FI108971B - Menetelmä ja järjestely teholähteen käynnistysvirran rajoittamiseksi - Google Patents

Description

108971

Menetelmä ja järjestely teholähteen käynnistysvirran rajoittamiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestely teholähteen käynnistysvirran 5 rajoittamiseksi.

Välittömästi hakkuriteholähteen tulojännitteen kytkentää seuraavaa tilaa, jossa syntyy normaalia toimintatilaa suurempia virtapiikkejä, kutsutaan usein niin sanotuksi inrush-tilaksi. Normaali toimintatila tarkoittaa tässä hakkuriteholähteen inrush-tilan jälkeistä jatkuvaa toimintatilaa. Kytkettäessä teholähteeseen käyttöjännite syntyy ti-10 lanne, jossa hakkuriteholähteen tulopuolella oleva varaamaton kondensaattori toimii kuten oikosulku. Tällöin piirin läpi pääsee kulkemaan suuri virta, jota kutsutaan käynnistys- tai inrush-virraksi. Virran suuruus voi olla jopa niin suuri, että se rikkoo virtapiirin komponentteja. Tarkoituksenmukaista onkin, että käynnistysvirtaa pyritään jollakin tavalla rajoittamaan, jotta piiri säilyy ehjänä ja toimii halutulla tavalla.

15 Käynnistysvirran rajoittamiseksi on kehitetty useita menetelmiä. Eräs tavallisimmista menetelmistä on kytkeä termistoreita sarjaan sisäänmenon kanssa. Termistoreille tehdään ohituskytkentä esimerkiksi FET:in tai releen avulla. NTC-termistorin toiminta perustuu siihen, että kytkettäessä käyttöjännite termistorin resistanssi on muutaman ohmin luokkaa, mutta lämmetessään resistanssi putoaa lähes nollaan, I 20 jolloin virta kulkee termistorin kautta. Termistori voi olla NTC- tai PTC-tyyppinen.

j . : Myös kiinteäohmista vastusta on käytetty. Ongelmana tällä menetelmällä on se, että i ; , . mainittujen vastusten erillisestä ohituskytkennästä tulee monimutkainen.

‘: : Eräs toinen tapa käynnistysvirran rajoittamiseksi on käyttää erillistä käämiä. Tämä I · :, : soveltuu erityisesti niin kutsuttuun high side -kytkentään. High side -kytkennässä : 25 erillistä käämiä käytetään tuottamaan tulojännitteestä korkeampi jännite, jonka : ’: avulla käynnistysvirran ohituspiiri voidaan kytkeä päälle. Tämän järjestelyn haittana on hinta, sillä erillinen käämi on kallis ja tarvitsee lisäksi muita komponentteja , ·. käynnistysvirtatransistorin hilan tai kannan suojaukseen. Mikäli kytkennässä käyte- •, tään p-kanavaista MOSFET:ia tai pnp-transistoria, ongelmaksi syntyy se, että maini- 30 tut komponentit kuluttavat tehoa, mikä heikentää teholähteen hyötysuhdetta.

,, ,: Kuvassa la on esitetty eräs kolmas tapa toteuttaa käynnistysvirran rajoitus hakkuri teholähteessä. Hakkuriteholähde saa käyttöjännitteensä lähteestä Vj, joka voi olla akku tai vastaava jännitelähde. Käynnistysvirran rajoittamiseen käytetään rajoitin-..: vastusta R]. Käynnistysvirta-MOSFET Q2 on aluksi johtamattomassa tilassa, jolloin 35 virta kulkee vastuksen Ri kautta, jolla rajoitetaan virran kulkua. Tulokondensaattori 2 108971

Ci alkaa latautua. Kun tulokondensaattori Ci on latautunut riittävästi, mikä todetaan lohkossa START/PWM, joka antaa ulostulonaan ohjauksen MOSFET:in Q, hilalle, jolloin hakkuriteholähteen toiminta alkaa. Kun MOSFET Qi ei johda, syötetään muuntajan käämeihin varastoitunut energia diodin D2 kautta RC-piirille, jonka 5 muodostavat vastus R5 ja kondensaattori C3. Diodin D2 kautta tuleva virta varastoituu aluksi kondensaattoriin C3, josta se purkautuu MOSFET:in Q2 hilalle. MOSFET Q2 alkaa johtaa. Hilalle syntyvä jännite on määritetty vastuksilla R2 ja R4, jotka ovat eräässä kytkennän mukaisessa suoritusmuodossa suuruusluokaltaan 100 kO. Vastusten suuruudesta johtuen piirin ongelmaksi muodostuu sen hitaus, sillä vastusten yh- 10 dessä Q2:n hilakapasitanssin kanssa muodostama RC-aikavakio on suuri. Vastusten R2 ja R4 arvoa ei voida kuvassa la esitetyssä ratkaisussa pienentää, sillä kondensaattorin C3 yli oleva jännitetaso voi olla jopa 50 V, joka on riittävän suuri rikkomaan MOSFET:in Q2. Hilajännitteen nousemisen estämiseksi transistorin Q2 hilan ja lähteen välille on kytketty zenerdiodi Di.

