DE8718042U1

DE8718042U1 - Circuit arrangement for reducing the power loss when blocking a semiconductor switch connecting an inductance to a voltage source

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Publication number: DE8718042U1
Application number: DE8718042U
Authority: DE
Original assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Current assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 1997-03-21

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Reduzieren der Verlustleistung beim Sperren eines eine Induktivität an eine Spannungsquelle anschaltenden Halbleiterschalters, mit einem an die Verbindung von Halbleiterschalter und Induktivität angeschalteten Kondensator, der in einem den Halbleiterschalter, eine Drosselspule und eine erste Diode enthaltenden ersten Stromkreis und in einem eine zweite Diode und die Induktivität enthaltenden zweiten Stromkreis liegt, wobei die zweite Diode so gepolt ist, daß ein Entladestrom des Kondensators in Richtung des mit dem Halbleiterschalter geschalteten Stroms durch die Induktivität fließt, und mit einer an den Verbindungspunkt von erster Diode und Drosselspule angeschlossenen Spannungsbegrenzungsschaltung.The invention relates to a circuit arrangement for reducing the power loss when blocking a semiconductor switch that connects an inductance to a voltage source, with a capacitor connected to the connection between the semiconductor switch and the inductance, which capacitor is located in a first circuit containing the semiconductor switch, a choke coil and a first diode and in a second circuit containing a second diode and the inductance, the second diode being polarized such that a discharge current of the capacitor flows in the direction of the current switched by the semiconductor switch through the inductance, and with a voltage limiting circuit connected to the connection point of the first diode and choke coil.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art wird in dem Netzteilmodul 3109 der Nixdorf Computer AG verwendet. Dabei handelt es sich um ein getaktetes Stromversorgungsgerät, in dem der Halbleiterschalter die Primärwicklung eines Übertragers impulsgesteuert an eine Gleichstromquelle anschaltet, so daß auf der Sekundärseite des Übertragers mit der dort nach Gleichrichtung erhaltenen Gleichspannung eine Last gespeist werden kann.A circuit arrangement of this type is used in the power supply module 3109 from Nixdorf Computer AG. This is a clocked power supply device in which the semiconductor switch connects the primary winding of a transformer to a direct current source in a pulse-controlled manner, so that a load on the secondary side of the transformer can be supplied with the direct current voltage obtained there after rectification.

Diese Schaltungsanordnung ist mit ihren hier interessierenden Teilen in Fig. 1 dargestellt. Ein Halbleiterschalter 10 ist mit der Primärwicklung 11 eines Übertragers in Reihe geschaltet, und diese Reihenschaltung ist mit einer Spannungsquelle verbunden, so daß bei leitend gesteuer-This circuit arrangement is shown with the parts of interest here in Fig. 1. A semiconductor switch 10 is connected in series with the primary winding 11 of a transformer, and this series connection is connected to a voltage source, so that when the switch is switched on,

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tem Halbleiterschalter ein Strom vom positiven Pol der Spannungsquelle durch die Primärwicklung 11 des Übertragers 12 nach Masse fließt. Die Sekundärwicklung 13 des Übertragers 12 ist mit einer Schaltung 14 verbunden, die eine hier nicht weiter dargestellte Gleichrichterschaltung und eine zu speisende Last umfaßt. Der impulsartige Schaltbetrieb des Halbleiterschalters 10 wird durch eine Steuerschaltung 15 gesteuert, durch die der Halbleiterschalter 10 mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz leitend gesteuert bzw. gesperrt wird.tem semiconductor switch, a current flows from the positive pole of the voltage source through the primary winding 11 of the transformer 12 to ground. The secondary winding 13 of the transformer 12 is connected to a circuit 14, which includes a rectifier circuit (not shown here) and a load to be fed. The pulse-like switching operation of the semiconductor switch 10 is controlled by a control circuit 15, by which the semiconductor switch 10 is switched on or off at a predetermined switching frequency.

