LU101871B1 - Stromversorgung mit zwei primärseitigen Leistungsstufen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Stromversorgung, die eine erste Eingangsklemme (1) mit einem ersten Spannungspotential, eine zweite Eingangsklemme (2) mit einem zweiten Spannungspotential, einen Transformator mit mindestens einer ersten und einer zweiten primärseitigen Wicklung (111, 112), mindestens einer sekundärseitigen Wicklung (113) und mit einer galvanischen Trennung (100) aufweist, sowie eine erste primärseitige Leistungsstufe (101), eine zweite primärseitige Leistungsstufe (102), einen sekundärseitigen Ausgangskreis (103), eine primärseitige Kontrollschaltung (120) zum Steuern der beiden Leistungsstufen (101,102), und ein Koppelelement (114) zur Übertragung eines Regelsignals (VR) von dem Ausgangskreis (103) zur Kontrollschaltung (120). Die beiden Leistungsstufen (101,102) sind hierbei in Serie geschaltet sind in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen (1, 2), und die Kontrollschaltung (120) weist während des Betriebs der Stromversorgung ein Bezugspotential (123) auf, das zwischen den beiden Spannungspotentialen der Eingangsklemmen (1, 2) liegt.

Description

1 lu101871 | Stromversorgung mit zwei primärseitigen Leistungsstufen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, wobei die Stromversorgung zwei Leistungsstufen und eine galvanische Trennung aufweist. Durch den internen Aufbau der Stromversorgung wird eine Reduzierung der Isolationsanforderungen an Komponenten erreicht. Stromversorgungen haben die Aufgabe, eine Spannung oder einen Strom an einen jeweiligen Verbraucher anzupassen. Je nach speisender Quelle ist dabei die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120 VAC oder 230 VAC oder von Niederspannungen bis 1000 VAC / 1500 VDC gespeist. Hierfür sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit von Materialien und Isolationsabstände einzuhalten, außerdem muss ein Berührschutz gewährleistet werden. Die Verbraucher in dem Schaltschrank, wie beispielsweise eine Steuerung (SPS) oder Sensoren oder Aktoren, werden von einer berührbaren Sicherheits-Kleinspannung (SELV = safety extra low voltage) gespeist, damit diese keine besonderen Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umsetzen müssen.

Eine Aufgabe einer Stromversorgung ist es daher auch, die berührgefährliche Eingangsspannung von der berührbaren Ausgangsspannung sicher zu trennen.

Hierzu werden innerhalb einer Stromversorgung entsprechend der jeweiligen Anwendung normative Anforderungen an minimale Luft- und Kriechstrecken (LuK) zur Trennung zwischen der berührgefährlichen Eingangsspannung und der berührbaren Ausgangsspannung gestellt. Grundsätzliche Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken sind z.B. in einer Normenreihe IEC60664: „Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ definiert. Entsprechend einem Verbraucher und seiner Anwendung sind jeweilige Produktnormen wie IEC 61010: „Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und

2 1u101871 Laborgeräte“ oder IEC 62109: „Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in | photovoltaischen Energiesystemen“ maßgeblich. Eine Stromversorgung dieser Art mit einer galvanischen Trennung 33 ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt. Die Stromversorgung weist einen Eingangskreis 20 auf, der eingangsseitig mit zwei Eingangsklemmen 1, 2 verbunden ist, einen Ausgangskreis 21, der ausgangsseitig mit zwei Ausgangsklemmen10, 11 verbunden ist, sowie einen Transformator 30. Der Transformator 30 enthält eine Primarwicklung 31, die mit dem Eingangskreis 20 verbunden ist, eine Sekundärwicklung 32, die mit dem Ausgangskreis 21 verbunden ist, und eine galvanische Trennung 33 zwischen den gekoppelten Wicklungen Primärwicklung 31 und Sekundärwicklung 32. Der Transformator 30 kann weitere Wicklungen enthalten, welche ebenfalls mit der Primärwicklung 31 und der Sekundärwicklung 32 gekoppelt sind.

