ID ist damit niederohmig überbrückt und führt keinen nennenswerten Strom mehr.

Führt das Gleichspannungsnetz bei Einschalten des Wandlers bereits Spannung, so verhindert die Inversdiode ein Aufladen des Siebkondensators C 1 aus dem Gleichspannungsnetz, das sonst zu einem kurzzeitigen hohen Stromverbrauch und damit zu einem Spannungseinbruch auf dem Gleichspannungsnetz führen würde. Eine Verbindung des Wandlers mit dem Gleichspannungsnetz wird erst mit dem Durchschalten des MOSFET nach Erreichen der Sollspannung am Siebkondensator C 1 hergestellt.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Entkopplung des Ausganges eines in ein Gleichstromnetz speisenden Spannungswandlers mit einem ausgangsseitigen Siebkondensator und einer in der Ausgangsleitung angeordneten Entkopplungsdiode, dadurch gekennzeichnet, daß der Entkopplungsdiode (D, ID) ein steuerbarer Schalter (S 3, V 1) parallel liegt, der über eine Spannungsfühlerschaltung (F) leitend gesteuert wird, sobald die Spannung am Siebkondensator (C 1) einen vorgegebenen Wert übersteigt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlerschaltung zusätzlich dazu dient, ein Regelkriterium für einen die am Siebkondensator (C 1) anstehende Spannung (UW) begrenzenden Regler zu gewinnen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Schalter ein Leistungs-MOSFET (V 1) vorgesehen ist, und daß dessen Inversdiode (ID) die Entkopplungsdiode bildet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsfühlerschaltung (F) ein Operationsverstärker (V 3) verwendet wird, der eine aus der am Siebkondensator (C 1) anliegenden Spannung abgeleitete Teilspannung mit einer Referenzspannung (REF) vergleicht und bei Überschreiten der Referenzspannung durch die Teilspannung die Leuchtdiodenstrecke (OK 1 a) eines Optokopplers mit Strom versorgt, wobei die Schaltstrecke (OK 1 b) des Optokopplers in der Steuerleitung des steuerbaren Schalters (V 1) angeordnet ist und diesen leitend steuert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des Optokopplers (OK 1 b) die Gate-Elektrode des Leistungs-MOSFET (V 1) mit einer Klemme (+ UH)) einer Hilfsspannungsquelle verbindet, deren andere Klemme (- UH) an der Source-Elektrode des MOS­ FET (V 1) anliegt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (V 3) die Leuchtdiodenstrecke (OK 2 a) eines weiteren Optokopplers mit Strom versorgt, dessen Schaltstrecke einen auf der Primärseite des Wandlers angeordneten Regler, insbesondere einen Pulsbreitenmodulator steuert.