An die Verbindung des Kollektors des Halbleiterschalters 10 mit der Primärwicklung 11 des Übertragers 12 ist ein Kondensator 16 angeschlossen, dessen zweiter Anschluß mit der Reihenschaltung einer Drosselspule 17 und einer Diode 18 verbunden ist. Außerdem ist der zweite Anschluß des Kondensators 16 über eine Diode 19 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden. Die Reihenschaltung von Drosselspule 17 und Diode 18 ist über Masse mit dem Emitter des Halbleiterschalters 10 verbunden. Die Diode 18 ist in Durchlaßrichtung des Halbleiterschalters 10 gepolt. Die Diode 19 ist so gepolt, daß ein Entladestrom des Kondensators 16 durch die Primärwicklung 11 des Übertragers 12 in derselben Richtung wie der mit dem Halbleiterschalter 10 geschaltete Strom fließt.A capacitor 16 is connected to the connection between the collector of the semiconductor switch 10 and the primary winding 11 of the transformer 12, the second connection of which is connected to the series connection of a choke coil 17 and a diode 18. In addition, the second connection of the capacitor 16 is connected to the positive pole of the voltage source via a diode 19. The series connection of choke coil 17 and diode 18 is connected to the emitter of the semiconductor switch 10 via ground. The diode 18 is polarized in the forward direction of the semiconductor switch 10. The diode 19 is polarized in such a way that a discharge current of the capacitor 16 flows through the primary winding 11 of the transformer 12 in the same direction as the current switched with the semiconductor switch 10.

An den Verbindungspunkt von Drosselspule 17 und Diode 18 ist die Kathode einer weiteren Diode 20 angeschlossen, deren Anode über ein Parallel-RC-Glied aus Kondensator 21 und Widerstand 22 mit Masse verbunden ist.The cathode of another diode 20 is connected to the connection point of choke coil 17 and diode 18, the anode of which is connected to ground via a parallel RC element consisting of capacitor 21 and resistor 22.

Beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten vorbekannten Schaltungsanordnung, in dem der Halbleiterschalter 10 mit einer Frequenz in der Größenordnung von 50 kHz durch dieDuring operation of the known circuit arrangement shown in Fig. 1, in which the semiconductor switch 10 is driven by the

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Steuerschaltung 15 impulsartig leitend gesteuert und gesperrt wird, erfolgt jeweils durch den übergang des Halbleiterschalters 10 in den leitenden Zustand durch Verbinden des am Kollektor des Halbleiterschalters 10 liegenden Anschlusses des Kondensators 16 mit Masse ein Umladen des Kondensators 16, da sein nun mit Masse verbundener Anschluß zuvor, also bei gesperrtem Halbleiterschalter 10, eine positive Gleichspannung hatte, die bei Öffnung des über die Primärwicklung 11 des Übertragers 12 verlaufenden Stromkreises durch die induktive Wirkung der Primärwicklung 11 einen Wert hatte, der über dem Spannungswert der Stromquelle liegt. Bei Verbindung des Kondensators 16 über den Halbleiterschalter 10 mit Masse erfährt der Kondensator 16 einen Ladungsausgleich in dem Stromkreis über den Halbleiterschalter 10, die Drosselspule 17 und die Diode 18. Dieser Ladungsausgleich führt infolge der induktiven Wirkung der Drosselspule 17 dazu, daß der Kondensator 16 gegenüber Masse am Verbindungspunkt der beiden Dioden 18 und 19 auf die Spannung der Spannungsquelle aufgeladen wird.Control circuit 15 is controlled and blocked in a pulse-like manner, the transition of the semiconductor switch 10 into the conductive state by connecting the connection of the capacitor 16 located at the collector of the semiconductor switch 10 to ground causes the capacitor 16 to be recharged, since its connection, which is now connected to ground, previously had a positive direct voltage, i.e. when the semiconductor switch 10 was blocked, which, when the circuit running via the primary winding 11 of the transformer 12 was opened, had a value that was higher than the voltage value of the current source due to the inductive effect of the primary winding 11. When the capacitor 16 is connected to ground via the semiconductor switch 10, the capacitor 16 experiences a charge equalization in the circuit via the semiconductor switch 10, the choke coil 17 and the diode 18. This charge equalization leads, due to the inductive effect of the choke coil 17, to the capacitor 16 being charged to the voltage of the voltage source relative to ground at the connection point of the two diodes 18 and 19.

