DE4033856A1 - Schaltender umrichter mit einer schaltungsanordnung zur stromistwertbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen schaltenden Umrichter mit einer Schaltungsanordnung zur Stromistwertbildung.

Ein derartiger schaltender Umrichter ist bereits aus der DE-B1-28 38 009 bekannt. Bei dem bekannten Umrichter wird ein Schalttransistor durch einen Taktgeber mit Einschaltimpulsen konstanter Arbeitsfrequenz angesteuert. Zur Regelung der Aus­ gangsspannung wird der Tastgrad, d. h. der Quotient der Einschalt­ zeit des Leistungsschalttransistors zur Periodendauer verän­ dert. Bei Überlast am Ausgang des Gleichstromumrichters wird zum Schutz der Bauteile der Strom im Leistungskreis begrenzt. Dies wird durch Absenken der Ausgangsspannung bei zulässigem Ausgangsstrom mittels Verkürzung der Einschaltzeit erreicht. Dabei wird der Schalttransistor gesperrt, sobald der gemessene Momentanwert des durch den Schalttransistor fließenden Stromes einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.

Der bekannte Umrichter enthält zu diesem Zweck eine Strombe­ grenzungsschaltung mit einem Stromwandler als Stromsensor. Diesem Stromsensor ist ein RC-Filter als Tiefpaß nachgeschal­ tet, so daß die Bürdenspannung von Einschaltstromspitzen befreit wird. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Sperrung des Schalttransistors fälschlicherweise vorzeitig durch die Einschaltstromspitze ausgelöst wird.

Allerdings kann das RC-Glied nur für einen bestimmten Strom optimal dimensioniert werden. Die Verwendung eines derartigen Tiefpasses führt daher nur bei vergleichsweise kleinen Strom­ bereichen zum gewünschten Ergebnis.

Aus U. Tietze Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 9. Auflage 1989, Seite 27 ist bereits bekannt, daß die Sperr­ schichtkapazität einer Diode mit zunehmender Sperrspannung ab­ nimmt, daß dieser Effekt bei Kapazitätsdioden besonders ausge­ prägt ist und daß sich Kapazitätsdioden aufgrund ihrer hohen Güte bis ins UHF-Gebiet zur Realisierung von Schwingkreisen mit spannungsgesteuerter Resonanzspannung eignen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung zur Stromistwertbildung eines Umrichters der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß Einschaltstromspitzen der den Stromsen­ sor durchfließenden Stromimpulse bei der Stromistwertbildung innerhalb eines möglichst großen Strombereiches unterdrückt werden ohne das Meßsignal in seinem weiteren Verlauf in un­ zulässiger Weise zu verfälschen.

Es ist eine Erkenntnis im Rahmen der Erfindung, daß bei schal­ tenden Umrichtern der eingangs genannten Art bei kleinem Strom, d. h. kleiner Spannung am Stromsensor die Eckfrequenz des Tief­ passes niedrig oder der Kondensator bei gleichem Widerstand groß sein müßte, um die Anfangsstromspitze zu unterdrücken und daß bei großem Strom, d. h. großer Meßspannung der Kondensator bei gleichem Widerstand kleiner sein müßte, um das Meßsignal nicht zu verfälschen.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird der Umrichter gemäß der Erfindung zur Lösung der genannten Aufgabe in der im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgebil­ det. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine exakte Strombegrenzung und/oder Current-Mode-Regelung in einem besonders großen Lastbereich. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn ein Strom innerhalb eines großen Arbeitsbereiches geregelt werden soll oder wenn eine Strombegrenzung in einem weiten Bereich einstellbar sein soll.

Als Zweipol mit spannungsabhängiger Kapazität kann die Sperr­ schichtkapazität einer Halbleiterstruktur, z. B. eines Bipolar­ oder Feldeffekttransistors dienen.

Vorzugsweise ist der Zweipol mit spannungsabhängiger Kapazität entsprechend Anspruch 2 durch eine Halbleiterdiode gebildet.

Durch die Maßnahmen nach den Ansprüchen 3 bis 5 ergibt sich in vorteilhafter Weise jeweils bei geringem Aufwand und großer Zu­ verlässigkeit eine Unterdrückung der Einschaltstromspitzen in einem großen Lastbereich in Verbindung mit einer weitgehend unverfälschten Meßspannung.

Der nach Anspruch 6 vorgesehene Stromwandler mit Gleichrichter­ diode und Bürdenwiderstand gestattet es, die Schaltungsanord­ nung durch entsprechende Bemessung des Bürdenwiderstandes und Auswahl des Zweipoles mit spannungsabhängiger Kapazität hin­ sichtlich der minimalen Verfälschung der Meßwerte und Unter­ drückung der Einschaltstromspitzen in besonderem Maße zu opti­ mieren.

Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 1 bis 3 darge­ stellten Ausführungsbeispiele sowie anhand der aus den Fig. 4 bis 7 ersichtlichen Diagramme näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Umrichter in Eintaktschaltung mit einer Schal­ tungsanordnung zur Stromistwertbildung,

Fig. 2 ein RC-Glied mit einem stromabhängigen Widerstand im Längszweig,

Fig. 3 ein RC-Glied mit einem stromabhängigen Widerstand im Längszweig und einer spannungsabhängigen Kapazität im Querzweig,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von Bürdenspannungen mit Einschalt­ spitze,

Fig. 5 den Verlauf von durch herkömmliche Tiefpaßfilterung aus den Bürdenspannungen nach Fig. 4 gewonnenen Meßspan­ nungen und

Fig. 6 den Verlauf von Meßspannungen bei einem erfindungsgemäßen Umrichter.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Eintakt-Durchflußumrichter liegt die Eingangsspannung U_E am Kondensator 1 und die Ausgangsspan­ nung U_A am Kondensator 9. Parallel zum Kondensator 1 liegt eine aus der Primärwicklung 51 des Transformators 5, der Source- Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 7 und der Primärwick­ lung 31 des Stromwandlers 3 gebildete Serienschaltung. Zwischen der Sekundärwicklung 52 des Transformators 5 und dem Kondensa­ tor 9 liegt die Gleichrichterdiode 61. In einem auf die Gleich­ richterdiode 61 folgenden Querzweig ist die Freilaufdiode 62 angeordnet. In einem Längszweig zwischen Freilaufdiode 62 und Kondensator 9 liegt die Drossel 8. Anstelle des Stromwandlers 3 mit Diode 21 und Bürdenwiderstand 22 kann als Stromsensor gegebenenfalls ein Meßwiderstand Verwendung finden.

Die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 7 ist an den Ausgang e der Steuerschaltung 4 angeschlossen. Der Meßwert­ eingang c, d der Steuerschaltung 4 liegt am Ausgang der Schal­ tungsanordnung 2 zur Stromistwertbildung. Zwischen der Wick­ lung 32 des Stromwandlers 3 und der Steuerschaltung 4 liegt eine Kettenschaltung zweier Halbglieder. Das erste Halbglied dieser Kettenschaltung besteht aus der Gleichrichterdiode 21 im Längszweig und dem Widerstand 22 im darauffolgenden Querzweig. Das zweite Halbglied besteht aus dem Widerstand 23 im Längs­ zweig und der Kapazitätsdiode 24 im Querzweig. Dabei ist der mit einem Punkt markierte Anfang der Sekundärwicklung 32 über die aus der Gleichrichterdiode 21 und dem Widerstand 23 be­ stehende Serienschaltung an den Eingangsanschluß d der Steuer­ schaltung 10 geführt. Das Ende der Sekundärwicklung 32 ist un­ mittelbar mit dem anderen Eingangsanschluß c der Steuerschal­ tung 4 verbunden. Parallel zum Eingang c, d liegt die Kapa­ zitätsdiode 24.

Bei dem Umrichter nach Fig. 1 enthält das Halbglied 23, 24 eine spannungsabhängige Kapazität, die bei niedriger Spannung groß und bei höherer Spannung kleiner ist. Diese spannungsab­ hängige Kapazität ist zweckmäßigerweise die Sperrschichtkapa­ zität einer Halbleiterdiode, insbesondere einer Kapazitäts- oder Abstimmdiode oder eine Sperrschichtkapazität eines Bi­ polar- oder Feldeffekttransistors. Vorteilhaft ist eine Ab­ stimmdiode mit großem Kapazitätsverhältnis, z. B. die Diode BB512, deren Kapazität bei einer Spannung von 1 V den Wert 470 pF und bei einer Spannung 8 V den ungefähren Wert 25 pF hat.

Bei dem Eintakt-Durchflußumrichter nach Fig. 1 steigt der Strom im Primärkreis während der Einschaltdauer des durch den Feldeffekttransistor 31 gebildeten primären Leistungshalblei­ ters rampenförmig an. Dieser Strom wird mittels des Stromwand­ lers 32 und der daran angeschlossenen Gleichrichteranordnung 21, 22 in eine Bürdenspannung U₃ umgewandelt. Die so gewonnene Bürdenspannung wird mit Hilfe des darauffolgenden Halbgliedes 23, 24 in die Meßspannung U_M umgesetzt. Dieses Meßsignal wird in der Steuerschaltung 4 als Stromistwert zur Strombegrenzung und/oder Current-Mode-Regelung benutzt.

