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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Überstromschutz von Halbleiterschaltern,
wie sie beispielsweise für
die Pulsbreitenmodulation in Sinuswellendimmern, insbesondere bei
Bedingungen mit niedriger Spannung und niedrigem Tastgrad verwendet
werden.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Hochfrequenz-Hochleistungs-Halbleiterschalter,
und zwar Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate-Anschluss
(IGBTs) werden in Schaltsystemen für getaktete oder Pulsbreitenmodulations (PWM)-Stromversorgungen
verwendet. Eine Anwendung für
derartige Systeme sind Lampendimmer. In dieser Anwendung wird eine
Lampe von einem Dimmer mit Strom versorgt, so dass die Lampe mit
veränderlichen,
ausgewählten
Lichtintensitätsniveaus betrieben
werden kann. Beispielsweise werden Leuchten für Theater-, Architektur- und
andere Anwendungen häufig
durch Dimmer mit Arbeitsstrom versorgt.
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Phasenanschnittsdimmer
für diesen
Zweck sind wohl bekannt und umfassen typischerweise Halbleiterschalter,
wie beispielsweise SCRs zum Verbinden einer Wechselstromquelle mit
einer Lampenlast. Eine Phasensteuerungsschaltung macht einen Halbleiterschalter
an einem Punkt während
eines Halbzyklus der sinusförmigen
Versorgungs-Wechselspannung
leitend, wobei der Punkt gewählt
wird, um einen Lampenarbeitspuls mit einer gewünschten Menge an Leistung an
die Lampe zuzuführen,
um Lichtintensität
eines gewünschten
Niveaus zu erzeugen. Das abrupte Niederfrequenzschalten während der
Halbzyklen der Stromversorgung und die resultierenden abrupten Amplitudenänderungen
im an eine Leuchte zugeführten
Strom können
Probleme mit elektrischem Rauschen und mechanischem Kathodenrauschen
verursachen, die ausgiebiges Filtern erfordern. Bei manchen Dimmeranwendungen
kann das mit dem Phasenanschnittsdimmen verbundene Rauschen selbst
mit Filterung inakzeptabel sein. Darüber hinaus haben Phasenanschnittsdimmer
den Nachteil, dass sie harmonische Verzerrungen in die Netzstromversorgung reflektieren
können.
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Um
die potenziellen Probleme zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, Pulsbreitenmodulationsverfahren
mit bei einer höheren
Frequenz arbeitenden Halbleiterschaltern zu verwenden. Bei dieser
Art von Dimmerstromversorgung, die als getaktete oder PWM-Stromversorgung
bekannt ist, wird die Lichtintensität durch Ändern des Pulsbreitenmodulations-Tastgrads
verändert.
Der Ausgang kann, nach dem Filtern in einem Ausgangslastfilter,
eine Form haben, die der Stromversorgungs-Wellenform mit gedämpfter Amplitude ähnlich ist.
Typischerweise handelt es sich sowohl bei der Eingangsstromversorgung
als auch beim gedämpften
Ausgang um Sinuswellen. Aus diesem Grund werden PWM-Dimmer auch
als Sinuswellendimmer beschrieben.
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Um
Schäden
an den Komponenten des Dimmers und im Ausgangskreis zu vermeiden,
wird ein Überstromschutz
vorgesehen. In der Vergangenheit wurden in einem Versuch, Überstromschäden zu verhindern,
auf den Eingangsstrom ansprechende Schutzschalter im Eingangskreis
zwischen der Wechselstromversorgung und der Leistungsschaltstufe
eingesetzt. Schutzschalter sind jedoch langsam wirkende elektromechanische
Vorrichtungen, die nicht schnell genug reagieren können, um
den Strom durch Halbleiterschalter zu unterbrechen, bevor sie durch überhöhten Strom
beschädigt
werden. In unserer hängigen
US-Patentanmeldung
11/048,123, eingereicht am 31. Januar 2005 (veröffentlicht unter
US2005/0185353 ), offenbaren und
beanspruchen wir ein aktives Überstromschutzsystem,
das den Ausgangsstrom direkt am Halbleiterschalter abfühlt und
den Stromfluss als Reaktion auf einen Überstromzustand schnell unterbricht.
Das System nutzt sowohl Hardware- (bzw. elektronischen) Schutz als auch
programmierbaren (bzw. Software-)Schutz, um für Überstromschutz zu sorgen, der
unter den meisten Bedingungen wirksam ist, aus überhöhtem Stromfluss durch die Schaltvorrichtungen
resultierende Schäden
zu verhindern.
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Es
kann jedoch ein Problem vorliegen, wenn der Dimmer bei niedrigen
Spannungen und Dimmniveaus mit geringer Intensität arbeitet. Ein Hochfrequenz-Hochleistungs-Halbleiterschaltsystem,
wie beispielsweise ein Sinuswellendimmer funktioniert wie ein elektronischer
Transformator, wobei die Leistung im Eingangskreis der Leistung
im Ausgangs- oder Lastkreis entspricht. Bei Dimmniveaus mit geringer
angeforderter Lichtintensität
steht im Ausgangskreis eine relativ niedrige Spannung an. Wenn im Ausgangskreis
ein Kurzschluss oder ein Zustand mit geringer Impedanz vorliegt,
kann ein hoher Strom im Ausgangskreis vorhanden sein. Der Strom
im Eingangskreis ist jedoch geringer, da die Spannung im Eingangskreis
höher ist.
