DE4024160A1 - Gleichstromsteller - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gleichstromsteller mit vier
Schaltern mit jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden in
Brückenschaltung zur Versorgung einer in der Brückendiagonalen
liegenden Last, wobei bei jeder Richtung des Laststroms zwei in
der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegende erste Schalter
periodisch getaktet werden und wobei der Mittelwert des Last
stroms durch die Überlappung der Einschaltzeiten dieser
Schalter bestimmt ist.
Ein derartiger Gleichstromsteller ist aus der DE-A1-29 30 920
bekannt. Damit ist die Versorgung einer Last mit einem vorge
gebenen Gleichstrom in beiden Richtungen möglich. Bei jeder
Richtung des Laststroms werden nur zwei diagonal gegenüberlie
gende elektronische Schalter angesteuert.
Bei einer aus der US-A-32 60 912 bekannten Anordnung sind - so
lange kein Ansteuersignal auftritt - nur die beiden Schalter
der unteren Brückenhälfte leitend, so daß die Last nicht mit
der Versorgungsspannung verbunden ist. Ein von einer induktiven
Last getriebener Strom wird über die untere Brückenhälfte ge
führt und somit nicht in die Versorgungsspannung zurückge
speist. Wenn nun bei dieser Anordnung ein Laststrom in einer
bestimmten Richtung erzeugt werden soll, so wird - je nach
gewünschter Stromrichtung - einer der Schalter der oberen
Brückenhälfte geschlossen. Der diagonal gegenüberliegende
Schalter der unteren Brückenhälfte bleibt geschlossen, während
der in Reihe liegende Schalter des unteren Brückenzweiges zur
Vermeidung eines Kurzschlusses geöffnet wird. Bei Umkehr der
Stromrichtung durch die Last gilt sinngemäß dasselbe Ansteuer
verfahren für die andere Brückendiagonale. Bei dieser Anordnung
tritt bei induktiven Lasten nach jeder Phase der Energiezufuhr
aus der Versorgungsspannung stets eine Phase des Freilaufs und
nicht wie bei dem erstgenannten Verfahren eine Phase des Rück
laufs auf.
Beide eingangs genannten Verfahren haben jedoch den Nachteil,
daß bei einem Wechsel der Stromrichtung der Stromnulldurchgang
exakt erfaßt werden muß, damit von der Ansteuerung einer Brücken
diagonale auf die Ansteuerung der anderen Brückendiagonale
übergegangen wird. Dies führt in der Praxis zu Nichtlinearitä
ten und einem Unempfindlichkeitsbereich im Bereich des Strom
nulldurchgangs, so daß der Laststrom nur in einem eingeschränk
ten Dynamikbereich exakt eingestellt werden kann. Bestimmte An
wendungen, z.B. bei der Ansteuerung von Gradientenspulen für
die Kernspin-Tomographie, erfordern jedoch einen extrem großen
Dynamikbereich von z.B. 2 mA bis 200 A, in dem der Laststrom
exakt gesteuert werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Gleichstromsteller
der eingangs genannten Art so auszuführen, daß auch im Bereich
des Stromnulldurchgangs bei Umkehr der Stromrichtung eine
exakte Steuerung des Laststroms möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätz
lich jeweils zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende
Schalter in Gegenphase getaktet werden.
Da bei jeder Stromrichtung alle Transistoren getaktet werden,
ist zum Übergang von einer Stromrichtung auf die andere nur
eine Verschiebung der Tastverhältnisse notwendig, so daß ein
kontinuierlicher Übergang, d.h. ohne Knick im Stromverlauf,
erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ausgehend vom Last
strom Null bei einem Tastverhältnis aller Schalter von näherungs
weise 50% und jeweils gegenphasiger Ansteuerung des in jeder
Brückendiagonale diagonal gegenüberliegenden Schalterpaares der
Laststrom durch Vergrößerung des Tastverhältnisses eines in
einer Brückendiagonale liegenden Schalterpaares vergrößert.
Damit erzielt man einen besonders großen Dynamikbereich.
Zweckmäßigerweise wird zwischen den Einschaltphasen zweier in
der Brückenschaltung in Reihe liegender Schalter jeweils eine
Sicherheitszeit eingefügt. Damit wird verhindert, daß kurzzei
tig zwei bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltete
Schalter gleichzeitig geschlossen sind und damit einen Kurz
schluß der Versorgungsspannung verursachen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden nur noch zwei dia
gonal gegenüberliegende Schalter getaktet, während der jeweils
in Reihe liegende Schalter geöffnet bleibt, wenn der Laststrom IA
einen Grenzwert überschreitet. Da diese Maßnahme nur bei hohen
Lastströmen ergriffen wird, stört sie nicht den kontinuierlichen
Übergang beim Wechsel der Stromrichtung des Laststroms. Die
Sicherheitszeiten können kleiner gehalten werden, da sie nun
nicht mehr für höhere Lastströme mit zwangsläufig längerer
Schaltzeit der Schalter ausgelegt werden müssen.