15 Toisiopuolella diodiparin D3 avulla toisiojännite tasasuunnataan. Energia varastoidaan kuristimeen L2. Jännitettä suodatetaan kuristimella L2 ja kondensaattorilla C5. Lähtöjännite syötetään kuormaan Ri3. Kondensaattori C4 ja vastus R10 muodostavat vaimenninpiirin. Kuvassa la esitetyn hakkuriteholähteen toisiopuolen toimintaa ei esitetä enempää, koska se ei oleellisesti liity tässä esitettävään keksintöön.

20 Kuvassa Ib on esitetty edellä esitetyn kytkennän käynnistysvirta-MOSFET:in hilan : jännitteen Ug muodostuminen. UPWM esittää käynmstyslohko-pulssinleveysmodu- : ; ; laattorilta START/PWM tulevaa pulssia. Kuten kuvasta Ib ilmenee, käynnistysvirta- ·:··: MOSFET muuttuu täysin johtavaksi vasta noin kymmenennellä jaksolla, kun MOSFET:in hilan kynnysjännite UK ylitetään. Piirin hitaasta toiminnasta johtuen .1. 25 hakkurin käyttöjännite laskee, koska kondensaattoria Q ladataan ainoastaan vastuk- , . sen R! kautta. Pahimmillaan kondensaattoria Ci ei saada ladattua riittävästi, jolloin koko hakkurin toiminta pysähtyy.

, ,: Toinen kyseisen piirin ongelma on niin kutsuttu Miller-kapasitanssi, joka esiintyy v : MOSFET:in nielun ja lähteen välillä. Koska impedanssi hilan ja lähteen välillä on , · · ·, 30 melko suuri, saattaa pienikin virta aiheuttaa MOSFET:in ohjautumisen virheellisesti johtavaan tilaan Miller-kapasitanssin kautta. Tällainen tilanne saattaa syntyä esimerkiksi kytkettäessä syöttöjännite piiriin nopeasti.

*. Tämän keksinnön tavoitteena on esittää teholähteen käynnistysvirran rajoittamisme- netelmä ja -järjestely, joka järjestely on toteutettavissa mahdollisimman yksinkertai- 3 108971 sella rakenteellisella ratkaisulla ja mahdollisimman vähin komponentein ja joka toimii riittävän nopeasti sovellettaessa keksintöä hakkuriteholähteisiin.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan ottamalla käynnistysvirta-MOSFET:in ohjaus niin kutsutusta clamp-piiristä kapasitiivista jännitteen]akoa hyväksikäyttäen.

5 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle järjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 2 tunnusmerkki-osassa. Keksinnön mukaiselle hakkuriteholähteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa. Muita keksinnön mu-10 kaisia edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisesti käynnistysvirran rajoituspiiri käsittää mahdollisimman vähän komponentteja ja se on yksinkertainen. Koska käynnistysvirta-MOSFET:in ohjaus otetaan clamp-piiristä kapasitiivista jännitteenjakoa hyväksi käyttäen, saadaan aikaan erittäin nopeasti kytkeytyvä ohjauspiiri. Lisäksi keksinnön mukaisella kytken-15 nällä saavutetaan se etu, että käynnistysvirta-MOSFET ei kytkeydy päälle tulojännit-teitä kytkettäessä, sillä MOSFET:in hilan ja lähteen välillä oleva impedanssi on suuren kapasitanssin ja arvoltaan pienen vastuksen vuoksi varsin pieni. Näin ollen kyt-kentätilanteessa ei Miller-kapasitanssin kautta tuleva pieni virtapulssi pysty nostamaan jännitettä MOSFET:in hilalla riittävän suureksi, jotta MOSFET alkaisi johtaa.