Durch Kapazitäten und Sperrverzögerung anderer beteiliger Leistungshalbleiter auf der Primär- und/oder Sekundärseite des Umrichters ist dem Stromimpuls eine unvermeidliche Einschalt­ stromspitze überlagert, wie sie in Fig. 4 an den Kurven A1 und B1 beispielhaft gezeigt ist. Diese Einschaltstromspitze würde bei der Weiterverarbeitung des Meßsignals erheblich stören. Mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung wird sie weitgehend unterdrückt, ohne den weiteren Verlauf des Meßsi­ gnals wesentlich zu verändern.

Fig. 4 zeigt in Kurve A1 den Verlauf der Bürdenspannung U_B bei kleinem und in Kurve B1 den Verlauf der Bürdenspannung U_B bei großem Strom. In beiden Fällen ist am Anfang der Rampe eine Einschaltspitze vorhanden, deren Amplitude die Spannungswerte übersteigt, den die Rampe an ihrem zeitlichen Ende annimmt. Diese Bürdenspannung ist daher nicht als solche für eine Strom­ begrenzung und/oder Current-Mode-Regelung geeignet, bei der eine rampenförmig ansteigende Meßspannung mit einer Referenz­ spannung verglichen und zum Zeitpunkt einer festgestellten Übereinstimmung beider Spannungen der Schalttransistor des Reglers gesperrt wird.

Bei dem eingangs genannten bekannten Umrichter wird die Ein­ schaltstromspitze mit Hilfe eines Tiefpasses bzw. RC-Filters mit spannungsunabhängiger Kapazität unterdrückt. Dabei wird mit Hilfe einer Tiefpaßschaltung aus der Bürdenspannung eine Meß­ spannung gewonnen, die am Anfang der Rampe kleiner als am Ram­ penende ist.

Fig. 5 zeigt derart gewonnene Meßspannungen, und zwar in Kur­ ve A2 für großen und in Kurve B2 für kleinen Strom. Das RC- Glied ist für kleinen Strom optimiert. Die Kurve B2 zeigt da­ her einen zeitlichen Verlauf, der der gewünschten Rampenform weitgehend entspricht. Allerdings zeigt die Kurve A2 für großen Strom einen Verlauf, der nicht ohne weiteres mit dem gewün­ schten Verlauf, nämlich einer Kurve nach Fig. 4, Kurve A1, je­ doch ohne Einschaltspitze, vergleichbar ist. Die Tiefpaßschal­ tung führt vielmehr bei größeren Strombereichen zu erheblichen Verfälschungen des Meßsignals, da das RC-Glied nur für einen bestimmten Strom optimal dimensioniert werden kann.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Meßspannungen bei einem erfin­ dungsgemäßen Umrichter. Für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit einer Abstimmdiode 24 als Kapazität ergibt sich aus dem Strommeßsignal B1 am Widerstand 22 ein Meßsignal B3 und aus dem Strommeßsignal A1 am Widerstand 22 ein Meßsignal A3 an der Kapazitätsdiode 24. Die Kurve B3 für kleinen Strom hat eine große Ähnlichkeit mit der Kurve B2 nach Fig. 5. Dies ergibt sich dadurch, daß bei der Optimierung des Widerstands 23 des Umrichters nach Fig. 1 der Umrichter zunächst mit minimaler Ausgangslast betrieben und der Widerstand 23 dabei erforder­ lichenfalls so verändert wird, daß die Anfangsspitze der Meß­ spannung U_M das Ende der Rampe mit Sicherheit nicht überragt.

Darüber hinaus ist die Bürde und damit die Bürdenspannung sowie in entsprechender Weise die Vergleichsspannung, mit der die Bürdenspannung verglichen wird, im Hinblick auf die Kennlinie der Kapazitätsdiode so gewählt, daß auch bei maximaler Aus­ gangslast die Anfangsspitze der Meßspannung U_M mit Sicherheit das Ende der Rampe nicht überragt. Gegebenenfalls wird der be­ schriebene Optimierungsvorgang wenigstens einmal wiederholt, um den gewünschten Optimum möglichst nahe zu kommen.

Das Ergebnis einer solchen Bemessung geht aus Fig. 6, Kurven A3 und B3 hervor. Wie Fig. 6 zeigt, wird das Meßsignal, das sich bei einem Umrichter nach Fig. 1 bei Vollast ergibt, be­ dingt durch die spannungsabhängige Verringerung der Siebkapa­ zität in einem weiten Strombereich wesentlich weniger ver­ fälscht, als es bei Verwendung eines Tiefpasses mit einem Kondensator fester Kapazität der Fall wäre.