Vorteilhafterweise können in jedem Brückenzweig die Schalter
über eine Drossel in Reihe geschaltet sein, indem jeder Brücken
zweig eine Reihenschaltung eines mit einer ersten Versorgungs
spannungsklemme verbundenen Schalters und einer Freilaufdiode
und parallel dazu eine Reihenschaltung einer mit der ersten
Versorgungsspannungsklemme verbundenen Freilaufdiode und eines
Schalttransistors enthält und indem in jedem Brückenzweig Ver
bindungspunkte von Schaltern und Freilaufdioden über eine
Drossel miteinander verbunden sind, wobei die Last jeweils an
eine Anzapfung der Drosseln angeschlossen ist. Mit diesen Drosseln
wird der Stromanstieg im Falle eines Kurzschlusses durch zwei
kurzfristig zugleich geschlossene Schalter begrenzt. Anderer
seits begrenzen die entsprechenden Drosseln kaum die möglichen
Anstiegszeiten des Laststroms.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Fig. 1 bis 19 näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schaltplan eines
Gleichstromstellers,
Fig. 2 bis 5 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 für den
Laststrom IA = 0,
Fig. 6 und 7 die Ansteuerung der Schalter 1 und 4 für einen
kleinen Laststrom,
Fig. 8 und 9 die Ansteuerung der Schalter 1 und 4 für einen
größeren Laststrom,
Fig. 10 die Schaltcharakteristik von zwei in Serie
geschalteten Schalttransistoren,
Fig. 11 bis 14 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 unter Be
rücksichtigung von Sicherheitszeiten,
Fig. 15 bis 18 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 für einen
hohen Laststrom,
Fig. 19 ein Schaltbild eines modifizierten Gleichstrom
stellers.
Fig. 1 zeigt ein typisches Schaltbild für einen Gleichstrom
steller in Brückenschaltung. Zwischen zwei Versorgungsspannungs
klemmen 11 und 12 liegen zwei Reihenschaltungen jeweils zweier
Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4. Jedem Schalter ist eine Freilauf
diode 5 bis 8 parallel geschaltet, wobei alle Freilaufdioden
5 bis 8 entgegengesetzt zur Versorgungsspannung gepolt sind. An
eine Brückendiagonale ist eine Last 9 angeschlossen, wobei der
durch die Last 9 fließende Strom IA durch einen Meßwandler 10
erfaßt wird. Der erfaßte Strom wird als Istwert IAist einem
Komparator 13 zugeführt und dort mit einem Sollwert IAsoll ver
glichen. Die am Ausgang des Komparators 13 anstehende Regelab
weichung wird über einen Regler 14, der z.B. ein PI-Regler sein
kann, einer Steuereinrichtung 15 zugeführt. Durch die Steuer
einrichtung 15 werden die Schalter 1 bis 4 so angesteuert, daß
der Laststrom IA seinen Sollwert IAsoll erreicht.
In der Praxis werden als Schalter 1 bis 4 Transistoren, z.B.
FET-Leistungstransistoren eingesetzt. Bei der Last 9 handelt
es sich im allgemeinen um eine induktive Last, so daß bei ge
nügend hoher Schaltfrequenz der Schalter 1 bis 4 ein weitgehend
kontinuierlicher Laststrom entsteht. Solange die Last 9 von den
Versorgungsspannungsklemmen 11, 12 getrennt ist, fließt der
durch die Induktivität der Last 9 getriebene Strom über ent
sprechende Freilaufdioden 5 bis 8 sowie über eventuell noch ge
schlossene Schalter 1 bis 4.
Der Laststrom IA kann beliebig gesteuert werden und positive
und negative Werte annehmen. Wenn man den Gleichstromsteller
beispielsweise in der Kernspin-Tomographie für die Stromversor
gung von Gradientenspulen einsetzt, ist eine geringe Abweichung
vom vorgegebenen Soll-Verlauf des Laststroms besonders wichtig.