20 Edelleen keksinnön etuna vähäisen komponenttimäärän ja yksinkertaisuuden lisäksi : : ; on se, että useat käytettävät komponentit ovat tyypiltään samanlaisia. Esimerkiksi ‘ ' käynnistysvirta-MOSFET:na voidaan käyttää samantyyppistä n-kanavaista MOSFET:ia, jota käytetään varsinaisen hakkurin kytkentätransistorina. Samojen ::: komponenttien käytöllä voidaan teholähteen valmistuskustannuksia pienentää, kos- : ’: ’: 25 ka samanlaisia komponentteja hankitaan suurempi määrä.

. . Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin ku- ’;'; ’ viin, joissa , · ’ ·. kuva 1 a esittää erästä aikaisempaa käynnistysvirtarajoitinkytkentää, ': ’ “· kuva Ib esittää kuvassa la esitetyn piirin signaaleja, : : 30 kuva 2 esittää erästä keksinnön mukaista ratkaisua lohkokaavioesityksenä, kuva 3a esittää erästä keksinnön mukaista käynnistysvirtarajoitinkytkentää ja 4 108971 kuva 3b esittää kuvassa 3a esitetyn piirin signaaleja.

Kuvissa käytetään toisistaan vastaavista osista samoja viitenumerolta ja -merkintöjä. Kuvia la ja Ib on selostettu edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 2 on esitetty tässä esitettävän keksinnön periaatteellinen ratkaisu lohko-5 kaavioesityksenä. Keksinnön mukaisesti tulojännitettä 10 kytkettäessä teholähteen tulopuolella oleva tulokondensaattori Ci edustaa oikosulkua. Oikosulusta aiheutuvan suuren virran vuoksi tarvitaan rajoitinelin 16, jonka kautta kondensaattoria Q voidaan aluksi ladata. Rajoitinelin 16 on esimerkiksi vastus tai kela. Kondensaattoria Ci ei voida kuitenkaan ladata ainoastaan rajoitinelimen 16 kautta, sillä hakkuri-10 teholähteen toiminta voi pysähtyä liian pienen syöttövirran takia. Tämän estämiseksi tarvitaan rajoitinelimen ohitusyksikkö 14, jonka kautta rajoitinelimen 16 virta voidaan kytkeä ohitusvirtana hakkuriteholähteelle. Ohitusyksikkö 14 voi olla esimerkiksi n-kanavainen MOSFET. Ohitusyksikköä 14 ohjataan ohitusyksikön ohjausyksikössä 13 muodostetulla ohjausjännitteellä. Tarkoitus on, että rajoitinelin 16 ohite-15 taan mahdollisimman nopeasti eli heti, kun suuret käynnistysvirtapulssit ovat hävinneet. Teholähteeseen kuuluu myös kytkinyksikkö 12, joka on järjestetty toimimaan hakkuriteholähteen päällekytkevänä elimenä. Kytkinyksikön 12 voi muodostaa esimerkiksi n-kanavainen MOSFET. Kytkinyksikköä 12 ohjataan kytkinyksikön ohjausyksiköllä 11. Ohjausyksikkönä 11 voidaan käyttää esimerkiksi pulssinleveys-20 modulaattoripiiriä tai oskillaattoria.

·. Kuvassa 3a on esitetty eräs keksinnön mukainen suoritusmuoto, jolla kuvassa la esitetyn piirin haittapuolet voidaan poistaa. Kuvassa 3a esitetty kytkentä on niin kut- . . suttu high side -kytkentä. Keksinnön mukaiseen ratkaisuun syötetään jännitettä ; jännitelähteen Vj kautta. Tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa jännitelähteen j ; 25 positiiviseen napaan on sovitettu kytkettäväksi n-kanavaisen MOSFET-transistorin ‘ · * Q2 nielu. Transistorin Q2 nielun ja lähteen välille on edullisesti kytketty rajoitinelin 16, joka tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa on vastus R1; ja joka on mitoi- ‘ v tettu halutun käynnistysvirran mukaan. Transistorin Q2 hilan ja lähteen välille on j ; kytketty zenerdiodi Di. Zenerdiodilla estetään transistorin Q2 hilajännitteen nousu | . ·, 30 liian suureksi. Kondensaattori Q on kytketty transistorin Q2 lähteen ja maapotenti- '' ‘. aalin väliin. Transistorin Q2 lähteen ja kondensaattorin Q väliltä otetaan ohjaussig- • *

naali käynnistyslohko-pulssinleveysmodulaattorille START/PWM. Transistorin Q2 : · · lähde on kytketty muuntajan TX ensiökäämin ensimmäiseen päähän. Muuntajan TX

: käämin toinen pää on kytketty n-kanavaisen MOSFET-transistorin Qj nieluun.

