DE4209214C2 - Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen, insbesondere von durch Streuinduktivitäten hervorgerufene Spannungsspitzen in Schaltregler- Sekundärkreisen (DE-OS 19 52 016).

In Schaltreglern, insbesondere solchen mit hohen Schaltfrequenzen, sind in den Sekundärkreisen schnelle Dioden mit hoher Sperrspannung und sehr kleiner Durchlaßspannung wichtig, um die Verlustleistung gering zu halten. Damit Überstrom-Schutzkreise nicht unbeabsichtigt zum Ansprechen kommen, sollten die Dioden in den Sekundärkreisen eine kleine Rückwärts-Erholzeit und einen kleinen Ausräumstrom aufweisen (Schaltnetzteile. Motorsteuerungen, Otto Macek, 1982, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, Seiten 228 bis 235, insbesondere Seite 233).

Bei kurzen Rückwärts-Erholzeiten können insbesondere wegen der Polaritätsumkehr an Induktivitäten Überschwinger auftreten, die die zulässige Sperrspannung der Diode beträchtlich überschreiten können. Zur Dämpfung derartiger Spannungsspitzen ist es aus vorgenanntem Dokument, US 4,688,157 oder aus DE-OS 19 52 016 bekannt, der Diode eine Serienschaltung, bestehend aus einem RC-Glied, parallel zu schalten. Dämpfungsglieder dieser Art führen zu Signalverfälschungen des Nutzsignals und beeinträchtigen damit die Regeleigenschaften des Schaltreglers, insbesondere wenn aus der Ausgangsspannung ein Regelsignal abgeleitet werden soll. Außerdem erzeugen solche Dämpfungsglieder erhebliche Verluste. Die US 4,688,157 offenbart der Leistungsdiode im Sekundärkreis eine weitere Diode parallel zu schalten um Regelschwingungen zu dämpfen.

Wenn man die Gleichrichterdioden in Schaltregler- Sekundärkreisen durch gesteuerte Schalter zur Erzielung besserer Eigenschaften ersetzt oder ergänzt, vgl. z. B. DE 36 05 417 C1, sind Steuerschaltungen und/oder spezielle Hilfskreise notwendig.

Die DE-OS 19 52 016 zeigt einen Nebenpfad für die Entlastung der sekundärseitigen Leistungsdiode, bestehend aus einem Kondensator und einer Diode mit gleicher Polarität wie die Leistungsdiode. Außerdem ist ein Ladepfad für den Kondensator vorgesehen, welcher parallel zu einer Induktivität, z. B. der Sekundärwicklung eines Schaltregler-Transformators, liegt. Der Kondensator wird geladen, wenn die Diode infolge einer Spannungsumkehr an der Induktivität zu sperren beginnt. Eine Entlastungsschaltung mit einem Kondensator und einer Diode zeigt auch die DE 34 47 844.

Zum Schutz eines Feldeffekttransistors, welcher im Sekundärkreis als Schaltreglerstellglied eines Gleichspannungswandlers vorgesehen ist, ist in der JP 2-299463 ein Entlastungskreis vorgesehen, gebildet aus der Serienschaltung eines Kondensators und einem Widerstand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen anzugeben, die bei wenig Verlustleitung keine Signalverfälschungen für eine Regelung eintreten läßt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.

Die Anordnung der Erfindung gestattet eine wirksame Unterdrückung von Spannungsspitzen, ohne großen Zusatzaufwand. Insbesondere durch Streuinduktivitäten hervorgerufene Spannungsspitzen ("Nadeln" hoher Spannung im Mikrosekundenbereich) können abgebaut werden. Durch vorteilhafte Dimensionierung kann erreicht werden, daß die Anordnung erst ab Erreichen eines vorgegebenen Spannungsschwellwertes anspricht, so daß keine Signalverfälschung für eine Regelung und eine unnötige Verlustleistung betragsmäßig oberhalb diesem Schwellwert auftritt. Durch die geringe Eigenverlustleistung eignet sich die Anordnung für Fernspeiseanlagen mit niedriger Betriebsspannung und hohen Lastströmen. Die Auswahl der sekundärseitigen Diode/n ist durch die Kappung der Spannungsspitzen unkritischer. Trotz hoher Lastströme sind keine aufwendigen Kühlmaßnahmen erforderlich.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen,

Fig. 2 den Spannungsverlauf an einem Speicherkondensator und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen mit einem zusätzlichen Ausgang.