Ein Schutzschalter oder eine andere Strom abfühlende Vorrichtung im Eingangskreis
kann nicht zuverlässig
vor hohen Strömen
im Ausgangskreis schützen.
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Obwohl
die aktive Überstromschutzschaltung
unserer US-Patentanmeldung 11/048,123, eingereicht am 31. Januar
2005 (veröffentlicht
unter
US2005/0185353 ),
vor manchen Überstromzuständen bei
niedrigen Spannungen schützen
kann, reagiert diese Schaltung schnell auf Ströme über einem relativ hohen Schwellenwert.
Der hohe Schwellenwert erlaubt es beispielsweise dem Dimmer, hohe Kaltfaden-
oder reaktive Ballast-Einschaltstromspitzen zuzuführen. Unter
gewissen Bedingungen können
bei niedrigen Spannungen vorhandene Ströme für den Sinuswellendimmer oder
den Ausgangskreis schädlich
sein, selbst wenn die Ströme
unter dem Schwellenwert liegen.
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US-Patente 5,045,774 – Bromberg
und
5,424,618 – Bertenshaw
et al. offenbaren Sinuswellendimmer mit Abfühlvorrichtungen zum Abfühlen eines
Zustands im Lastkreis und zum Verwenden von Rückmeldungen zum Regeln des
Dimmers.
US-A-5,500,575 (Ionescu
et al.), 19. März
1996, offenbart einen getakteten Wechselstrom-Leistungsregler für eine Last,
wie beispielsweise ein großes Lampenfeld.
Der Regler umfasst einen Wechselstrom-Halbleiterschalter, ein Synchro-Schwungrad, eine
Eingangsspule und einen Eingangskondensator. Ein Stromsensor fühlt Strom
im Ausgangskreis ab. Der abgefühlte
Strom wird an einen synchronisierten Modulator zugeführt. Wenn
ein Überstromzustand
erkannt wird, kann der Halbleiterschalter in einen nichtleitenden
Zustand geschaltet werden.
US-A-5,239,255 (Schanin
et al.), 24. August 1993, offenbart ein phasengesteuertes Leistungsmodulationssystem,
das normalerweise im umgekehrten Phasensteuerungsmodus arbeitet,
aber in der Lage ist, als Reaktion auf eine Reihe verschiedener
den Stromkreis bedrohender Zustände,
einschließlich überhöhter Ströme, Spannungen
und Temperaturen, zu anderen Betriebsarten zu wechseln. In einer
Betriebsart wird ein Soll-Effektivwert um einen Korrekturwert angepasst,
um die Anstiegszeit zu verändern. Korrekturwerte,
die Unterschiede in der Wellenform reflektieren, sowie verschiedene
Hardware- und Softwareverzögerungen
können
in einer Tabelle in einem Mikroprozessor gespeichert werden.
US 2002/079849 (Mason
et al.), 27. Juni 2002, offenbart einen Wechselstromwandler. Strom
wird von einem Widerstand abgefühlt,
der mit dem Haupt-Halbleiterschalter
in Reihe geschaltet ist und der abgefühlte Wert wird an einen Hauptschalter-Regelkreis
geliefert. Im Regelkreis wird ein Überstromsignal verwendet, um
Fehlererkennung in der Last auszuführen. Wenn ein Stoßstrom erkannt
wird, wird die PWM-Pulsbreite
verringert und die Amplitude der Spitze wird reduziert. Klumpner
et al., "A New Matrix Motor
(MCM) for Industry Applications" 2000
IEEE Industry Applications Conference, 8.–12. Oktober 2002, IEEE Transactions
an Industrial Electronics, Vol. 49, No. 2, April 2002, offenbart
einen Hauptkreis mit einer Klemmenschaltung, die für den sicheren Motorbetrieb
in Fehlersituationen sorgt. Ein Klemmenkondensator gewährleistet
ausreichend Energie für
den Betrieb während
kurzer Stromausfälle.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserten Überstromschutz für Halbleiter-Schaltsysteme,
wie beispielsweise Schaltstromversorgungen mit Hochleistungs-Hochfrequenz-Halbleiterschaltern
bereitzustellen, insbesondere unter Bedingungen mit niedriger Ausgangsspannung.