An den Eingangsklemmen 1, 2 liegt eine Eingangsspannung Vin an, die während des Betriebs der Stromversorgung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout gewandelt wird. Die Eingangsspannung Vin kann eine gleichgerichtete Spannung sein oder eine Wechselspannung, welche innerhalb des Eingangskreises 20 gleichgerichtet und in einem Glättungskondensator gespeichert wird. Für eine Regelung der Ausgangsspannung Vour weist die Stromversorgung ein Koppelelement 40 auf, über das während des Betriebs der Stromversorgung ein Regelsignal von dem Ausgangskreis 21 zum Eingangskreis 20 übertragen wird. Die Stromversorgung ist vorzugsweise ein Schaltnetzteil, beispielsweise ein Sperrwandler. Bei Schaltnetzteilen entstehen während des Betriebs gefährliche Spannungsspitzen, die entsprechende Isolationsanforderungen an die galvanische Trennung 33 stellen. So tritt an dem Transformator 30 eine Isolationsspannung Vis: auf und an dem Koppelelement 40 eine Isolationsspannung Vısz auf.

Wenn die Stromversorgung geerdet wird, treten weitere Isolationsspannungen auf: Eine Isolationsspannung Viss zwischen dem Eingangskreis 20 und Erde 50 und eine lIsolationsspannung Vis4s zwischen dem Ausgangskreis 21 und Erde 50.

| 3 1u101871 Hierbei kann die positive Eingangsklemme 1 mit der Erde 50 verbunden werden oder die negative Eingangsklemme 2 oder keine der beiden Klemmen.

Das Gleiche gilt für die Ausgangsseite.

Hier kann die positive Ausgangsklemme 10 mit der Erde 50 verbunden werden oder die negative Ausgangsklemme 11 oder keine der beiden Klemmen.

Somit ergeben sich neun theoretische

Erdungsmöglichkeiten.

In der Fig. 2 ist schematisch eine Stromversorgung dargestellt, die als ein Schaltnetzteil ausgestaltet ist.

Das Schaltnetzteil weist einen Transformator 60 mit einer Primärwicklung 61, einer Sekundärwicklung 62 und einer galvanischen Trennung 63 auf.

Das Schaltnetzteil weist zudem einen Eingang und einen Ausgang auf, welche jeweils zwei Eingangsklemmen 1, 2, bzw. zwei Ausgangsklemmen 10, 11 enthalten.

An die Eingangsklemmen 1, 2 wird eine Gleichspannung, Eingangsspannung Vin, angelegt.

An die Ausgangsklemmen

10, 11 kann ein Verbraucher angeschlossen werden.

Die Primärwicklung 61 ist mit einem ersten Anschluss mit der Eingangsklemme 1 gekoppelt und mit einem zweiten Anschluss mit einem Leistungsschalter 71. Der Leistungsschalter 71 weist zwei stromführende Anschlüsse und einen Steuereingang auf, wobei die zwei stromführenden Anschlüsse den zweiten Anschluss der Primärwicklung 61 mit der Eingangsklemme 2 koppeln.

Der Steuereingang des Leistungsschalters 71 ist mit einer primärseitigen Ansteuerung 70 gekoppelt, die während des Betriebs des Schaltnetzteils ein Steuersignal erzeugt, durch das der Leistungsschalter 71 fortlaufend geöffnet und geschlossen wird.

Hierdurch fließt ein pulsierender Gleichstrom durch die Primärwicklung 61, wodurch der Transformator 60 magnetisiert wird und hierdurch eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 62 induziert wird, die durch eine Diode 82 gleichgerichtet wird und einen Glättungskondensator 83 auflädt, so dass an den Ausgangsklemmen 10, 11 eine geglättete

Gleichspannung, Ausgangsspannung Vour, anliegt.

Zur Regelung der Ausgangsspannung weist das Schaltnetzteil eine sekundärseitige Regelung 80 und ein Koppelelement 81, beispielsweise einen

4 1u101871 Optokoppler, auf, wobei das Koppelelement 81 die sekundärseitige Regelung 80 mit der primärseitigen Ansteuerung 70 verbindet. Nicht dargestellt in der Fig. 2 ist eine eingangsseitige Gleichrichtung und Glattung einer Netzspannung für das Schaltnetzteil, sondern nur das Schaltnetzteil in seiner Funktion als ein galvanisch trennender DC/DC-Wandler. Das Prinzip-Schaltbild ist hierbei unabhängig von der Funktionsweise des DC/DC-Wandlers. Dieser kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert sein, zum Beispiel als Sperrwandler oder Flusswandler, oder als Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler. Insbesondere bei hohen Eingangsspannungen können auch Schaltungsgrundkonzepte wie Zwei- Transistor-Wandler oder eine Reihenschaltung aus obigen Konzepten verwendet werden. Das verwendete Ansteuerprinzip des Leistungsschalters 71 kann dabei beispielsweise hartschaltend mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder resonant mit Frequenzmodulation (PFM) erfolgen. Ebenso kann der Leistungsschalter 71 unabhängig von der verwendeten Technologie sein und kann z.B. als Feldeffekttransistor (MOSFET) oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET realisiert werden. Das Koppelelement 81 kann sowohl als ein Optokoppler als auch als ein magnetischer Koppler realisiert sein.