Bei Kurzschluß des Umrichters kann die Pulsbreite des Stromes sehr klein werden. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird auch in diesem Fall eine größere Verfälschung des Strom­ meßsignals zu Anfang der Stromrampe vermieden. Dadurch ergibt sich, daß in diesem Bereich nicht ein geringerer Strom nach der Filterschaltung gemessen wird, als in Wirklichkeit fließt, was zu Kurzschlußströmen führen würde, die mit kleiner werdender Impulsbreite steigen.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten RC-Glieder können jeweils an die Stelle des aus dem Widerstand 23 und der Kapazitätsdiode 24 bestehenden RC-Gliedes treten. Dabei ist jeweils der Eingang des RC-Gliedes mit a1, a2 und der Ausgang mit b1, b2 bezeichnet.

Bei dem RC-Glied nach Fig. 2 liegt im Längszweig die Parallel­ schaltung der beiden Dioden 23a und 23b. Im darauffolgenden Querzweig liegt der Kondensator 24a. Über die Diode 23b wird der Kondensator 24a aufgeladen. Diese Diode 23b ist zweckmäßi­ gerweise durch eine PIN-Diode gebildet, deren Durchlaßwider­ stand eine vorgegebene Abhängigkeit vom Strom hat. Die weitere Diode 23a die eine Entladung des Kondensators 24a ermöglicht, kann ebenfalls eine PIN-Diode sein.

Das RC-Glied nach Fig. 3 ergibt sich aus dem RC-Glied nach Fig. 2 dadurch, daß anstelle des Kondensators 24a die Kapazitäts­ diode 24 tritt. Bei diesem RC-Glied ist im Längszweig ein stromabhängiger Widerstand und im Querzweig eine spannungsab­ hängige Kapazität vorgesehen, so daß der genannte Effekt einer Unterdrückung der Einschaltstromspitzen in einem großen Lastbe­ reich in Verbindung mit einer weitgehend unverfälschten Meß­ spannung in besonderem Maße erzielt wird.

In Fig. 1 ist ein Gleichstromumrichter gezeigt. Die beschrie­ bene Unterdrückung der Anfangsstromspitze kann jedoch in ent­ sprechender Weise bei anderen getakteten Stromversorgungsge­ räten, insbesondere bei Sperrumrichtern Verwendung finden.

Claims (6)

1. Schaltender Umrichter mit einer Schaltungsanordnung zur Stromistwertbildung, mit einem in einem Hauptstromkreis des Umrichters angeordneten elektronischen Schalter (7) und mit einem in Serie zum elektronischen Schalter (7) angeordneten, von rampenförmigen Stromimpulsen durchflossenen Stromsensor (3), wobei der elektronische Schalter (7) mit seinem Steuer­ eingang an einen Steuerausgang (e) einer Steuerschaltung (10) angeschlossen ist, die mit einem Eingang (c, d) am Ausgang der Schaltungsanordnung zur Stromistwertbildung liegt und die Fol­ gefrequenz und/oder das Tastverhältnis der an ihrem Steueraus­ gang (e) abgegebenen Steuerimpulse in Abhängigkeit vom Strom­ istwert dadurch steuert, daß der zeitlich ansteigende Momen­ tanwert des rampenförmigen Stromimpulses mit einem Referenz­ wert verglichen wird, und wobei die Schaltungsanordnung (2) zur Stromistwertbildung einen zwischen dem Stromsensor (21) und ihrem Ausgang (c, d) angeordnetes RC-Glied enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des RC-Gliedes durch einen Zweipol mit span­ nungsabhängiger Kapazität gebildet ist, dessen Kapazität bei hohen Spannungen kleiner als bei niedrigen Spannungen ist und/ oder der Widerstand des RC-Gliedes durch einen Zweipol mit stromabhängigem Widerstand gebildet ist, dessen Widerstands­ wert bei kleinem Strom groß und bei großem Strom klein ist.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol mit spannungsabhängiger Kapazität durch eine Halbleiterdiode gebildet ist.

3. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode eine Kapazitätsdiode ist.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol mit stromabhängigem Widerstand durch eine Antiparallelschaltung zweier Dioden gebildet ist.

5. Umrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die für den den Kondensator des RC-Gliedes aufladenden Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode eine PIN-Diode ist.

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor durch einen Stromwandler (3) gebildet ist und daß an die Sekundärwicklung (32) des Stromwandlers (3) eine Kettenschaltung zweier Halbglieder angeschlossen ist und daß das in der Serienschaltung erste Halbglied im Längszweig eine Gleichrichterdiode (21) und im Querzweig einen ohmschen Wider­ stand (22) enthält und daß das in der Serienschaltung zweite Halbglied durch das RC-Glied mit stromabhängigem Wider­ stand und/oder spannungsabhängiger Kapazität gebildet ist.