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Kurz
ausgedrückt
wird gemäß der Erfindung ein
Verfahren für
den Überstromschutz
einer Halbleiter-Hochfrequenz-PWM-Schaltstromversorgung bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst das Filtern des Ausgangs eines Serien-Halbleiterschalters
und Zuführen
des gefilterten Ausgangsstroms an einen Lastkreis. Der gefilterte
Ausgangsstrom, der an den Lastkreis zugeführt wird, wird abgefühlt und
der abgefühlte
Ausgangsstrom wird an einen mikroprozessorbasierten programmierbaren
Controller zugeführt. Im
Controller wird eine Familie von Überstromprüfungen ausgeführt. Die
Familie von Prüfungen
umfasst mehrere verschiedene Prüfungen,
die durch die Anwesenheit verschiedener Ausgangsströme während verschiedener
Zeitdauern bestanden werden. Als Reaktion auf das Bestehen einer
beliebigen der Familie von Prüfungen
wird ein Überstromzustand
erzeugt. Der Serien-Halbleiterschalter wird als Reaktion auf den Überstromschutz
in einen nichtleitenden Zustand geschaltet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung, zusammen mit den vorangehend erwähnten und
anderen Aufgaben und Vorteilen kann am besten anhand der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
in den Zeichnungen veranschaulicht ist, verstanden werden, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Sinuswellendimmers mit einem Halbleiter-Schaltsystem ist, das
durch ein Niederspannungs-Überstromschutzsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschützt ist;
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2 ein
Schema des Eingangsnetzfilters des Dimmers ist;
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3 ein
Schema der Leistungsschaltstufe des Dimmers ist;
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4 ein
Schema des Laststromsensors und der Laststrom-Verarbeitungsschaltung
des Überstromschutzsystems
ist;
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5 eine
graphische Darstellung der Funktion des Überstromschutzsystems ist;
und
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6 ein
Ablaufdiagramm einer Routine ist, die vom programmierbaren Controller
ausgeführt wird,
um Überstromsignale
vom Laststromsensor und der Laststrom-Verarbeitungsschaltung zu verarbeiten.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Wie
in der Zeichnung zu sehen, ist 1 ein vereinfachtes
Blockdiagramm eines Sinuswellendimmers, der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet
ist und eine Halbleiter-Leistungsschaltstufe 26 hat. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Schaltstufe 26 und ein Ausgangskreis 25 durch ein
Niederspannungs-Überstromschutzsystem
geschützt,
dass gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und allgemein als 23 bezeichnet
ist.
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Der
Dimmer 20 ist an eine herkömmliche Netzstromversorgung 22 angeschlossen,
die eine sinusförmige
Wechselstromversorgungs-Wellenform mit beispielsweise 60 Hertz und
nominell 120 Volt Wechselspannung liefert. Der Dimmer 20 liefert
Ausgangsleistung an eine Last 24, die im Ausgangskreis oder
Ausgangs-Zweigkreis 25 enthalten ist. In einer typischen Anwendung,
kann es sich bei der Last 24 um eine Widerstandslast wie
beispielsweise eine Glühlampe
oder eine reaktive Last, wie beispielsweise eine Stromversorgung
für eine
Gasentladungslampe oder Leuchtstofflampe handeln. Der Zweigkreis 25 umfasst
Leiter und Verbinder und erstreckt sich typischerweise zu einer
Lampe oder einem Lastort, die bzw. der vom Dimmer 20 entfernt
ist. Die Leistungsschaltstufe 26 nutzt Pulsbreitenmodulation (PWM),
um die Eingangsleistung zu dämpfen
und reduzierte Ausgangsleistung an die Last zuzuführen.
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Ein
Eingangsnetzfilter 28 filtert Rauschen heraus, das auf
dem Stromversorgungssignal vorhanden sein kann und gewährleistet
die Zufuhr sauberen Wechselstroms an die Leistungsschaltstufe 26.
Außerdem
filtert der Eingangsnetzfilter 28 Schaltrauschen von der
Leistungsschaltstufe 26 heraus und verhindert, dass Rauschen
an die Stromversorgung 22 zurück geleitet wird. Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Eingangsnetzfilter 28, wie er in 2 zu
sehen ist, um einen Netzfilter hoher Ordnung mit einer Gleichtaktspule 30,
Differenzspulen 32, Differenz-X-Kondensatoren 34 zwischen
Phase und Nullleiter und Gleichtakt-Y-Kondensatoren 36 zwischen Phase/Nullleiter
und Masse.
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Das
PWM-Schalten arbeitet bei einer hohen Frequenz, beispielsweise über 20.000
Hertz, wobei 50.000 Hertz derzeit bevorzugt werden. Der Ausgangslastfilter 38 filtert
die PWM-Schaltfrequenz der Leistungsschaltstufe 26 heraus
und rekonstruiert die Ausgangsspannungs-Wellenform zu einer Sinuswelle
mit veränderlicher
Amplitude und Horizontalfrequenz mit der selben Frequenz wie die
Stromversorgungs-Sinuswelle. Vorzugsweise kann der Ausgangslastfilter
typischerweise eine Bypass-Kapazität umfassen, die durch den Kondensator 40 dargestellt wird.
Die Hauptkomponente des Lastfilters ist eine mit der Last 24 in
Reihe geschaltete Ausgangsspule 42, die Energie speichert
und die Ausgangswellenform glättet.
Um einen größeren Bereich
von Lastwerten berücksichtigen
zu können,
handelt es sich bei der Spule 42 vorzugsweise um eine Pendelspule. Beispielsweise
kann die Spule 42 eine Recktanz von 10 mH bei einem Ausgangsstrom
von 0,25 A, eine Recktanz von 1 mH bei einem Ausgangsstrom von 10
A und eine Recktanz von 0,5 mH bei einem Ausgangsstrom von 20 A
haben.
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Die
Leistungsschaltstufe 26 umfasst einen Serienschaltabschnitt 44,
der zwischen der Stromversorgung 22 und der in Reihe geschalteten
Last 24 und Lastspule 42 in Reihe geschaltet ist.
Die Leistungsschaltstufe 26 umfasst außerdem einen Klemmenschaltabschnitt 46,
der über
die in Reihe geschaltete Last 24 und Lastspule 42 nebengeschlossen
ist. Der Serienschaltabschnitt 44 wird mit hoher Frequenz
mit einem PWM-Signal mit einem Tastgrad, der dazu gewählt ist,
eine einem gewünschten
Dimmniveau entsprechende gewünschte
Ausgangsspannung zu liefern, abwechselnd leitend und nichtleitend gemacht.