Fig. 1 zeigt einen Schaltregler in Form eines Sperrwandlers mit einem Transistor T1 als Stellglied. Dieser Schaltregler weist zur galvanischen Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis einen Transformator mit einer Primärwicklung mit der Induktivität L1 und einer Sekundärwicklung mit der Induktivität L2 auf. Die Diode D1 dient als Gleichrichter im Sekundärkreis. Über dem Glättungskondensator CK ist an den Klemmen 1-2 die Ausgangsspannung UA verfügbar. Über die Auswertung der Ausgangsspannung UA in einem Regler RE wird das Steuersignal für das Stellglied T1 gewonnen.

Wenn der Transistor T1 abgeschaltet wird, beginnt die Diode D1 zu sperren. Die Spannung an der Sekundärwicklung kehrt sich um. Ohne die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzung würde an der Diode D1 eine "Spannungsnadel" (SN in Fig. 2) auftreten, hervorgerufen durch die Streuinduktivität LS des Transformators in Verbindung mit dem Diodenausräumstrom. Diese Oberschwingung kann dabei Amplitudenwerte annehmen, die doppelt so groß sind wie die Grundwelle. Zum Abbau dieser Spannungsnadel ist parallel zur Diode D1 ein Nebenpfad vorgesehen, bestehend aus der Serienschaltung des Kondensators C1, dem Entladewiderstand R1 und der Diode D3, welche gleichsinnig zur Diode D1 gepolt ist. Außerdem ist ein Ladepfad für den Kondensator C1 vorgesehen, der parallel zur Induktivität L2 der Sekundärwicklung des Transformators liegt und aus der Serienschaltung des Kondensators C1 und einer Diode D2 besteht, die entgegen der Flußrichtung der Diode D1 geschaltet ist.

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf am Kondensator C1. Während der Phase I ist die Diode D1 noch leitend. Das Potential am Verbindungspunkt P des Kondensators C1 mit der Diode D2 ist höher als das Potential der Ausgangsklemme 1. Es fließt der Strom I1 über die Induktivität L2, den Kondensator C1, den Entladewiderstand R1, die Diode D3 und die Last RL. Der Kondensator C1 wird dadurch entladen. Das anodenseitige Potential der Diode D1 ist negativer als am Punkt P und zwar so lange, bis sich der Kondensator C1 auf eine solche Spannung entladen hat, daß die Diode D2 leitend wird. Es fließt dann der Ladestrom I2 (Phase II) über die Induktivität L2, die Diode D2 und den Kondensator C1. Durch die Ladung des Kondensators C1 wird die Spannungsnadel SN auf den Schwellwert UC1 gekappt, der betragsmäßig etwas größer gewählt ist als die Nenn-Sperrspannung US der Diode D1. Der Schwellwert UC1 kann je nach den Bedürfnissen durch geeignete Dimensionierung des Kondensators C1 und dem Entladewiderstand R1 vorgegeben werden.

Als Verlustenergie entsteht nur der betragsmäßig oberhalb des Schwellwertes UC1 in der Spannungsnadel SN befindliche Energieinhalt (in Fig. 2 schraffierte Fläche). Betragsmäßig unterhalb des Schwellwertes gelegene Energieanteile werden nicht in Verlustenergie umgesetzt. Die Flanke der Spannungsnadel SN insbesondere im Bereich zwischen US und UC1 bleibt unverzerrt erhalten und steht für Regelungszwecke (z. B. UA-Regelung) weiter zur Verfügung.

Der Entladewiderstand R1 ist so zu dimensionieren, daß die vom Kondensator C1 aufgenommene Energie während der Zeit, in der der Transistor T1 abgeschaltet ist, abgegeben werden kann, so daß bei einem neuen Schaltzyklus (Kehrwert der Arbeitsfrequenz des Schaltreglers) der Kondensator C1 zur erneuten Energieaufnahme vorbereitet ist. In einer aufgebauten Schaltung wurde für den Entladewiderstand R1 ein Wert von 200 kOhm gewählt.

