DE3705249C3 - Schaltungsanordnung zur Entkopplung des Ausganges eines Spannungswandlers - Google Patents

Description

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

Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. aus der US-PS 46 28 433 be­ kannt.

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. Be­ sitzt der zuzuschaltende Wandler keine Ausgangsentkopp­ lung, so kommt es beim Zuschalten zu einem Spannungsein­ bruch auf dem durch den ersten Wandler gespeisten Gleichspannungsnetz. Dieser Spannungseinbruch rührt da­ her, daß unmittelbar nach Anschalten des zweiten Wand­ lers dessen Siebkondensatoren von dem im Betrieb befind­ lichen Wandler aufgeladen werden müssen, was dessen Leistung in der Regel übersteigt. Ein merklicher Span­ nungseinbruch kann aber z. B. in Rechneranlagen unange­ nehme Störungen verursachen.

Solche Spannungseinbrüche lassen sich durch eine Ent­ kopplung der Wandlerausgänge grundsätzlich vermeiden. Die einfachste bekannte Entkopplungsart ist, wie in der o. g. US-PS angewandt, 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 verur­ sachen Dioden recht hohe Durchflußverluste, die ge­ gebenenfalls Kühlmaßnahmen erforderlich machen. Dioden zeigen außerdem ein nichtlineares Verhalten und eine große Toleranz der Durchflußspannungen. Dies führt ins­ gesamt zu unerwünschten Abweichungen der Ausgangsspan­ nungen solcher Wandler vom Sollwert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit möglichst wenig Schaltungsaufwand die Durchflußverluste verringert werden, die Linearität verbessert und die Ausgangsspannung stabiler wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aus der DE-OS 27 43 622 ist es zwar bekannt, eine Diode durch einen steuerbaren Schalter zu überbrücken. Die Diode dient hier jedoch nicht der Entkopplung des Ausganges eines von mehreren in ein ge­ meinsames Gleichstromnetz speisenden Spannungswandlers, sondern der polaritätsabhängigen Anschaltung einer Last an eine Spannungs­ quelle, um eine Falschpolung auszuschließen. Als steuerbarer Schalter wird ein Kontakt eines Relais verwendet, dessen Wicklung von der an der Last anliegenden Spannung direkt beaufschlagt wird.

Aus der DE-OS 34 29 572 ist weiterhin eine Einrichtung zur unter­ brechungsfreien Spannungsumschaltung bekannt, in der als steuer­ barer Schalter zur Überbrückung einer Entkopplungsdiode ein Lei­ stungs-MOSFET verwendet wird. Als Entkopplungsdiode wird dabei die (integrierte) Inversdiode des MOSFET verwendet. Die Steuerung der Source-Drain Strecke des MOSFET erfolgt hier über eine Vergleichs­ schaltung, die den Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen der beiden über Dioden entkoppelten Spannungsquellen auswertet und die Durchschaltung des der Spannungsquelle mit der jeweils höheren Aus­ gangsspannung zugeordneten MOSFET veranlaßt.

Die bekannte Einrichtung ist nur zusammen mit Spannungsquellen ein­ setzbar, die unterschiedliche Ausgangsspannungen abgeben, z. B. zu­ sammen mit einer Spannungsquelle, der als zweite Spannungsquelle eine Pufferbatterie niedrigerer Spannung parallelgeschaltet ist. Zur Überbrückung von Entkopplungsdioden bei in ein gemeinsames Netz speisenden, gleiche Ausgangsspannungen abgebenden Spannungsquellen ist die bekannte Einrichtung nicht verwendbar. Insbesondere bei Spannungsquellen, deren Ausgangsspannung konstant eingeregelt wird, tritt kein Spannungsunterschied auf, der zur Steuerung eines in be­ kannter Weise geschalteten MOSFET ausreichen würde.