Der Klemmenschaltabschnitt 46 wird vom Umkehrsignal des
PWM-Signals abwechselnd nichtleitend und leitend gemacht, so dass
der Klemmenschaltabschnitt 46 nichtleitend ist, wenn der
Serienschaltabschnitt 44 leitend ist und so dass der Serienschaltabschnitt 44 nichtleitend
ist, wenn der Klemmenschaltabschnitt 46 leitend ist. Die
Leistungsschaltstufe 26 arbeitet vorzugsweise mit einer
hohen Frequenz von mindestens 20 Kilohertz, wobei ungefähr 50 Kilohertz
bevorzugt werden.
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Ein
mikroprozessorbasierter programmierbarer Controller 56 regelt
die Funktion des Serien- und des Klemmenschaltabschnitts 44 und 46.
Der Controller 56 umfasst oder hat Zugang zu Programm- und
Datenspeicher und ist programmierbar mittels Anweisungen, die in
Form von von einem Daten-Eingabe-Ausgabe-Bus oder einer Daten-Eingabe-Ausgabe-Vorrichtung 58 empfangenen
Daten in den Programmspeicher geladen werden. Ein Beispiel eines programmierbaren
Controllers, der für
die Ausführung
der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist ein Modell 56F803 Hybrid-Digital-Signalprozessor
(DSP) und -Controller, der von Freestyle Semiconductor, Inc. (Motorola)
verkauft wird und in 56F803 Evaluation Module Hardware User's Manual (Evaluations-Modul-Hardware-Benutzerhandbuch),
Rev. 4, 06/03/2003 beschrieben ist.
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Der
Controller
56 liefert unter Softwareregelung über eine
Opto-Isolationsschaltung
60 und eine Treiberschaltung
62 Hochfrequenz-PWM-Serienschaltregelungssignale
an den Serienschaltabschnitt
44. Ebenso liefert der Controller
56 unter
Softwareregelung über
eine Opto-Isolationsschaltung
64 und eine Treiberschaltung
66 umgekehrte
Hochfrequenz-PWM-Serienschaltregelungssignale
an den Klemmenschaltabschnitt
46. Die Isolationsschaltungen
60 und
64 sowie
die Treiberschaltungen
62 und
66 sind in einer
Gate-Treiberstufe
54 eingeschlossen. Eine weitere Offenbarung
des Aufbaus und der Funktion von Komponenten des Dimmers
20,
einschließlich
der Regelung des Serien- und des Klemmenschaltabschnitts
44 und
46 der
Leistungsschaltstufe
26 durch den Controller
56 kann
dem
United States Patent 7,019,469 (Thurk
et al., eingereicht am 21. Oktober 2004) entnommen werden.
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Auf
der Leitung 50 empfängt
der Controller 56 ein Rückmeldungssignal,
das die Stromversorgungsspannung anzeigt. Dieses Signal wird unter Softwareregelung
für die
Leistungssignal-Nulldurchgangserkennung und zum Einstellen des PWM-
und des umgekehrten PWM-Regelungssignals verwendet, um die Ausgangsspannung
genau zu regeln, um die gewünschte
Ausgangsspannung und das gewünschte
Dimmniveau zu erreichen. Ein mit der Leistungsschaltstufe 26 assoziierter
Sensor 52 liefert ein Betriebstemperatur-Rückmeldungssignal,
das beispielsweise für
die Leistungssenkung bei überhöhter Temperatur
oder eine Abschaltfunktion verwendet werden kann.
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Ein
aktives, schnell wirkendes Überstromschutzsystem 48 verhindert
Schäden
an der Leistungsschaltstufe 26, falls Strom im Serienschaltabschnitt 44 einen
hohen Schwellenwert übersteigt. Das
System 48 umfasst mit dem Serienschaltabschnitt 44 assoziierte
Stromsensoren. Dem abgefühlten
Strom entsprechende Signale werden über eine störungsfeste Verbindung 65 mit
niedrigem Widerstand an einen Überstromerkennungs-Logikabschnitt 67 gekoppelt,
der sich in der Gate-Treiberstufe 54 befindet. Wenn sich
Halbleiterschaltvorrichtungen des Serienschaltabschnitts 44 in
einem Überstromzustand
befinden, liefert der Logikabschnitt 67 Überstromsignale
an den programmierbaren Controller 56. Der Controller 56 führt eine
Routine aus, um Überstromschäden an der
Leistungsschaltstufe 26 zu verhindern, indem der Serienschaltabschnitt 44 nichtleitend
gemacht wird und der Klemmenschaltabschnitt 46 leitend
gemacht wird. Der Überstrom-Schwellenwert für einen
Dimmer mit einer Nennstrombelastbarkeit von zwanzig Ampere ist vorzugsweise
ein hoher Wert von beispielsweise 205 A, um Kaltfaden-Einschaltstromspitzen
für eine
Glühlampe
oder andere Lampeneinschaltzustände
zuzulassen.