35 Transistori Qi on sovitettu toimimaan hakkuripiirin kytkentäelimenä. Transistori Qj saa ohjauksen hilalleen lohkolta START/PWM. Transistorin Qi johtaessa pääsee 5 108971 virta kulkemaan muuntajalta TX maapotentiaaliin, johon transistorin Q[ lähde on kytketty. Muuntajan TX ensiökäämin mainittuun toiseen päähän on kytketty diodin D2 anodipää. Vastusten R34 ja R35 sarjaankytkentä sekä kondensaattoreiden C32 ja C33 sarjaankytkentä, jotka sarjaankytkennät ovat rinnan toistensa kanssa, on kytketty 5 käynnistysvirtatransistorin Q2 lähteen ja diodin D2 katodipään välille. Tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa on vastusten R34 ja R35 väliltä sekä kondensaattoreiden C33 ja C32 väliltä pisteestä A otettu ohjaussignaali vastuksen R32 kautta käynnistysvirtatransistorin Q2 hilalle. Vastus R32 on tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa suuruusluokaltaan pieni.

10 Seuraavassa tarkastellaan edellä selostetun ja kuvassa 3a esitetyn piirin toimintaa tarkemmin. Teholähde saa tulojännitteensä jännitelähteestä Vi. Vastuksen Ri kautta virta pääsee kulkemaan kondensaattorille Q ja lataamaan tätä. Kun kondensaattori Ci on riittävästi latautunut, tämä todetaan lohkossa START/PWM, jonka seurauksena hakkuriteholähteen kytkintransistori Qi saa ohjauksen hilalleen. Kytkimen Ch 15 ohjaussignaali voi olla esimerkiksi vakiotaajuista, jonka ohjaussignaalin pulssien leveyttä muutetaan tarpeen mukaan. Jos halutaan enemmän tehoa tai jännitettä, kytkintransistori Qi ohjataan johtavaan tilaan pidemmäksi ajaksi aiempaan verrattuna. Tällöin hakkurimuuntajan TX ensiöpuolen virta ehtii kasvaa suuremmaksi ja muuntajan TX läpi siirtyy suurempi teho. Mikäli taas halutaan vähemmän tehoa tai 20 jännitettä, toimitaan päinvastoin.

I Kytkintransistori Qi, joka tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa on n- : · kanavainen MOSFET, muuttaa tilaansa ei-johtavasta johtavaan vasteena ohjausyk- ·: : siköltä START/PWM tulevaan ohjaussignaaliin. Kytkimen Qj ollessa johtavassa ti- lassa hakkurimuuntajan TX ensiökäämissä kulkee virta, jonka seurauksena energiaa . · ’. 25 varastoituu muuntajan TX magneettikenttään. Kun kytkin Qi ohjataan johtamatto- , ·. maan tilaan, nostavat muuntajan TX magnetointienergia ja hajainduktanssi jännit teen kytkimen Qi nielussa korkeammaksi kuin piiriin kytketty tulojännite, jolloin . . virta alkaa kulkea diodin D2 kautta vastusten R34 ja R35 sekä kondensaattorien C32 ja > ;* C33 muodostamalle clamp-piirille. Tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa ‘ 30 vastus R34 ja kondensaattori C33 ovat rinnan kuin myös vastus R35 ja kondensaattori ' C32 kuvan 3a mukaisesti. Käynnistysvirta-MOSFET:in Q2 ohjaussignaali otetaan .; : clamp-piiriltä kondensaattoreiden C32 ja C33 sekä vastusten R34 ja R35 väliltä pistees tä A kapasitiivisen jännitteenjaon mukaisesti. Kun jännite nousee riittävästi pistees-; ’· sä A, ohjautuu käynnistysvirta-MOSFET päälle.

35 Toisiopuolen komponentit ja toiminta on esitetty lyhyesti kuvan la selostuksen yhteydessä.

6 108971

Kapasi tii vi s ell a jännitteenjaolla saadaan nopea käynnistysvirta-MOSFET:in Q2 käynnistyminen aikaan, koska clamp-piirin aikavakio on pieni kondensaattoreiden C32 ja C33 pienten sisäisten resistanssien ansiosta. Transistori Q2 kytkeytyy johtavaksi jo käynnistyslohko-pulssinleveysmodulaattorin START/PWM ensimmäisen 5 pulssin aikana, kuten kuvassa 3b on esitetty. Esitetyllä kytkennällä voidaan siis estää hakkuriteholähteen toiminnan virheellinen pysähtyminen käynnistystilanteessa. Kondensaattorien avulla suoritetun jännitteenjaon ansiosta transistorin Q2 ohjaus-jännite ei myöskään nouse liian suureksi, jotta se vahingoittaisi transistoria Q2.