Gemäß der Erfindung wird der Unterschied der von der Spannungsquelle abgegebenen Spannung zu einer vorgegebenen Sollspannung als Steuerkriterium für die die Inversdiode überbrückende MOSFET- Schaltstrecke verwendet. Damit wird der Einsatz von Leistungs- MOSFETS zur Überbrückung von Entkopplungsdioden auch bei Zusammen­ schaltung von Spannungsquellen mit gleichen Ausgangsspannungen, insbesondere von Spannungsquellen mit auf einen Sollwert geregelten Ausgangsspannungen, möglich.

Durch den als steuerbarer Schalter arbeitenden Leistungs-MOSFET 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 MOSFET not­ wendige Mindestspannung absinkt. Dies ist nur in Fällen der Netz­ überlastung oder unmittelbar nach Einschalten des Gleichstromnetzes kurzzeitig der Fall.

Durch die Ansteuerung des MOSFET in Abhängigkeit des Unterschiedes zwischen der Ausgangsspannung des Spannungswandlers und dem Soll­ wert der Ausgangsspannung können bei geregelten Spannungswandlern gesonderte Spannungsfühlerschaltungen zur Ansteuerung des MOSFET und zur Regelung der Ausgangsspannung eingespart werden, da eine gemeinsame Fühlerschaltung gleichzeitig der Ansteuerung des MOSFETS und der Gewinnung eines Regelkriteriums für einen die Wandleraus­ gangsspannung konstant haltenden Regler dienen kann. Dies ist des­ halb möglich, weil sowohl die Spannungsbegrenzung als auch die Überbrückung der Ausgangsentkopplung bei Erreichen des Sollwertes der Ausgangsspannung wirksam werden sollen.

Eine weitere Ausgestaltung betrifft die Spannungsfühlerschaltung. Es wird in Anspruch 2 die Verwendung eines Operationsverstärkers beschrieben, der die Steuerelektrode des MOSFET über einen Opto­ koppler an eine Hilfsspannungsquelle anschließt, sobald der Soll­ wert der Ausgangsspannung erreicht wird.

Anspruch 3, schließlich, betrifft den Einsatz eines weiteren Opto­ kopplers zur potentialgetrennten Übertragung des Regelkriteriums des Spannungswandlers auf dessen primärseitige Taktsteuerschaltung.

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 (Spannungswandler) W1, W2 beliebiger Bauweise dargestellt, die je eine Eingangsspannung UE1, UE2 in eine die Nennspannung eines Gleichspannungsnetzes bildende Ausgangsspannung +UA wandeln. Die beiden Wand­ ler W1, W2, können jeweils durch gemeinsam betätigte, eingangs­ seitige und ausgangsseitige Schalter S1, S2 in Betrieb gesetzt werden. In Fig. 1 ist der erste Wandler W1 in Betrieb, der zweite Wandler W2 ist abgeschaltet. Der zweite Wandler W2 weist neben einer die Spannungswandlung bewerkstelligenden Schaltung WS ausgangsseitig einen Siebkondensator C auf, dessen positive Klemme über eine in Durchflußrichtung geschaltete Diode (Entkopplungsdiode) D und den Schalter S2 mit dem Wandler­ ausgang verbunden ist. Zusätzlich ist eine Fühlerschal­ tung F vorgesehen, welche die am Siebkondensator C an­ stehende Spannung abgreift, und abhängig von deren Wert, einen parallel zur Diode D angeordneten Schalter (Überbrückungsschalter) S3 an­ steuert, was durch eine gestrichelte Verbindung zwischen der Fühlerschaltung F und dem Schalter S3 angedeutet ist.