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Das
Niederspannungs-Überstromschutzsystem 23 der
vorliegenden Erfindung umfasst einen mit der Last 24 in
Reihe geschalteten Laststromsensor 57. Die Stromsensoren
für das
aktive Überstromschutzsystem 48 befinden
sich im Schaltabschnitt 44 und fühlen den geschalteten Strom
ab, bevor die Ausgangswellenform vom Ausgangslastfilter 38 geformt
wird. Der Laststromsensor 57 des Niederspannungs-Überstromschutzsystems 23 befindet
sich im Lastkreis zwischen dem Ausgangslastfilter 38 und der
Last 24 und fühlt
den Ausgangsstrom im Lastkreis 25 ab. Der abgefühlte Laststrom
wird über
eine Laststrom-Verarbeitungsschaltung 59 an
den programmierbaren Controller 56 gekoppelt. Der Controller 56 umfasst
einen Analog-Digital-(AD)-Wandlerabschnitt 61, der die
Laststrominformationen in digitaler Form an den Controller 56 liefert.
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Der
Controller 56 verarbeitet diese Laststrominformationen.
Im Controller 56 wird der Effektivwert des Laststroms berechnet
und gespeichert. Diese Information kann in Verbindung mit der Regelung des
Dimmens der Last 24 verwendet werden und kann über den
Bus oder die Vorrichtung 58 für die Nutzung durch einen entfernten
Controller oder durch einen Benutzer gekoppelt werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die gespeicherte Effektiv-Laststrominformation in
einer vom Prozessor 56 ausgeführten Routine verwendet, um
den Dimmer 20 und den Lastkreis vor einer Reihe verschiedener Überstromzustände zu schützen, einschließlich Niederspannungs-Überstromzuständen.
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Die
Leistungsschaltstufe 26 ist genauer in 3 gezeigt.
Der Serienschaltabschnitt 44 umfasst ein komplementäres Paar
von MOSFETs 68 und 70, die als ein bidirektionaler
Hochgeschwindigkeits-Hochleistungsschalter funktionieren, der in
Reihe zwischen einem mit dem Netzeingangsfilter 28 verbundenen
Stromversorgungsanschluss 72 und einem mit der Spule 42 des
Ausgangslastfilters 38 verbundenen Lastausgangsanschluss 74 in
Reihe geschaltet ist. Die MOSFETs 68 und 70 werden
von einem Hochfrequenz-PWM-Regelungssignal
gleichzeitig leitend bzw. nichtleitend gemacht, das vom Controller 56 geliefert
wird und über
die Opto-Isolatorschaltung 60 und die Treiberschaltung 62 über einen
Gate-Steuerungs-Eingangsanschluss 76 und einen Massenanschluss 77 angelegt
wird.
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Die
Strommesswiderstände 78 und 79 sind zwischen
Masse und den Sourceanschlüssen
der MOSFETs 68 und 70 angeschlossen, um Signale
an die Anschlüsse 80 und 81 für die Übertragung über die
Verbindung 65 zum Logikabschnitt 67 zu liefern. Die
Widerstände 78 und 79 sind
insofern direkt mit den Ausgangsanschlüssen der MOSFETs 68 und 70 verbunden,
als es keine Schaltungskomponenten gibt, die die Widerstände und
die Ausgangsanschlüsse
trennen. Die Widerstände 82 dienen
als Ableitungswiderstände
und stabilisierende Serienwiderstände, die an die Gate-Anschlüsse der
MOSFETs 68 und 70 angeschlossen sind. Bidirektionale
Zenerdioden 84 sorgen für
Schutz vor Transienten.
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Der
Klemmenschaltabschnitt 46 umfasst ein komplementäres Paar
MOSFETs 86 und 88, die als ein bidirektionaler
Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-Schalter funktionieren, der in
Reihe zwischen dem Lastausgangsanschluss 74 und einem lastneutralen
Anschluss 90 geschaltet ist. Die MOSFETs 86 und 88 werden
von einem umgekehrten Hochfrequenz-PWM-Regelungssignal gleichzeitig leitend bzw.
nichtleitend gemacht, das vom Controller 56 geliefert wird
und über
die Opto-Isolatorschaltung 64 und die Treiberschaltung 66 über einen
Gate-Steuerungs-Eingangsanschluss 92 und einen Massenanschluss 94 angelegt
wird. Die Widerstände 96 funktionieren
als Ableitungswiderstände
und stabilisierende Serienwiderstände, die an die Gate-Anschlüsse der
MOSFETs 86 und 88 angeschlossen sind. Bidirektionale
Zenerdioden 98 sorgen für
Schutz vor Transienten.
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MOSFETs
sind wegen ihrer überlegenen Hochgeschwindigkeits-
und Hochleistungs-Schalteigenschaften
der bevorzugte Typ von Hochleistungs-Halbleiter-Schaltvorrichtungen
für die
abgebildete Dimmerschaltung 20. Darüber hinaus werden MOSFETs,
wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeiten und da sie bidirektional
sind, für
einen Dimmer mit sowohl Serien- als auch Klemmen-Hochgeschwindigkeitsschalten
bevorzugt. In anderen Anwendungen könnten jedoch IGBTs als Hochfrequenz-Hochleistungs-Halbleiterschalter
verwendet werden und die Grundsätze
der vorliegenden Erfindung können
auf solche anderen Anwendungen angewandt werden.
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Aufbau
und Funktion des aktiven Überstromschutzsystems
48,
einschließlich
der Strommesswiderstände
78 und
79,
der störungsfesten
Verbindung
65 mit geringem Widerstand, des Überstromerkennungs-Logikabschnitts
67 und
der damit zusammenhängenden
Routinen, die vom Controller
56 ausgeführt werden, sind in unserer
Patentanmeldung 11/048,123, eingereicht am 31. Januar 2005 (veröffentlicht
unter
US2005/0185353 )
beschrieben.