Der Kondensator C1 sollte so groß bemessen werden, daß die Energie aus der Streuinduktivität LS des Transformators oberhalb des Schwellwertes UC1 voll aufgenommen werden kann (schraffierte Fläche in Fig. 2). Ein Wert von 10 nF war in der aufgebauten Schaltung ausreichend.

Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltung eignet sich nicht nur für Schaltregler, sondern für alle Schaltungen, wo durch Spannungsumkehr an Induktivitäten/Streuinduktivitäten angeschlossene Gleichrichter zu sperren beginnen. Zur Entladung für den Kondensator C1 eignen sich nicht nur ohmsche Widerstände, sondern auch andere Entladeelemente, z. B. Zenerdioden oder Stromsenken. So kann beispielsweise die Serienschaltung der Diode D3 mit dem Widerstand R1 durch eine Zenerdiode ersetzt werden oder durch geeignete verlustarme Schaltkreise zur Energieabgabe. Anstelle der Abgabe der Energie des Kondensators C1 auf den Ausgang 1-2 über den Widerstand R1 und die Diode D3 kann auch ein zusätzlicher Ausgang (Klemmen 1-3 in Fig. 3) bzw. ein dort angeschlossener Verbraucher mit der Energie aus dem Kondensator C1 gespeist werden. Zu diesem Zweck kann die Einrichtung E1 im Nebenpfad der Diode D1 eine Zenerdiode aufweisen, deren eine Elektrode als Klemme 3 herausgeführt ist und an der die Ausgangsspannung UA1 ansteht.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann natürlich auch mehrfach, z. B. in weiteren Sekundärkreisen von Schaltreglern, vorgesehen sein.

Claims (6)

1. Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen, insbesondere von durch Streuinduktivitäten hervorgerufene Spannungsspitzen in Schaltregler-Sekundärkreisen mit folgenden Merkmalen:

• a) einer Diode (D1) zur Gleichrichtung des Nutzsignals,
• b) einem Nebenpfad (C1, R1, D3) für die Diode (D1), in welchem ein Kondensator (C1) und ein zugehöriges Entladeelement (R1) liegt, wobei der Kondensator und das Entladeelement (R1) so gewählt ist, daß die Anordnung zur Begrenzung erst ab einem Spannungsschwellwert (UC1) anspricht, der betragsmäßig etwas größer gewählt ist als die zulässige Nenn-Sperrspannung der Diode (D1) und wobei die betragsmäßig oberhalb dieses Schwellwertes (UC1) gelegenen Energieanteile über den Nebenpfad auf einen Ausgang des Schaltreglers abgebbar sind,
• c) einem Ladepfad (D2) für den Kondensator (C1) parallel zu einer Induktivität/Streuinduktivität (LS) zur Aufnahme der Energie der induktivität/Streuinduktivität (LS), wenn die Diode (D1) infolge einer Spannungsumkehr an der Induktivität/Streuinduktivität (LS) zu sperren beginnt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C1) zur Realisierung des Ladepfades eine Diode (D2) in Serie geschaltet ist, wobei diese Diode (D2) entgegen der Flußrichtung der Diode (D1) zur Gleichrichtung des Nutzsignals geschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenpfad für die Diode (D1) zur Gleichrichtung des Nutzsignals aus der Serienschaltung des Kondensators (C1), einem Entladewiderstand (R1) und einer weiteren Diode (D3) besteht, die gleichsinnig zur Diode (D1) zur Gleichrichtung des Nutzsignals gepolt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladeelement/der Entladewiderstand (R1) so bemessen ist, daß der Kondensator (C1) in einer Zeit entladen werden kann, die wesentlich kleiner ist als der Kehrwert der Arbeitsfrequenz eines Schaltreglers, der mit der Anordnung ausgestattet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) mindestens so groß bemessen ist, daß für die Zeit der Schwellenüberschreitung die gesamte von der Induktivität/Streuinduktivität (LS) abgebbare Energie von ihm aufnehmbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenpfad einen separaten Ausgang (3, 1) aufweist zur Abgabe der Energie des Energiespeichers (C1) auf diesen Ausgang, bzw. eine daran angeschlossene Last.