Wird der zweite Wandler W2 in Betrieb genommen - z. B. dann, wenn die Leistung des ersten Wandlers W1 zur Speisung des Gleichstromnetzes allein nicht mehr ausreicht -, so wird neben dem Schalter S1 auch der Schalter S2 geschlossen. Der Siebkondensator C bleibt aber durch die Entkopp­ lungsdiode D so lange vom Gleichspannungsnetz getrennt, bis er durch den in Betrieb gegangenen zweiten Wandler W2 so weit aufgeladen ist, daß die Fühlerschaltung F das Schließen des Schalters S3, der die Entkopplungsdiode D überbrückt, veranlaßt. Die Diode D ist damit außer Betrieb und kann keine Verluste mehr verursachen. Auch Spannungsände­ rungen auf dem Gleichstromnetz durch sich ändernde Dioden-Durchflußspannungen können nicht mehr auftreten.

In Fig. 2 ist die Entkopplungsschaltung eines Wandlers mit einem Leistungs-MOSFET V1 dargestellt. Der MOSFET V1versetzt den Überbrückungsschalter S3 in Fig. 1 sowie gleichzeitig mit seiner Inversdiode ID die Diode D in Fig. 1. Die Fühlerschaltung F besteht hier aus einem Operationsver­ stärker V3, dessen invertierender Eingang mit dem Mit­ telabgriff eines dem Siebkondensator C1 parallel ge­ schalteten, aus Widerständen R6 und R7 bestehenden Span­ nungsteilers verbunden ist. Um Regelschwingungen zu ver­ hindern sowie den Einfluß höherfrequenter Spannungsände­ rungen herabzusetzen, ist zwischen invertierendem Ein­ gang und Ausgang des Operationsverstärkers V3 ein aus einem Kondensator C2 und einem Widerstand R5 bestehendes Integrierglied angeordnet. Der nicht invertierende Ein­ gang des Operationsverstärkers V3 ist an eine Referenzspan­ nungsquelle REF angeschlossen, die auch in den Opera­ tionsverstärker V3 integriert sein kann. In der Ausgangs­ leitung des Operationsverstärkers V3 liegt ein aus den Widerständen R3 und R4 gebildeter Spannungsteiler, an dessen Mittelabgriff die Betriebsspannung für zwei in Reihe geschaltete Leuchtdiodenstrecken OK1a, OK2a zweier Optokoppler gewonnen wird.

Anstelle eines gewöhnlichen Operationsverstärkers kann auch ein sogenannter einstellbarer Parallelregler, ein heute auf dem Markt erhältlicher integrierter Schaltkreis, ver­ wendet werden. Dieser wird mit seiner Anode an die negative Klemme - der Wandlerspannung UW und mit seiner Kathode an den Verbindungspunkt des Widerstandes R3 mit dem Kondensator C2 (Fig. 2) angeschlossen. Sein Refe­ renzeingang liegt am Mittelabgriff des aus den Wider­ ständen R6 und R7 bestehenden Spannungsteilers.

Zur Entkopplung wird lediglich einer der Optokoppler, in diesem Falle der Optokoppler mit der Leuchtdiodenstrecke OK1a benötigt. Seine Schaltstrecke OK1b liegt in der Gate-Zuleitung des MOSFET V1. Der zweite Optokoppler dient der 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 ver­ wendete Fühlerschaltung F sinnvoll mit einer in geregelten Wandlern notwendigen Schaltung zur Gewinnung eines Regelkriteriums für einen primärseitig angeordneten Regler vereinigt werden kann.

Zur Ansteuerung des MOSFET V1 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 ent­ nommen wird und nicht geregelt zu werden braucht.

Die positive Klemme + der Hilfsspannungsquelle UH ist über einen Strombegrenzungswiderstand R1 und die Schalt­ strecke OK1b des ersten Optokopplers mit dem Gate-An­ schluß des MOSFET V1, die negative Klemme - der Hilfsspan­ nungsquelle UH mit der Source-Elektrode des MOSFET V1 und damit der positiven Seite des Siebkondensators C1 verbunden. Um die Gate-Source Strecke des MOSFET V1 vor Über­ spannung zu schützen und eine Aufladung der Gate-Elek­ tode zu verhindern, sind eine Z-Diode V2 und ein Wider­ stand R2 der Gate-Source Strecke parallel geschaltet.