In dem in der Fig. 2 dargestellten Schaltnetzteil ergeben sich im Wesentlichen Isolationsanforderungen an den Transformator 60 mit den Isolationsspannungen Viss, Vis7, sowie an das Koppelelement 81 mit der Isolationsspannung Viss, über das eine Rückkopplung von der sekundärseitigen Regelung 80 zur primérseitigen Ansteuerung 70 hergestellt wird. Die Isolationsspannungen ergeben sich bei maximaler Eingangsspannung. Ist z.B. die speisende Spannung eine Gleichspannung, wird diese entweder an + Vin oder — Vin geerdet. Bei kleiner Ausgangsspannung Vout spielt es nur eine untergeordnete Rolle, ob + Vout oder — Vour als geerdet betrachtet wird. Uber der Trennstrecke Vıse ergibt sich die höchste Isolationsspannung, wenn - Vin geerdet wird. Da der Optokoppler 81 meistens als Bezugspotential - Vin hat, ergibt sich die hôchste Isolationsspannung Viss, wenn + Vin als Erde verwendet wird. Die Isolationsspannung Vis7 ist effektiv kleiner als die Eingangsspannung Vin, kann

1u101871 jedoch als Spitzenwert während des Betriebs des Schaltnetzteils deutlich über der Eingangsspannung Vın liegen.

Soll das Schaltnetzteil universell verwendet werden, So muss es sowohl an 5 positiver als auch an negativer Eingangsspannung geerdet werden können.

Durch die verschiedenen Erdungsmöglichkeiten ergeben sich daher sehr hohe Anforderungen für die Isolationen an der galvanischen Trennung. Die DE 10 2017 103 762 A1 offenbart eine Stromversorgung, die einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist, sowie eine sekundärseitige Synchrongleichrichtung und eine Spannungsrückkopplung durch den Transformator. Für das Schaltnetzteil können verschiedenste Topologien verwendet werden, beispielsweise auch Zwei-Transistor-Sperrwandler.

Aus der DE 33 47 930 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein freischwingendes Sperrwandler-Schaltnetzteil bekannt, das einen Transformator mit drei primärseitigen Wicklungen und einer sekundärseitigen Wicklung aufweist. Über einen Schalttransistor wird hierbei eine gleichgerichtete und geglättete Eingangsspannung periodisch an eine erste der primärseitigen Wicklungen angelegt. Eine zweite primärseitige Wicklung hat die Funktion einer Versorgungswicklung und liefert während der Sperrphase des Schalttransistors eine Versorgungsspannung, und die dritte primärseitige Wicklung hat die Funktion einer Regelwicklung und empfängt während der Flussphase des Schalttransistors eine Messspannung. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromversorgung mit herabgesetzten Isolationsanforderungen für Komponenten innerhalb der Stromversorgung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgung gemäß Anspruch 1 gelöst.

6 1u101871 Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung. Die Stromversorgung weist eine erste Eingangsklemme mit einem ersten Spannungspotential, eine zweite Eingangsklemme mit einem zweiten Spannungspotential, einen Transformator mit mindestens einer ersten und einer | zweiten primärseitigen Wicklung, mindestens einer sekundärseitigen Wicklung und mit einer galvanischen Trennung, eine erste primärseitige Leistungsstufe, die mit einer ersten der primärseitigen Wicklung , und eine zweite primärseitige Leistungsstufe, die mit der zweiten primärseitigen Wicklung auf. Die Stromversorgung weist weiterhin mindestens einen sekundärseitigen Ausgangskreis auf, welcher auch die sekundärseitige Regelung beinhaltet, der mit der sekundärseitigen Wicklung verbunden ist. Weiterhin ist eine primärseitige Kontrollschaltung zum Steuern der beiden Leistungsstufen, und ein Koppelelement zur Übertragung eines Regelsignals von dem Ausgangskreis zur Kontrollschaltung vorhanden. Die beiden Leistungsstufen sind hierbei in Serie geschaltet in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen, und die Kontrollschaltung weist während des Betriebs der Stromversorgung ein Bezugspotential auf, das zwischen den beiden Spannungspotentialen der Eingangsklemmen liegt.