Wenn dann der Halbleiterschalter 10 gesperrt wird, so ist der Stromkreis, der durch die Primärwicklung 11 des Übertragers 12, den Kondensator 16 und die Diode 19 gebildet ist, von Masse abgetrennt, wodurch der Kondensator 16 über die Diode 19 und die Primärwicklung 11 einen Ladungsausgleich erfährt und der Entladestrom über die Diode 19 in der Richtung durch die Primärwicklung 11 fließt, die mit der Richtung des mit dem Halbleiterschalter 10 geschalteten Stroms übereinstimmt. Dadurch wird erreicht, daß mit Sperren des Halbleiterschalters 10 der Stromfluß durch die Primärwicklung 11 des Übertragers 12 noch für die Entladungsdauer des Kondensators 16 fortgesetzt wird und die Bildung einer übermäßig hohen Abschaltspannung an der In-When the semiconductor switch 10 is then blocked, the circuit formed by the primary winding 11 of the transformer 12, the capacitor 16 and the diode 19 is separated from ground, whereby the capacitor 16 experiences a charge equalization via the diode 19 and the primary winding 11 and the discharge current flows via the diode 19 through the primary winding 11 in the direction that corresponds to the direction of the current switched by the semiconductor switch 10. This ensures that when the semiconductor switch 10 is blocked, the current flow through the primary winding 11 of the transformer 12 continues for the duration of the discharge of the capacitor 16 and the formation of an excessively high cut-off voltage at the in-

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duktivität der Primärwicklung 11 verhindert wird. Auf diese Weise kann die Spannung im gesperrten Zustand des Halbleiterschalters 10 an dessen Kollektor so begrenzt werden, daß sie zwar über der Spannung der Spannungsquelle liegt, jedoch den Halbleiterschalter 10 nicht zerstört.ductivity of the primary winding 11 is prevented. In this way, the voltage in the blocked state of the semiconductor switch 10 at its collector can be limited so that it is above the voltage of the voltage source, but does not destroy the semiconductor switch 10.

Die Diode 18 wird jeweils für die Dauer des über die Drosselspule 17 fließenden Ladestroms des Kondensators 16 leitend und sperrt wieder, wenn dieser Strom abgeklungen ist. Bekanntlich haben Dioden beim übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand eine Sperrverzögerungszeit, die bei Handelsüblichen Dioden der hier in Betracht kommenden Art in der Größenordnung von 250 Nanosekunden liegen kann. Dies bedeutet, daß die Diode 18 nach Abklingen des oben beschriebenen Umladevorganges des Kondensators 16 während ihrer Sperrverzögerungszeit einen Strom von dem mit ihr verbundenen Anschluß des Kondensators 16 in Sperrrichtung leiten kann, der dann durch die Drosselspule 17 nach Masse fließt. Nach dem Abklingen dieses sogenannten Inversstromes hält die Induktivität der Drosselspule 17 jedoch noch einen Stromfluß in dieser Richtung aufrecht, wodurch an dem Verbindungspunkt der Drosselspule 17 mit der Diode 18 eine relativ hohe negative Abschaltspannung entstehen kann. Diese Abschaltspannung wird bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung begrenzt, die das RC-Glied 21/22 enthält und über die für die negative Abschaltspannung durchlässige Diode 20 mit der Drosselspule 17 bzw. der Diode 18 verbunden ist.The diode 18 is conductive for the duration of the charging current of the capacitor 16 flowing through the choke coil 17 and blocks again when this current has died down. As is well known, diodes have a reverse recovery time when they go from the conductive to the blocked state, which can be in the order of 250 nanoseconds for commercially available diodes of the type under consideration here. This means that after the recharging process of the capacitor 16 described above has died down, the diode 18 can conduct a current from the connection of the capacitor 16 connected to it in the reverse direction during its reverse recovery time, which then flows through the choke coil 17 to ground. After this so-called inverse current has died down, the inductance of the choke coil 17 still maintains a current flow in this direction, which can result in a relatively high negative cut-off voltage at the connection point of the choke coil 17 and the diode 18. This cut-off voltage is limited in the circuit arrangement shown in Fig. 1 by a voltage limiting circuit which contains the RC element 21/22 and is connected to the choke coil 17 or the diode 18 via the diode 20 which is permeable to the negative cut-off voltage.

Bei der oben genannten Schaltfrequenz des Halbleiterschalters 10 in der Größenordnung von 50 kHz wird jedoch die in dem Widerstand 22 des RC-Gliedes 21/22 umgesetzte Verlustleistung so hoch, daß dadurch der Gesamtwirkungsgrad einesHowever, at the above-mentioned switching frequency of the semiconductor switch 10 in the order of 50 kHz, the power loss converted in the resistor 22 of the RC element 21/22 is so high that the overall efficiency of a