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In 4 sind
der Laststromsensor 57 und die Laststrom-Verarbeitungsschaltung 59 des
Niederspannungs-Überstromschutzsystems 23 schematisch
dargestellt. Obwohl ein Widerstand oder eine andere Komponente verwendet
werden könnte, um
den Ausgangslaststrom abzufühlen,
wird bevorzugt, dass es sich bei dem Stromsensor 57 um
einen Strommesstransformator handelt mit einer Primärwicklung 100 mit
sehr niedriger Impedanz, der durch einen Anschluss 102 in
Reihe mit der Ausgangsspule 42 des Ausgangslastfilters 38 geschaltet
und durch einen Anschluss 104 mit dem Ausgangskreis 25 und der
Last 24 verbunden ist. Eine Sekundärwicklung 106 des
Strommesstransformators 57 ist über ein Filter- und Lastnetz 108 an
den Eingang eines Doppelweg-Diodenbrückengleichrichters 110 gekoppelt. Das
doppelweg-gleichgerichtete Laststromsignal vom Ausgang der Gleichrichterbrücke 110 ist über ein
Netz 111 und über
einen Verstärker 112 an
einen Ausgangsanschluss 114 gekoppelt, die mit dem AD-Wandlerabschnitt 61 des
Prozessors 56 verbunden ist. Der Prozessor 56 verwendet
diese digitalen Informationen, um einen Ausgangs- oder Laststrom-Effektivwert
zu berechnen und im Speicher zu halten.
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In
der abgebildeten Ausführungsform
der Erfindung hat der Dimmer 20 einen Nennstrom von zwanzig
Ampere und ist in der Lage, zwanzig Ampere bei voller Spannung an
den Lastkreis 25 und die Last 24 zu liefern. Da
die Fähigkeit
erwünscht
ist, den abgefühlten
Laststromwert, zusätzlich
zur Verwendung durch das Überstromschutzsystem 23,
für Regelungs-
und Anzeigefunktionen nutzen zu können, ist der Strommesstransformator 57 dazu
ausgelegt, genaues Stromabfühlen
im Strombereich von null bis ungefähr dreißig Ampere vorzusehen. Diese
Art von Messtransformator sättigt
und bietet bei erhöhten Stromwerten
kein genaues Abfühlen.
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5 ist
eine graphische Darstellung einer Familie verschiedener Überstromschutzprüfungen oder
-vergleiche, die vom Niederspannungs-Überstromsschutzsystem 23 der
vorliegenden Erfindung ausgeführt
werden. Jede dieser Prüfungen
oder Vergleiche kann einen potenziell schädigenden Überstromzustand aufdecken und
verschiedene Arten von Überstromzuständen werden
von den verschiedenen Prüfungen
erkannt. Wenn eine dieser Überstromschutzprüfungen oder
-vergleiche einen Überstromzustand
aufdeckt, wird der Dimmer 20 abgeschaltet, um Schäden am Dimmer
oder potenzielle Schäden
im Ausgangskreis 25 zu vermeiden.
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Im
Graph von 5 repräsentiert die vertikale Achse
das Dimmniveau bzw. die vom Benutzer oder Controller über den
Bus oder die Vorrichtung 58 angeforderte Spannung. Die
Beziehung zwischen angeforderter Spannung und Dimmniveau ist allgemein
linear. Beispielsweise wird in einem 120-Volt-System, wie abgebildet,
der volle Laststrom bzw. die volle Lampenintensität durch
ein Dimmniveau von 100% repräsentiert,
das der maximalen angeforderten Spannung von 120 Volt entspricht.
Ein Dimmniveau von 50% entspricht einer angeforderten Spannung von
60 Volt. Die horizontale Achse des Graphs in 5 repräsentiert
den Effektivwert des Last- oder Ausgangsstroms, wie er vom Sensor 57 abgefühlt wird,
der vom Dimmer 20 an den Lastkreis 25 zugeführt wird.
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Ein
von der Überlastschutzschaltung 23 ausgeführter Vergleich
oder Prüfung,
durch das Bezugszeichen 116 in 5 bezeichnet,
ist eine relativ langsame oder lang andauernde allgemeine Prüfung auf Überstrom.
Diese Prüfung 116 funktioniert
unabhängig
von der angeforderten Spannung. Unabhängig vom angeforderten Dimmerniveau
oder der angeforderten Spannungsamplitude liefert diese Prüfung ein Überstromergebnis,
wenn ein Laststrom über
25 Ampere für
eine Dauer von mehr als drei Sekunden abgefühlt wird. Der abgebildete Dimmer 20 ist
für die Verwendung
mit Lampen bestimmt, deren Nennstrom nicht mehr als zwanzig Ampere
beträgt
und daher gilt ein Laststrom von 25 Ampere mit einer Dauer von mehr
als drei Sekunden als potenziell schädlicher Überstromzustand.
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Ein
weiteres Paar Prüfungen
oder Vergleiche sind relativ schnelle oder kurz andauernde Prüfungen,
die dazu bestimmt sind, Überstromschäden an der
Leistungsschaltstufe 26 zu verhindern, die durch einen
Kurzschluss oder eine Last mit sehr niedriger Impedanz im Ausgangskreis 25 verursacht
werden. Eine der Prüfungen
dieses Paars, als 118A bezeichnet, wird ausgeführt, wenn
das angeforderte Dimmniveau weniger als 50% beträgt und die angeforderte Spannung
weniger als 60 Volt beträgt.