Gemäß einer bevorzugten Variante weist die Stromversorgung eine erste und eine zweite Ansteuerschaltung auf, wobei die erste Leistungsstufe von der Kontrollschaltung über die erste Ansteuerschaltung und die zweite Leistungsstufe von der Kontrollschaltung über die zweite Ansteuerschaltung ansteuerbar ist, und wobei die beiden Leistungsstufen, die beiden Ansteuerschaltungen und die Kontrollschaltung symmetrisch aufgebaut sind in Bezug auf eine an den Eingangsklemmen anliegende Eingangsspannung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante sind während des Betriebs der Stromversorgung die Differenz zwischen dem Bezugspotential und dem Spannungspotential der ersten Eingangsklemme und die Differenz zwischen dem Bezugspotential und dem Spannungspotential der zweiten Eingangsklemme gleich innerhalb eines Toleranzbereiches für akzeptable

7 lu101871 Abweichungen. Durch Bauteiltoleranzen sind gewisse Abweichungen | unvermeidlich, die innerhalb eines festgesetzten Toleranzbereiches noch akzeptabel sind.

In einer weiteren bevorzugten Variante weist die Stromversorgung zwei oder mehr Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind, in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen auf, und einen Knoten zwischen den beiden Kondensatoren, wobei der Knoten mit der Kontrollschaltung verbunden ist zur Bereitstellung des Bezugspotentials für die Kontrollschaltung während des Betriebs der Stromversorgung. Insbesondere liegt an dem Knoten während des Betriebs der Stromversorgung die halbe Eingangsspannung an. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leistungsstufen jeweils als ein Zwei-Transistor-Sperrwandler ausgestaltet, und insbesondere als zwei identische oder im wesentlichen identische Zwei-Transistor-Sperrwandler ausgestaltet. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stromversorgung eine Anlaufschaltung auf, die eine Versorgungsspannung für die Kontrollschaltung beim Einschalten der Stromversorgung bereitstellt, und die mit dem Knoten gekoppelt ist zur Bereitstellung eines Bezugspotentials für die Anlaufschaltung. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der sekundärseitige Ausgangskreis eine Regelschaltung auf, die mit Ausgangsklemmen der Stromversorgung gekoppelt ist zur Erzeugung des Regelsignals während des Betriebs der Stromversorgung zur Regelung einer Ausgangsspannung und/oder eines Ausgangsstroms der Stromversorgung, wobei die Regelschaltung mit dem Koppelelement gekoppelt ist zur Übertragung des Regelsignals zur Kontrollschaltung. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Transformator und das Koppelelement derart ausgebildet, dass während des Betriebs der

8 1u101871 Stromversorgung eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen einer an den Eingangsklemmen anliegenden Eingangsspannung und einer von dem sekundärseitigen Ausgangskreis erzeugten Ausgangsspannung eingehalten wird.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Koppelelement eine galvanische Trennung auf und ist als ein Optokoppler oder ein magnetischer Koppler ausgestaltet. In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Stromversorgung während des Betriebs an einer positiven Eingangsspannung oder an einer negativen Eingangsspannung geerdet. Durch den symmetrischen Aufbau der Leistungsstufen und die Verwendung der halben Eingangsspannung als Bezugspotential für die Kontrollschaltung sind während des Betriebs an den Komponenten innerhalb der Stromversorgung | auftretende Isolationsspannungen bei Erdung an der positiven Eingangsspannung und bei Erdung an der negativen Eingangsspannung gleich oder im Wesentlichen gleich und unabhängig von der Polung. Hierdurch sind die Isolationsanforderungen an den Komponenten innerhalb des Schaltnetzteils im Vergleich zu bekannten Stromversorgungen deutlich reduziert. Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 ein Schaltnetzteil mit einer galvanischen Trennung nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung nach der Erfindung; und

9 1u101871 Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Stromversorgung der Figur 3. Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemaBen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier | nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemafen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.

Eine erfindungsgemäße Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung 100 ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Stromversorgung weist einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung 111, einer zweiten Primärwicklung 112 und mindestens einer Sekundärwicklung 113 auf. Durch die galvanische Trennung 100 ist eingangsseitig eine Primärseite und ausgangsseitig eine Sekundärseite definiert. Die Stromversorgung weist zudem einen Eingang mit zwei Eingangsklemmen 1, 2 und einen Ausgang mit zwei Ausgangsklemmen 10, 11 auf. An die Eingangsklemmen 1, 2 wird eine Gleichspannung Vin angelegt, in diesem Ausführungsbeispiel lieg an der Eingangsklemme 1 ein positives Potential an und an der Eingangsklemme 2 ein negatives Potential. An den Ausgangsklemmen 10, 11 liegt eine Ausgangsspannung Vour an, die für einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor (nicht dargestelit), verwendet werden kann.