Insbesondere müssen auch sehr kleine Ströme genau eingestellt
werden. Der erforderliche Dynamikbereich liegt beispielsweise
zwischen 2 mA bis 200 A. Wie die folgende Überlegung zeigt, ist
dieser Dynamikbereich durch gleichzeitiges Schalten zweier
diagonal gegenüberliegender Schalter, z.B. 1 und 4, oder durch
festes Einschalten eines dieser beiden Schalter und Taktung des
anderen nicht möglich. Die erforderliche Pulsbreite tp ist
proportional zum gewünschten stationären Strom I:
tp = k × I (k = Proportionalitätskonstante)
Dabei gilt:
wobei R der ohmsche Widerstand der Last 9, f die Schaltfrequenz
und Uv die Versorgungsspannung ist.
Für typische Werte von
Widerstand R = 100 m Ohm
Schaltfrequenz f = 25 kHz,
Laststrom IA = 200 A
Schaltfrequenz f = 25 kHz,
Laststrom IA = 200 A
ergibt sich eine Schaltzeit tp:
tp = 2,66 µs
Wenn nun der Laststrom IA auf 2 mA eingestellt werden soll,
errechnet sich eine Pulsbreite des jeweiligen Schalters 1 bis 4
von:
tp = 26,6 ps
Eine derart kurze Einschaltdauer kann mit einem Transistor als
Schalter alleine nicht verwirklicht werden.
Da die erwähnte kurze Einschaltdauer mit einem Transistor nicht
zu verwirklichen ist, wird die Einschaltdauer durch die Über
lappung der Einschaltzeiten zweier in Reihenschaltung angeord
neter Schalter 1 und 4 bzw. 2 und 3 erzeugt. Dies wird nach
folgend anhand der Fig. 2 bis 9 näher erläutert. Die Fig. 2
bis 5 zeigen den Schaltzustand der Schalter 1 bis 4 für den
Fall, daß der Last 9 keine Spannung zugeführt werden soll. Dabei
werden die Schalter 1 und 4 (Fig. 2 und 5) ebenso wie die
Schalter 2 und 3 (Fig. 3 und 4) im Gegentakt betrieben, so daß
keine Überlappungszeit auftritt und damit die Last 9 auch nicht
mit Spannung versorgt wird. Die Schalter 2 (Fig. 3) und 4
(Fig. 5) sind jeweils zu den Schaltern 1 (Fig. 2) bzw. 3
(Fig. 4) ebenfalls im Gegentakt geschaltet, um einen Kurzschluß
zwischen den Eingangsklemmen 11 und 12 zu vermeiden. Das Tast
verhältnis, d.h. das Verhältnis von Einschaltzeit TE zu Aus
schaltzeit TA, ist in diesem Fall für alle Schalter 1 bis 4
gleich eins.
Will man nun den Laststrom IA erhöhen, so wird das Tastverhält
nis zweier diagonal gegenüberliegender Schalter vergrößert,
d.h. die Einschaltdauer TE bei verkürzter Ausschaltdauer TA
verlängert. Die Wahl des so angesteuerten Schalterpaares hängt
von der gewünschten Richtung der Stromänderung ab. Bei den bei
den verbleibenden, nicht stromführenden Schaltern wird die Ein
schaltdauer parallel dazu verkürzt, d.h. das Tastverhältnis
verringert.
Wie man am Beispiel der Fig. 6 (Schaltzustand des Schalters 1)
und 7 (Schaltzustand des Schalters 4) sieht, tritt nunmehr in
den schraffiert gezeichneten Bereichen eine Überlappung der
Einschaltzeiten auf, während der die Last 9 an die Versorgungs
spannung UV gelegt wird, so daß eine entsprechende Stromänderung
stattfindet.
In den Fig. 8 (Schaltzustand des Schalters 1) und 9 (Schaltzu
stand des Schalters 4) sind die Tastverhältnisse, d.h. die Ein
schaltzeiten der Schalter 1 und 4, noch weiter vergrößert,
so daß die schraffierten Überlappungszeiten noch größer werden
und durch die länger anstehende Betriebsspannung eine größere
Stromänderung in der Last 9 stattfindet.
In den in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Fällen der Ansteuerung
werden jeweils die zu den Schaltern 1 und 4 in Reihe geschal
teten Schalter 2 und 3 jeweils gegenphasig angesteuert, so
daß kein Kurzschluß der Versorgungsspannung UV auftritt. Der
Übersichtlichkeit wegen sind die Schaltdiagramme für die Schal
ter 1 und 4 in den Fig. 6 bis 9 weggelassen.