Wenn in diesem Zustand der abgefühlte
Effektivlaststrom während
20 Zyklen der Stromversorgungswellenform (bzw. einer Drittelsekunde)
27,5 A übersteigt,
wird ein Überstromzustand
angezeigt. Die andere Prüfung dieses
Paars, als 118B bezeichnet, wird ausgeführt, wenn das angeforderte
Dimmniveau 50% oder höher ist
und die angeforderte Spannung 60 Volt oder mehr beträgt. Wenn-
in diesem Zustand der abgefühlte
Effektivlaststrom während
20 Zyklen der Stromversorgungswellenform (bzw. einer Drittelsekunde)
29 A übersteigt,
wird ein Überstromzustand
angezeigt.
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Die
Prüfungen 118A und 118B wirken,
um den Dimmer 20 rasch abzuschalten, wenn der Dimmer überhöhten Strom
in einen Lastkreis 25 und/oder eine Last 24 zuführt, der
bzw. die kurzgeschlossen ist oder eine abnormal niedrige Impedanz
hat. Selbst wenn in diesem Zustand der Strom nicht hoch genug ist,
um zu einer Abschaltung durch das aktive Überstromschutzsystem 48 zu
führen,
kann der Strom dennoch hoch genug sein, um in einem relativ kurzen Zeitraum
Schäden
an den Serienschalt-MOSFETs 68 und 70 in der Leistungsschaltstufe 26 zu
verursachen. Abschaltungen infolge der Prüfungen 118A und 118B finden
schneller statt als der Schutz, der von einer Schutzschalterschaltung
am Eingang zum Dimmer 20 geboten werden kann und kann außerdem vor Überstromzuständen im
Ausgangskreis schützen,
die keine Überstrompegel
am Eingang zum Dimmer 20 aufweisen.
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Ein
weiteres Paar vom Niederspannungs-Überstromschutzsystem 23 ausgeführte Prüfungen oder
Vergleiche sind relativ langsame oder lang andauernde Prüfungen,
die dazu dienen, mögliche
Schäden
infolge Wärmebildung
oder dergleichen im Ausgangskreis 25 infolge Überströmen bei
niedrigen angeforderten Spannungsniveaus zu verhindern. Die Leistung
am Eingang zum Dimmer entspricht der Leistung im Ausgangskreis.
Die hohe Spannnung am Eingang kann jedoch einen relativ niedrigen
Eingangsstrom begleiten, obwohl bei einer niedrigen Spannung im
Ausgangskreis 25 der Laststrom hoch genug sein kann, um
eine Gefahr des Überhitzens
und Schäden
im Ausgangskreis 25 zu verursachen. Ein Eingangsschutzschalter
oder eine andere Eingangsstrom-Abfühlanordnung schützt den Ausgangskreis
in dieser Situation mit niedriger Spannung und hohem Ausgangsstrom
nicht.
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Die
als 120A bezeichnete Prüfung
ist wirksam, wenn die angeforderte Spannung weniger als 20 Volt-beträgt. In diesem
Zustand resultiert eine Überstromanzeige,
wenn ein Laststrom von 15 A länger
als zehn Sekunden andauert. Die Prüfung 120B ist wirksam,
wenn die angeforderte Spannung weniger als 40 Volt beträgt und zwanzig
oder mehr Volt beträgt.
In diesem Zustand resultiert eine Überstromanzeige, wenn ein Laststrom
von zwanzig Ampere länger
als zehn Sekunden andauert. Obwohl Lastströme von 15 oder 20 A im Betriebsbereich
des Dimmers 20 liegen, existieren Lastströme dieser
Höhe normalerweise
nicht bei niedrigen Dimmniveaus und niedrigen angeforderten Spannungen.
Solche Ströme
bei niedrigen Spannungen können
zu Wärmebildung
und einem potenziell gefährlichen
Zustand im Ausgangskreis 25 führen.
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Die
Familie von Prüfungen 116, 118A, 118B, 120A und 120B ist
wirksam, um Überstromschäden zu vermeiden
und führt
nicht zu lästigen
Abschaltungen des Dimmers 20. Der Dimmer 20 kann
verwendet werden, um Vorrichtungen wie beispielsweise Glühlampen
und reaktive und/oder magnetische Ballaste zu regeln, die lang andauernde
hohe Einschaltstromspitzen aufweisen. Die Prüfungsparameter des Überstromschutzsystems 23 sind
so gewählt,
dass der normale Betrieb solcher Vorrichtungen nicht zu Überlastanzeigen
führt.
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Der
mikroprozessorbasierte programmierbare Controller 56 unter
Software- und Benutzerregelung führt
die in 6 abgebildete Routine aus, um die in 5 zu
sehenden Prüfungen
oder Vergleiche auszuführen
und den Dimmer 20 abzuschalten, falls eine der Prüfungen in
einer Überstromanzeige
resultiert. Der Controller 56 erkennt Nulldurchgänge der Wechselstromversorgungs-Wellenform.
Diese Routine von 6 läuft jeden Halbzyklus der Stromversorgungs-Wellenform,
120-mal pro Sekunde, und beginnt beim Block 122. Der Controller 56 führt im Speicher
Zählwerte
der Effektivlaststromwerte für
die in den Prüfungen 116, 118A, 118B, 120A und 120B verwendeten
Zeiträume.