An die Primarwicklung 111 ist eine erste Leistungsstufe 101 und an die Primarwicklung 112 ist eine zweite Leistungsstufe 102 angeschlossen. Die erste Leistungsstufe 101 ist zudem mit der Eingangsklemme 1 und die zweite Leistungsstufe 102 mit der Eingangsklemme 2 verbunden. Im gezeigten Beispiel bestehen sogar direkte Verbindungen zwischen Eingangsklemme und Leistungsstufe. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwischengeschaltete Bauteile vorhanden sein. Als Beispiel wird eine Verpolschutzdiode oder eine Sicherung oder ein Thermistor genannt. Wird ein Thermistor in Form eines PTC-Widerstandes eingesetzt, kann er als Uberlastschutz dienen. Weiterhin ist die erste Leistungsstufe 101 mit der zweiten

10 lu101871 Leistungsstufe 102 über eine Verbindung 104 derart gekoppelt, dass die beiden | Leistungsstufen 101, 102 in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen 1, 2 in Serie geschaltet sind. Zu den beiden Eingangsklemmen 1, 2 sind zudem zwei Kondensatoren C1, C2 in Serie geschaltet. Die an den Eingangsklemmen 1, 2 liegende Eingangsspannung Vin liegt hierdurch sowohl über der Serienschaltung der beiden Kondensatoren C1, C2 als auch über der Serienschaltung der beiden Leistungsstufen 101, 102 an. Für einen Betrieb der beiden Leistungsstufen 101, 102 ist auf der Primärseite der Stromversorgung eine Kontrolischaltung 120 angeordnet, die über einen ersten Ansteuerkreis 121 die erste Leistungsstufe 101 und die über einen zweiten Ansteuerkreis 122 die zweite Leistungsstufe 102 betreibt. Die Kontrollschaltung 120 ist zudem mit einem Knoten 123, der zwischen den beiden Kondensatoren C1, C2 angeordnet ist, verbunden, wodurch ein Bezugspotential für die Kontrollschaltung 120 bereitgestellt wird. Auf der Sekundärseite der Stromversorgung ist ein Ausgangskreis 103 angeordnet, der mit der Sekundärwicklung 113 gekoppelt ist und der über die Ausgangsklemmen 10, 11 eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout während des Betriebs des Schaltnetzteils bereitstellt. Für eine Regelung der Ausgangsspannung Vour wird ein Regelsignal VR von dem Ausgangskreis 103 über ein Koppelelement 114 zur primärseitigen Kontrolischaltung 120 übertragen. Das Koppelelement 114 kann sowohl als ein Optokoppler als auch als ein magnetischer Koppler ausgestaltet sein.

Die Stromversorgung der Fig. 3 ist daher ais ein galvanisch trennender DC/DC- Wandler ausgestaltet, der auf der Primärseite zwei in Reihe geschaltete Leistungsstufen 101, 102 aufweist. Die Leistungsstufen 101, 102 und die Kondensatoren C1, C2 sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch oder im Wesentlichen identisch, so dass durch die Reihenschaltung der beiden Leistungsstufen 101, 102 die Eingangsspannung Vin zu gleichen Teilen auf die beiden Leistungsstufen 101, 102 aufgeteilt wird. An den beiden Kondensatoren C1, C2 liegt hierbei jeweils die halbe Eingangsspannung Vin/2 an. Der Knoten

11 1u101871 123 stellt hierdurch ein Bezugspotential für die Kontrollschaltung 120 bereit, das der halben Eingangsspannung Vin/2 entspricht. Durch den symmetrischen Aufbau der Stromversorgung sind die Isolationsanforderungen an die Stromversorgung gleich, unabhängig davon, ob die Eingangsklemme 1 oder die Eingangsklemme 2 mit Erde verbunden ist. Dies führt zu erheblich reduzierten Isolationsanforderungen für das Koppelelement 114, sowie für die primärseitige Kontrolischaltung 120 und die beiden Ansteuerschaltungen 121, 122.