Kuvassa 3a esitetyllä kytkennällä saavutetaan myös se etu, että käynnistysvirtatran-10 sistori Qi ei kytkeydy johtavaksi tulojännitteitä kytkettäessä, koska sen hilan ja lähteen välillä oleva impedanssi on ison kapasitanssin ja pienen resistanssin vuoksi varsin pieni, jolloin kytkentätilanteessa syntyvä niin kutsutun Miller-kapasitanssin kautta tuleva virtapulssi ei pysty nostamaan jännitettä hilalla ja saattaa näin MOSFETria Q2 johtavaksi.

15 Vaikka edellä on esitetty yksinomaan keksinnön soveltamista forward-tyyppisiin hakkuriteholähteisiin, voidaan sitä käyttää patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa myös muihin teholähdetyyppeihin, kuten flyback-hakkuriteholähteisiin. Alan ammattimiehelle on selvää, että hakkuriteholähteen toiminnalliset osat voidaan jakaa myös eri tavalla kuin miten edellä on esitetty teho-20 lähteen toiminnallisen ajatuksen siitä muuttumatta. Edelleen alan ammattimiehelle • on selvää, että edellä esitettyjä komponentteja voidaan vapaasti muuttaa patentti- ; : vaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

« « t I » I » i t • » * I » * I » » t «

Claims (5)

7 108971

1. Menetelmä hakkuriteholähteen käynnistysvirran rajoittamiseksi, jossa - hakkurikondensaattorin (Q) varaamisen johdosta syntyvää käynnistysvirtaa rajoi-5 tetaan rajoitinelimellä (16) ja - rajoitinelin (16) ohitetaan rajoitinelimen (16) rinnalle kytketyn rajoitinelimen ohi-tusyksikön (14) kautta hakkuriteholähteen käyttöjännitteen kytkemisen jälkeen, kun teholähde on käynnistynyt, tunnettu siitä, että 10. muodostetaan ohjaussignaali kapasitiivisen jännitteenjaon perusteella hakkuri- muuntaj an ensiökäämin j ännitteestä j a - rajoitinelimen ohitusyksikköä (14) ohjataan mainitun ohjaussignaalin perusteella.

2. Järjestely hakkuriteholähteen käynnistysvirran rajoittamiseksi, joka järjestely käsittää 15. rajoitinelimen (16) käynnistysvirran rajoittamiseksi ja - rajoitinelimen (16) rinnalle kytketyn rajoitinelimen ohitusyksikön (14), jonka ohi- tusyksikön (14) kautta rajoitinelin (16) on järjestetty ohitettavaksi hakkuriteholäh-‘, \ teen käyttöjännitteen kytkemisen jälkeen, kun hakkuriteholähde on käynnistynyt, ’ ·: tunnettu siitä, että järjestely käsittää hakkurimuuntajan ensiöpiiriin kytketyn kapa- :, v 20 sitiivisen jännitteenjakokytkennän rajoitinelimen ohitusyksikön (14) ohjaussignaalin | muodostamiseksi.

, . 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu rajoitine- • · · limen ohitusyksikkö (14) käsittää ainakin yhden transistorin (Q2) ohitusvirran kyt-‘ kemiseksi. ’ ’ ‘. 25

4. Patenttivaatimuksen 2 ja 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu ka- pasitiivinen jännitteenjakokytkentä käsittää ainakin kaksi sarjaankytkettyä konden-:,1 1 saattoria (C32; C33), joiden välisestä kytkentäpisteestä (A) rajoitinelimen ohitusyksi- : ’ ‘ ‘: kön (14) ohjaussignaali on järjestetty otettavaksi. 8 108971

5. Hakkuriteholähde, joka hakkuriteholähde käsittää käynnistysvirran rajoitinelimen (16) ja käynnistysvirran rajoitinelimen ohitusyksikön (14), tunnettu siitä, että hakkuriteholähde käsittää kapasitiivisen jännitteenjakokytkennän rajoitinelimen ohitusyksikön (14) ohjaussignaalin muodostamiseksi hakkurimuuntajan ensiöjännittees-5 tä.