Die Routine von 6 fragt diese Zählwerte
beim Ausführen
der Überstromprüfungen ab.
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Im
Controllerspeicher wird ein Überstrom-Flag
zum Anzeigen des Software-Überstromstatus
gesetzt. In Abwesenheit eines abgefühlten Überstromzustands wird der Flag
zu falsch gesetzt. Der Überstrom-Flag
wird im Block 124 abgefragt. Wenn festgestellt wird, dass
der Überstrom-Flag
zu wahr gesetzt ist, bedeutet dies, dass zuvor ein Überstromzustand
erkannt wurde. Eine Überstromanzeige
kann durch die Niederspannungs-Überstromroutine
von 6 des Systems 23 ausgelöst werden, oder
durch die aktive Überstromroutine 48.
Wenn der Überstrom-Flag
gesetzt ist, fährt
die Routine mit Block 126 fort. Wenn der Überstrom-Flag
im Block 124 falsch ist, führt die Routine die in 5 graphisch
dargestellten Prüfungen 116, 118A, 118B, 120A und 120B aus.
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Die
Prüfung 116 wird
im Block 128 ausgeführt.
Die Routine fragt einen Effektivlaststrom-Zählwert ab. Wenn der Laststrom
25 A während
mehr als drei Sekunden überschritten
hat, setzt die Routine im Block 130 das Dimmniveau zu null.
Die Serienschalt-MOSFETs 68 und 70 werden
nichtleitend (offen) gemacht und die Klemmenschalt-MOSFETs 86 und 88 werden
leitend (geschlossen) gemacht. Das Öffnen der MOSFETs 68 und 70 unterbricht
den Fluss des im Laststrom abgefühlten überhöhten Stroms.
Das Schließen
der MOSFETs 86 und 88 begrenzt transiente Spannungsspitzen,
die andernfalls Schäden
verursachen könnten.
Im Block 132 wird eine Überstrom-Warnanzeige
ausgelöst
und im Block 134 wird der Überstrom-Flag zu wahr gesetzt.
Die Routine endet mit Block 136, wobei sich das System im Überstromzustand
befindet.
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Wenn
die Routine im Block 128 keinen Überstromzustand anzeigt, fährt die
Routine mit Block 138 fort. Es erfolgt eine Feststellung,
ob die angeforderte Spannung weniger als 60 Volt beträgt oder
nicht. Wenn sie weniger als 60 Volt beträgt, wird im Block 140 die
Prüfung 118A ausgeführt und
wenn sie 60 Volt oder mehr beträgt,
wird die Prüfung 118B im Block 142 ausgeführt. Wenn
eine der Prüfungen
eine Überstromanzeige
liefert, fährt
die Routine mit den Blöcken 130, 132 und 134,
um einen Überstromzustand
festzustellen.
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Wenn
keine der Prüfungen 118A und 118B zu
einer Überstromanzeige
führt,
fährt die
Routine mit Block 144 fort, wo festgestellt wird, ob die
angeforderte Spannung weniger als 20 Volt beträgt. Falls ja, wird die Prüfung 120A im
Block 146 ausgeführt. Wenn
der Effektivlaststrom während
mehr als zehn Sekunden 15 A überstiegen
hat, wird die Überstromroutine
der Blöcke 130, 132 und 134 ausgeführt. Wenn
im Block 144 festgestellt wird, dass der Laststrom nicht
weniger als 20 Volt beträgt,
wird im Block 148 festgestellt, ob die angeforderte Spannung
weniger als 40 Volt beträgt.
Falls ja, wird die Prüfung 120B im
Block 146 ausgeführt.
Wenn der Effektivlaststrom während
mehr als zehn Sekunden 20 A überstiegen hat,
wird die Überstromroutine
der Blöcke 130, 132 und 134 ausgeführt.
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Wenn
im Block 148 festgestellt wird, dass der Laststrom 40 Volt
oder mehr beträgt
oder wenn im Block 150 kein Überstromzustand festgestellt wird,
endet die Routine im Block 136, wobei kein Überstromzustand
festgestellt wird. Die Routine wird für den nächsten und jeden folgenden
Halbzyklus wiederholt.
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Als
Reaktion auf eine Überstromwarnung, wie
sie im Block 132 von 6 ausgegeben
wird, kann der Benutzer die Ursache des Überstromzustands beheben und
vom Daten-Eingabe-Ausgabe-Bus bzw. der Vorrichtung 58 ein
Rücksetzsignal an
den Controller 56 schicken. Die Rücksetzung kann jede beliebige
erwünschte
Form annehmen. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
ein Rücksetzsignal
aus einer Anweisung für
einen Dimmerausgang mit einem Betrag von null während einer Dauer von mindestens
einer Sekunde.
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Am
Anfang der Routine von 6 wird im Block 124 der Überstrom-Flag
abgefragt. Wenn der Überstrom-Flag
wahr ist und der Dimmer 20 sich in einem abgeschalteten
Zustand befindet, prüft
die Routine im Block 126 auf ein Benutzer-Rücksetzsignal.
Wenn im Block 126 kein Rücksetzsignal empfangen wird,
endet die Routine im Block 136. Wenn im Block 126 ein
Rücksetzsignal
empfangen wird, wird der Überstrom-Flag
im Block 152 zu falsch gesetzt, der normale Dimmbetrieb
wird im Block 154 wieder aufgenommen und die Überstromwarnung
wird im Block 166 unterbrochen, bevor die Routine im Block 136 endet.