Die beiden Leistungsstufen 101, 102 sind insbesondere als Schaltnetzteile ausgestaltet. Die Wandlertopologie der Schaltnetzteile ist hierbei so gewählt, dass im funktionalen Einsatz keine funktionsbedingte Überspannung erzeugt wird. Die Position der Kontrollschaltung 120 bzw. das Bezugspotential der Kontrollschaltung 120 hat hierbei einen großen Einfluss auf die Spannungsbelastungen und Isolationsanforderungen für die zu der Kontrolischaltung 120 zugehörigen Peripherie. Dazu gehören insbesondere das Koppelelement 114 der Regelschleife und die Ansteuerschaltungen 121, 122 für die Leistungsstufen 101, 102. Durch den symmetrischen Aufbau der Primärseite werden die Spannungsbelastungen an den Isolationsstrecken so klein wie möglich gehalten, unabhängig davon, ob der positive Pol der Eingangsspannung oder der negative Pol der Eingangsspannung mit Erde verbunden ist. Hierdurch ergeben sich die geringsten Isolationsanforderungen für die beiden Schaltnetzteile.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der anhand der Fig. 3 beschriebenen Stromversorgung ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Stromversorgung ist hierbei als ein Schaltnetzteil ausgestaltet, das vorzugsweise zwei Zwei-Transistor- Sperrwandler aufweist. Das Schaltnetzteil enthält einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung 111, einer zweiten Primärwicklung 112 und mindestens einer Sekundärwicklung 113, sowie eine galvanische Trennung 100, und entspricht beispielsweise dem Transformator der Fig. 3. Die beiden

12 1u101871 Leistungsstufen der Fig. 4 enthalten zwei Leistungsschalter M1, M2 und zwei | Dioden D1, D2, bzw. zwei Leistungsschalter M3, M4 und zwei Dioden D4, D5. Der Leistungsschalter M1 ist mit einem ersten Stromanschluss mit der Eingangsklemme 1 und mit einem zweiten Stromanschluss mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung 111 gekoppelt. Der Leistungsschalter M2 ist mit einem ersten Stromanschluss mit einem zweiten Anschluss der Primärwicklung 111 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit dem Knoten 123 gekoppelt. Die Diode D1 ist mit inrer Anode mit dem zweiten Anschluss der Primarwicklung 111 gekoppelt und mit ihrer Kathode mit der Eingangsklemme 1 gekoppelt, und die Diode D2 ist mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss der Primarwickiung 111 gekoppelt und mit ihrer Anode mit dem Knoten 123 gekoppelt.

Der Leistungsschalter M3 ist mit einem ersten Stromanschluss mit dem Knoten 123 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt. Der Leistungsschalter M4 ist mit einem ersten Stromanschluss mit einem zweiten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt. Die Diode D4 ist mit ihrer Anode mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit ihrer Kathode mit dem Knoten 123 gekoppelt, und die Diode D5 ist mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit ihrer Anode mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt.

Die beiden Leistungsstufen der Fig. 4 sind hierdurch symmetrisch angeordnet in Bezug auf die Eingangsklemmen 1, 2 und die Primärwicklungen 111, 112 und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch aufgebaut in Bezug auf ihre Bauteile. Die Leistungsschalter M1 — M4 sind insbesondere Schalttransistoren, wie beispielsweise niederohmige Feldeffekttransistoren (MOS-FET, SiC-JFET, GaN-FET). Die Dioden D1 — D4 reduzieren als Freilaufdioden durch diese Beschaltung in bekannter Weise Spannungsspitzen an den Primärwicklungen 111 bzw. 112 des Transformators während des Betriebs des Schaltnetzteils.

13 lu101871 Die Kondensatoren C1, C2 der Figur 4 entsprechen den Kondensatoren C1, C2 der Figur 3 und weisen vorteilhafterweise die gleiche Kapazität auf.

Die Leistungsschalter M1 — M4 werden während des Betriebs des Schaltnetzteils fortlaufend geöffnet und geschlossen. Hierdurch fließt ein pulsierender Gleichstrom durch die Primärwicklungen 111, 112, so dass der Transformator magnetisiert wird und hierdurch eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 113 induziert wird, die durch ein Gleichrichterelement D3 gleichgerichtet wird und einen Glättungskondensator C3 auflädt, so dass an den Ausgangsklemmen 10, 11 eine geglättete Gleichspannung, Ausgangsspannung Vour, anliegt. Sekundärseitig ist weiterhin eine Regelschaltung 130 angeordnet, die mit dem Koppelelement 114 verbunden ist. Primärseitig ist eine Kontrollschaltung 140 angeordnet, die mit dem Koppelelement 114 verbunden ist. Die Kontroilschaltung 140 steuert über Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b die Leistungsschalter M1- M4: Ansteuerschaltung 121a steuert den Leistungsschalter M1, Ansteuerschaltung 121b steuert den Leistungsschalter M2, Ansteuerschaltung 122a steuert den Leistungsschalter M3 und Ansteuerschaltung 121b steuert den Leistungsschalter M4.