Die Funktion der Schaltung ist wie folgt: Ist die Span­ nung des Gleichspannungsnetzes U_A = 0 und wird der mit der Entkopplungsschaltung der Fig. 2 ausgestattete Wand­ ler eingeschaltet, so ist der MOSFET V1 zunächst ge­ sperrt, da die vom Wandler gelieferte, am Kondensator C1 anliegende Spannung UW ihren Sollwert noch nicht er­ reicht hat. Der Wandler arbeitet nun und lädt den Kon­ densator C1 sowie - über die Inversdiode ID des MOSFET V1 - das Gleichspannungsnetz auf. Übersteigt die Stromauf­ nahme des Gleichspannungsnetzes den vom Wandler maximal abzugebenden Strom nicht, so erreicht die Spannung am Kondensator C1 nach einiger Zeit ihren Sollwert. Jetzt steuert der Operationsverstärker V3 seinen Ausgang negativ und es fließt Strom über die Leuchtdiodenstrecke OK1a, OK2a der beiden Optokoppler. Damit spricht einerseits über den Optokoppler mit der Leuchtdiodenstrecke OK2a die Spannungsbegrenzung des Wandlers an, andererseits wird über den Optokoppler mit der Leuchtdiodenstrecke OK1a der MOSFET V1 durchgesteuert und damit eine sehr nieder­ ohmige Verbindung zwischen Wandler und Gleichstromnetz hergestellt. Die Leistungsverluste bewirkende Invers­ diode ID ist damit niederohmig überbrückt und führt keinen nennenswerten Strom mehr.

Führt das Gleichspannungsnetz bei Einschalten des Wand­ lers bereits Spannung, so verhindert die Inversdiode ID ein Aufladen des Siebkondensators C1 aus dem Gleichspan­ nungsnetz, das sonst zu einem Spannungseinbruch auf dem Gleichspannungsnetz führen würde. Eine Verbindung des Wandlers mit dem Gleichspannungsnetz wird erst mit dem Durchschalten des MOSFET V1 nach Erreichen der Sollspannung am Siebkondensator C1 hergestellt.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Entkopplung des Ausganges eines von mehreren parallel in ein Gleichstromnetz speisenden getakteten Spannungswandlern mit einem ausgangsseitigen Siebkondensator und einer in der Ausgangsleitung angeordneten Entkopplungsdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopp­ lungsdiode durch die Inversdiode (ID) eines Leistungs-MOSFETS (V1) gebildet ist, daß der Leistungs-MOSFET (V1) über eine Spannungs­ fühlerschaltung (F) leitend gesteuert wird, sobald die Spannung am Siebkondensator (C1) den Sollwert der Ausgangsspannung des Span­ nungswandlers erreicht und daß die Spannungsfühlerschaltung zusätz­ lich der Ansteuerung eines primärseitigen, die am Siebkondensator (C1) anstehende Spannung (UW) begrenzenden Reglers dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlerschaltung (F) einen Operationsverstärker (V3) aufweist, der eine aus der am Siebkondensator (C1) anliegenden Spannung (UW) abgeleitete Teilspannung mit einer Referenzspannung (REF) vergleicht und bei Überschreitung der Referenzspannung (REF) durch die Teilspannung die Leuchtdiodenstrecke (OK1a) eines Opto­ kopplers mit Strom versorgt, wobei dessen Schaltstrecke (OK1b) die Gate-Elektrode des Leistungs-MOSFETS (V1) mit einer Klemme (+) einer Hilfsspannungsquelle verbindet, deren andere Klemme (-) an der Source-Elektrode des Leistungs-MOSFETS (V1) anliegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (V3) die Leuchtdioden­ strecke (OK2a) eines weiteren Optokopplers mit Strom versorgt, des­ sen Schaltstrecke einen auf der Primärseite des getakteten Span­ nungswandlers angeordneten Regler steuert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regler ein Pulsbreitenmodulator ist.