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mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung arbeitenden Gerätes zu stark beeinträchtigt wird. Diese Verlustleistung könnte durch Verwendung einer Diode 18 reduziert werden, deren Sperrverzögerungszeit kürzer als zuvor erläutert ist. Wird die Schaltungsanordnung in Verbindung mit Spannungsquellen verwendet, deren Betriebsspannung in der Größenordnung von 400 Volt liegt, so müssen die verwendeten Dioden, insbesondere die Diode 18, eine Sperrspannung in der Größenordnung von 1000 Volt haben. Derartige Dioden sind aber bei einer Sperrverzögerungszeit von z.B. 125 Nanosekunden sehr kostspielig.with the circuit shown in Fig. 1 is too severely impaired. This power loss could be reduced by using a diode 18 whose reverse recovery time is shorter than previously explained. If the circuit arrangement is used in conjunction with voltage sources whose operating voltage is in the order of 400 volts, the diodes used, in particular the diode 18, must have a reverse voltage in the order of 1000 volts. However, such diodes are very expensive with a reverse recovery time of e.g. 125 nanoseconds.

Ein wirtschaftlicher Einsatz von Dioden mit kurzer Sperrverzögerungszeit ist nur dann möglich, wenn die erforderliche Sperrspannung reduziert werden kann. Dioden mit vergleichsweise geringer Sperrspannung haben physikalisch bedingt kurze Sperrverzögerungszeiten und sind relativ billig.An economical use of diodes with a short reverse recovery time is only possible if the required reverse voltage can be reduced. Diodes with a relatively low reverse voltage have short reverse recovery times for physical reasons and are relatively cheap.

Es ist Aufgabe der Erfindung,das Problem der überspannungsbegrenzung an der Verbindung von Drosselspule 17 und Diode 18 einer Schaltungsanordnung der in Fig. 1 gezeigten Art so zu lösen, daß Verlustleistungen vermieden werden.It is the object of the invention to solve the problem of overvoltage limitation at the connection of choke coil 17 and diode 18 of a circuit arrangement of the type shown in Fig. 1 in such a way that power losses are avoided.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung eingangs genannter Art erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die Drosselspule in dem ersten Stromkreis direkt mit dem Kondensator verbunden ist und daß die Spannungsbegrenzungsschaltung eine dritte Diode ist, die mit der ersten Diode eine an die Spannungsquelle angeschaltete und entgegen deren Polarität gepolte Reihenschaltung bildet .To solve this problem, a circuit arrangement of the type mentioned at the outset is designed according to the invention in such a way that the choke coil in the first circuit is directly connected to the capacitor and that the voltage limiting circuit is a third diode which, with the first diode, forms a series circuit connected to the voltage source and polarized against its polarity.

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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung enthält größtenteils Elemente in einer gegenseitigen Verbindung, wie sie auch in Fig. 1 beschrieben sind. Für solche Elemente sind in Fig. 2 die Bezugszeichen aus Fig. 1 verwendet. Die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung stimmt, soweit das Reduzieren der Verlustleistung beim Sperren des die Primärwicklung 11 des Übertragers 12 an die Spannungsquelle anschaltenden Halbleiterschalters 10 in Betracht kommt, mit der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 überein. Die Drosselspule 17 ist aber direkt mit dem Kondensator 16 verbunden, so daß nun die Diode 18 die Drosselspule 17 mit Masse verbindet. An den Verbindungspunkt von Drosselspule 17 und Diode 18 ist die Anode einer Diode 23 angeschlossen, deren Kathode mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Die Dioden 18 und 23 bilden somit eine Reihenschaltung, die an die Spannungsquelle angeschaltet ist und entgegen deren Polarität gepolt ist.A circuit arrangement of this type is shown in Fig. 2. This circuit arrangement contains mostly elements in a mutual connection, as also described in Fig. 1. The reference numerals from Fig. 1 are used for such elements in Fig. 2. The operation of the circuit arrangement shown in Fig. 2 corresponds to the operation of the circuit arrangement according to Fig. 1, as far as the reduction of the power loss when blocking the semiconductor switch 10 that connects the primary winding 11 of the transformer 12 to the voltage source is taken into account. The choke coil 17 is, however, directly connected to the capacitor 16, so that the diode 18 now connects the choke coil 17 to ground. The anode of a diode 23 is connected to the connection point of the choke coil 17 and diode 18, the cathode of which is connected to the positive pole of the voltage source. The diodes 18 and 23 thus form a series circuit that is connected to the voltage source and is polarized against its polarity.