Das Koppelelement 114 verbindet die sekundärseitige Regelschaltung 130 mit der primärseitigen Kontrollschaltung 140, so dass über eine Rückkopplung die Ausgangsspannung Vourt und/oder ein Ausgangsstrom des Schaltnetzteils während des Betriebs des Schaltnetzteils geregelt wird. Die sekundärseitige Regelschaltung 130 misst hierzu beispielsweise die Ausgangsspannung Vour und den Ausgangsstrom des Schaltnetzteils, und vergleicht diese mit Maximalwerten. Die Regelschaltung 130 weist hierfür beispielsweise einen Komparator und eine Referenzspannungsquelle auf zur Erzeugung einer Referenzspannung. Wird einer der Maximalwerte überschritten, so signalisiert die sekundärseitige Regelschaltung 130 dies als Fehler und überträgt ein Fehlersignal, Regelsignal Vr, über das Koppelelement 114 zur primärseitigen Kontrolischaltung 140. Die primärseitige Kontrolischaitung 140 reduziert nachfolgend die über den Transformator übertragene Energie, z.B. bei TTS ——————

14 1u101871 Pulsweitenmodulation (PWM) durch Reduzierung des Tastverhältnisses, solange, bis die Ausgangsspannung Vout und/oder der Ausgangsstrom die Maximalwerte wieder unterschreiten. Darauf wird die Energieübertragung zum Beispiel durch Vergrößerung des Tastverhältnisses wieder bis zur Überschreitung einer der maximalen Ausgangsgrößen erhöht. Diese Erhöhung und Absenkung der übertragenen Energie wird fortlaufend während des Betriebs des Schaltnetzteils wiederholt, um beispielsweise auch auf Änderungen der Last zu reagieren.

Die erste Leistungsstufe des Schaltnetzteils mit den Leistungsschaltern M1, M2 ist vorteilhafterweise als ein Sperrwandier ausgeschaltet und stellt in diesem Ausführungsbeispiel einen Zwei-Transistor-Sperrwandler dar. Die zweite Leistungsstufe mit den Leistungsschaltern M3, M4 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch zu der ersten Leistungsstufe, so dass das Schaltnetzteil in Bezug auf die beiden Leistungsstufen voll symmetrisch aufgebaut ist. Die zwei Kondensatoren C1, C2 weisen vorteilhafterweise die gleiche Kapazität auf, die Eingangsspannung Vin wird hierdurch durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren C1, C2 symmetrisch geteilt. Die beiden Zwei-Transistor-Sperrwandler arbeiten daher jeweils an einem der beiden Kondensatoren C1 und C2 während des Betriebs des Schaltnetzteils: Der erste Zwei-Transistor-Sperrwandler mit den Leistungsschaltern M1, M2 am Kondensator C1 und der zweite Zwei-Transistor-Sperrwandler mit den Leistungsschaltern M3, M4 am Kondensator C2.

Das Schaltnetzteil weist zudem eine Anlaufschaltung 150 auf, die insbesondere eine Versorgungsspannung für die Kontrollschaltung 140 beim Einschalten des Schaltnetzteils und während dessen Betriebs bereitstellt. Die Anlaufschaltung 150 ist mit dem Knoten 123 verbunden, wodurch fiir die Anlaufschaltung 150 als Bezugspotential die halbe Eingangsspannung Vin verwendet wird. Das Bezugspotential der Kontrollschaltung 140 ist ebenfalls die halbe Eingangsspannung Vin, entsprechend ebenso für die Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b.