Die Überlappungszeiten und damit der resultierende stationäre
Strom können zumindest theoretisch beliebig klein gemacht wer
den. Die Schalter haben zwar keine beliebig steilen Schaltflan
ken. Wie in Fig. 10 dargestellt wird, muß aber die Überlappungs
zeit nicht durch Rechteckimpulse gebildet werden. Fig. 10 zeigt
mit der Kurve A das typische Ausschaltverhalten eines Tran
sistors und mit der Kurve B das typische Einschaltverhalten
eines Transistors. Die für die Steuerung maßgebliche Über
lappungszeit ist schraffiert gezeichnet.
Die dargestellte Ansteuerung hat den besonderen Vorteil, daß
ein stetiger Übergang von einem positiven Laststrom IA zu einem
negativen Laststrom -IA möglich ist.
Die nicht zu vernachlässigende Ein- und Ausschaltzeit von
Transistoren muß allerdings bei der Ansteuerung berücksichtigt
werden. Es muß sichergestellt werden, daß niemals die in einem
Brückenzweig in Reihe liegenden Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4
gleichzeitig eingeschaltet sind. Da die Stromversorgungsquelle
eine möglichst niedrige Induktivität haben soll, würde das
gleichzeitige Einschalten zu einem Kurzschlußstrom mit sehr
schnellem Anstieg und damit zu einer Zerstörung der Schalter
1-4 führen. Um dies zu verhindern, muß der Einschaltbefehl für
einen Transistor (Zeitpunkt ton) in einem Brückenzweig um eine
Sicherheitszeit ttot verzögert gegenüber dem Ausschaltbefehl
(Zeitpunkt toff) für den in demselben Brückenzweig liegenden
Transistor gegeben werden:
ttot = toff - ton
Die Fig. 11 und 14 zeigen ein Schaltdiagramm für die Schalter
1 bis 4, wobei die Sicherheitszeiten ttot schematisch ein
gezeichnet sind. Die durchgezogenen Linien zeigen dabei den
realen Fall unter der Berücksichtigung einer Sicherheitszeit
ttot, die schraffierten Linien die Einschaltzeitpunkte für den
theoretischen Fall. Dabei ist die Sicherheitszeit ttot gegen
über einem realen Wert der Sichtbarkeit wegen stark vergrößert
dargestellt.
Die Ausschaltzeit eines Transistors hängt stark vom Strom ab,
den der Transistor vor dem Ausschaltzeitpunkt führt. Ohne wei
tere Maßnahmen müßte man die Sicherheitszeit ttot für den maxi
malen Strom, z.B. 200 A, auslegen und daher verhältnismäßig
lang machen.
Eine Verkürzung der Sicherheitszeit ttot wird möglich, wenn die
beiden in einer Stromrichtung jeweils nicht stromführenden
Schalter 1 bis 4 ganz abgeschaltet werden, sobald der Last
strom IA einen bestimmten Wert (z.B. 10 A) überschreitet. Ein
entsprechendes Schaltdiagramm für die Schalter 1 bis 4 für
eine Stromrichtung ist in den Fig. 15 bis 18 dargestellt. In
diesem Fall werden nur die Schalter 1 und 4 getaktet, so
daß ein positiver Laststrom IA fließt, dessen Betrag von der
Überlappungszeit der Einschaltzeiten der Schalter 1 und 4 be
stimmt ist. Die Schalter 2 und 3 (Fig. 16 und 17) bleiben aus
geschaltet, da der Laststrom IA einen bestimmten Wert über
schritten hat.
Bei einer derartigen Anordnung bleibt der Vorteil des kontinu
ierlichen Nulldurchgangs des Laststroms IA erhalten, da bei
kleinen Strömen alle Schalter 1-4 getaktet werden und somit
stetig von einer Stromrichtung auf die andere übergegangen
werden kann. Andererseits muß jedoch die Sicherheitszeit ttot
lediglich auf die Ausschaltzeiten bei einem relativ niedrigen
Strom ausgelegt werden und kann somit kurz gehalten werden.
Eine weitere Lösung des Kurzschlußproblems durch Überlappung
der Einschaltzeiten von zwei in einem Brückenzweig liegenden
Schaltern 1 und 2 bzw. 3 und 4 ist in Fig. 19 dargestellt.