An dem Verbindungspunkt von Drosselspule 17 und Diode 18 würde auch bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 nach dem übergang der Diode 18 vom leitenden in den gesperrten Zustand eine hohe überspannung infolge des oben beschriebenen Inversstromes auftreten, der während der Sperrverzögerungszeit der Diode 18 verursacht wird. Diese überspannung ist jedoch an dem dem Kondensator 16 abgewandten Anschluß der Drosselspule 17 nun positiv, so daß sie über die Diode 23 zur Spannungsquelle hin abgeleitet wird, soweit sie höher ist als die positive Spannung der Spannungsquelle. Die Diode 23 begrenzt somit die überspannung auf einen Wert, der der Spannung der Spannungsquelle entspricht. Somit muß die Sperrspannung der Diode 18 lediglich in der Größenordnung dieser Spannung liegen. GleichesAt the connection point of choke coil 17 and diode 18, even in the circuit arrangement according to Fig. 2, after the transition of diode 18 from the conducting to the blocked state, a high overvoltage would occur as a result of the above-described inverse current, which is caused during the blocking delay time of diode 18. However, this overvoltage is now positive at the connection of choke coil 17 facing away from capacitor 16, so that it is diverted to the voltage source via diode 23, provided it is higher than the positive voltage of the voltage source. Diode 23 thus limits the overvoltage to a value that corresponds to the voltage of the voltage source. The blocking voltage of diode 18 therefore only has to be in the order of magnitude of this voltage. Same

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gilt für die Sperrspannung der Diode 23· Die Diode 23 hat außerdem die Funktion der Rückführung der beim Schaltvorgang der Diode 18 in der Drosselspule 17 gespeicherten Energie zur Spannungsquelle. Diese Energie muß also nicht als Verlustleistung in einem ohmschen Widerstand vernichtet werden, wie es bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in der dort gezeigten Spannungsbegrenzungsschaltung mit dem Widerstand 22 der Fall ist.applies to the blocking voltage of the diode 23. The diode 23 also has the function of returning the energy stored in the choke coil 17 during the switching process of the diode 18 to the voltage source. This energy therefore does not have to be destroyed as power loss in an ohmic resistor, as is the case with a circuit arrangement according to Fig. 1 in the voltage limiting circuit shown there with the resistor 22.

Die Induktivität der Drosselspule 17 kann Eigenschwingungen verursachen. Diese können durch ein der Drosselspule 17 parallelgeschaltetes RC-Glied bedämpft werden, das in Fig. 2 nicht dargestellt ist. Eine ähnliche Wirkung hat auch ein RC-Glied, das der Diode 18 oder der Diode 23 parallelgeschaltet ist.The inductance of the choke coil 17 can cause natural oscillations. These can be dampened by an RC element connected in parallel to the choke coil 17, which is not shown in Fig. 2. An RC element connected in parallel to the diode 18 or the diode 23 has a similar effect.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung stellt hinsichtlich der gewählten Polaritäten der Spannungsquelle, der Dioden und des Halbleiterschalters ein Ausführungsbeispiel dar. Ebenso kann die Erfindung auch dann angewendet werden, wenn die Schaltungsanordnung invertiert ist, d.h. wenn die Spannungsquelle, der Halbleiterschalter 10 und die Dioden 18, 19 und 23 gegenüber den in Fig. 2 gezeigten Verhältnissen umgekehrte Polaritäten haben.The circuit arrangement shown in Fig. 2 represents an exemplary embodiment with regard to the selected polarities of the voltage source, the diodes and the semiconductor switch. The invention can also be used if the circuit arrangement is inverted, i.e. if the voltage source, the semiconductor switch 10 and the diodes 18, 19 and 23 have reversed polarities compared to the relationships shown in Fig. 2.

Claims

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Siemens Nixdorf

Information Systems Corporation

Circuit arrangement for reducing the power loss when blocking a semiconductor switch connecting an inductance to a voltage source

Claim for protection

Circuit arrangement for reducing the power loss when blocking a semiconductor switch that connects an inductance to a voltage source, with a capacitor connected to the connection of the semiconductor switch and the inductance, which capacitor is located in a first circuit containing the semiconductor switch, a choke coil and a first diode and in a second circuit containing a second diode and the inductance, the second diode being polarized such that a discharge current of the capacitor flows in the direction of the current switched by the semiconductor switch through the inductance, and with a capacitor connected to the connection point of

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first diode and choke coil connected to a voltage limiting circuit, characterized in that the choke coil (17) in the first circuit is directly connected to the capacitor (16) and that the voltage limiting circuit is a third diode (23) which forms a series circuit with the first diode (18) connected to the voltage source and polarized against its polarity.