Dabei sind in jedem Brückenzweig jeweils eine Freilaufdiode 5
bzw. 7 und ein Schalter 2 bzw. 4 in Reihe geschaltet, wobei
jeweils die Freilaufdiode 5 bzw. 7 mit dem positiven Anschluß
der Versorgungsspannungsquelle UV verbunden ist. In jedem
Brückenzweig liegt ferner die Reihenschaltung eines Schalters 1
bzw. 3 und einer Freilaufdiode 6 bzw. 8, wobei jeweils der
Schalter 1 bzw. 3 mit dem positiven Anschluß der Versorgungs
spannungsquelle UV verbunden ist. Der Verbindungspunkt von
Schalter 1 mit der Freilaufdiode 6 ist über eine Drossel 16 mit
dem Verbindungspunkt von Freilaufdiode 5 und Schalter 2 ver
bunden. Der Verbindungspunkt von Freilaufdiode 7 und Schalter 4
ist über eine Drossel 17 mit dem Verbindungspunkt von Schalter
3 und Freilaufdiode 8 verbunden. Die Last 9 ist jeweils an eine
Anzapfung der Drosseln 16 und 17 angeschlossen.
Bei dieser Anordnung wird der Stromanstieg durch die Drossel 16
bzw. 17 begrenzt, wenn die Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4 gleich
zeitig eingeschaltet sind. Ferner wird ein speziell bei MOSFET-
Transistoren auftretendes Problem gelöst. Diese Transistoren
besitzen eine inhärente Freilaufdiode, die in Fig. 19 gestri
chelt eingezeichnet ist. Diese Freilaufdiode hat jedoch die
unangenehme Eigenschaft, daß sie normalerweise langsamer schal
tet als die zugeordnete Schaltstrecke des MOSFETs. Durch die
Drosseln 16 und 17 wird der Anstieg eines dadurch entstehenden
Kurzschlußstromes verlangsamt. Bei dieser Schaltung sind dann
die wesentlich schnelleren Dioden 5 bis 8 als Freilaufdioden
wirksam.
Claims (5)
1. Gleichstromsteller mit vier Schaltern (1-4) mit jeweils
parallel geschalteten Freilaufdioden (5-8) in Brückenschaltung
zur Versorgung einer in der Brückendiagonalen liegenden Last
(9), wobei bei jeder Richtung des Laststroms (IA) zwei in der
Brückenschaltung diagonal gegenüberliegende erste Schalter
(1, 4; 2, 3) periodisch getaktet werden und wobei der Mittel
wert des Laststroms (IA) durch die Überlappung der Einschalt
zeiten (TE) dieser Schalter (1, 4; 2, 3) bestimmt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
jeweils zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende Schalter
(1, 2; 3, 4) in Gegenphase getaktet werden.
2. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß ausgehend vom Laststrom (IA) Null
bei einem Tastverhältnis aller Schalter (1-4) von näherungs
weise 50% und jeweils gegenphasiger Ansteuerung des in der
Brückenschaltung diagonal gegenüberliegenden Schalterpaares
(1, 4; 2, 3) der Laststrom (IA) durch Vergrößerung des Tastver
hältnisses des in einer Brückenschaltung diagonal gegenüber
liegenden Schalterpaares vergrößert wird.
3. Gleichstromsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen den Einschalt
phasen zweier in der Brückenschaltung in Reihe liegender Schal
ter (1, 2; 3, 4) jeweils eine Sicherheitszeit (ttot) eingefügt
wird.
4. Gleichstromsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß nur noch zwei
diagonal gegenüberliegende Schalter (1, 3; 2, 4) getaktet wer
den, während der jeweils in Reihe liegende Schalter (1-4) geöff
net bleibt, wenn der Laststrom (IA) einen Grenzwert über
schreitet.
5. Gleichstromsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß in jedem
Brückenzweig die Schalter (1, 2; 3, 4) über eine Drossel (16,
17) in Reihe geschaltet sind, indem jeder Brückenzweig eine
Reihenschaltung eines mit einer ersten Versorgungsspannungs
klemme (11) verbundenen Schalters (1, 3) und einer Freilauf
diode (6, 8) und parallel dazu eine Reihenschaltung einer mit
der ersten Versorgungsspannungsklemme (11) verbundenen Frei
laufdiode (5, 7) und eines Schalters (2, 4) enthält und indem
in jedem Brückenzweig die Verbindungspunkte von Schaltern (1-4)
und Freilaufdioden (5, 6) über eine Drossel (16, 17) mitein
ander verbunden sind, wobei die Last (9) jeweils an eine
Anzapfung der Drosseln (16, 17) angeschlossen ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4024160A1 true DE4024160A1 (de) | 1991-02-14 |
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ID=8201761
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DE4024160A Ceased DE4024160A1 (de) | 1989-08-11 | 1990-07-30 | Gleichstromsteller |
Country Status (2)
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