15 1u101871 Durch die Verwendung der halben Eingangsspannung Vin als Bezugspotential ist die Spannungsbelastung fiir die Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b auf die halbe Eingangsspannung Vin reduziert, damit sind auch die Isolationsanforderungen innerhalb der Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b entsprechend reduziert. Durch die Position der Kontrollschaltung 140 auf der halben Eingangsspannung Vin/2 ist ebenfalls die Spannungsbelastung über dem Koppelelement 114 auf die halbe Eingangsspannung Vin limitiert. Dies ist unabhängig von der Erdung der Eingangsspannung Vin. Das heißt, bei Erdung des Schaltnetzteils am positiven Pol, hier Eingangsklemme 1, als auch am negativen Pol, hier Eingangsklemme 2, der Eingangsspannung Vin ergibt sich immer die halbe Eingangsspannung Vin/2 als Arbeitsspannung am Koppelelement 114. Das Schaltnetzteil der Fig. 4 weist weiterhin noch einen oder zwei Filterkondensatoren auf, in diesem Ausführungsbeispiel die Filterkondensatoren C4, C5. Diese koppeln den Knoten 123 mit dem negativen Pol der Ausgansspannung Vout, Ausgangsklemme 11. Die Isolationsanforderungen der Filterkondensatoren C4, C5 liegen daher in der Größenordnung des Koppelelements 114.

Durch die Verwendung einer Reihenschaltung von zwei identischen oder im wesentlichen identischen Zwei-Transistor-Sperrwandlern fir die Stromversorgung werden keine betriebsbedingten Uberspannungen während des Betriebs der Stromversorgung erzeugt, im Gegensatz zu einfachen Sperrwandlern. Bei einem einfachen Sperrwandier kann die betriebsbedingte Uberspannung, die Spannungsbelastung an dem Leistungsschalter, auf den doppelten Wert der Eingangsspannung Vin ansteigen und somit ist bei dem einfachen Sperrwandler die Arbeitsspannung an der trennenden Isolation des Transformators deutlich héher. Zudem wird durch die Verwendung eines optimal gewählten Mittelpunktes, Knoten 123, für die Anlaufschaltung 150 und die Kontrollschaltung 140 die Isolationsanforderung für das Koppelelement 114 reduziert.

16 1u101871 Die vorgeschlagene Stromversorgung realisiert daher eine kostengünstige Lösung mit einer kleinstmöglichen Anzahl an Komponenten: Sie entspricht einem „Ein-Stufenwandler“. Es werden keine vorgeschalteten Tiefsetzerstufen benötigt zur Reduzierung der Isolationsanforderungen innerhalb der Stromversorgung.

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.

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Bezugszeichenliste Eingangsklemmen 1,2 Ausgangsklemmen 10, 11 Eingangskreis 20 Ausgangskreis 21 Transformator 30 Primärwicklung 31 Sekundärwicklung 32 Galvanische Trennung 33 Koppelelement 40 Erde 50 Primärseitiger Schalter S1 Sekundarseitiger Schalter S2 Eingangsspannung Vin Ausgangsspannung Vout Isolationsspannung des Transformators 30 Vis1 Isolationsspannung des Koppelelements 40 Vis2 Isolationsspannung des Eingangskreises Vis3 Isolationsspannung des Ausgangskreises Visa Transformator 60 Primärwicklung 61 Sekundärwicklung 62 Galvanische Trennung 63 Primärseitige Ansteuerung 70 Leistungsschalter 71 Sekundärseitige Regelung 80 Koppelelement 81 Diode 82 Glattungskondensator 83 Isolationsspannungen des Transformators 60 Vise, Vis? Isolationsspannung des Koppelelements 81 Viss

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Galvanische Trennung 100 Erste Leistungsstufe 101 Zweite Leistungsstufe 102

Ausgangskreis 103 Verbindung 104 Erste Primärwicklung 111 Zweite Primärwicklung 112 Sekundärwicklung 113

Koppelelement 114 Primärseitige Kontrollschaltung 120 Erste Ansteuerschaltung 121 Zweite Ansteuerschaltung 122 Knoten 123

Kondensatoren C1, C2 Regelsignal VR Ansteuerschaltungen fiir die erste Leistungsstufe 121a, 121b Ansteuerschaltungen für die zweite Leistungsstufe 122a, 122b

Sekundarseitige Regelschaltung 130 Primärseitige Kontrollschaltung 140 Anlaufschaltung 150 Gleichrichterelement D3 Glattungskondensator C3

Leistungsschalter M1 — M4 Dioden D1, D2, D4, D5 Filterkondensatoren C4, C5

Claims (13)

19 1u101871 (Patent-) Ansprüche

1. Stromversorgung, aufweisend eine erste Eingangsklemme (1) mit einem ersten Spannungspotential, | eine zweite Eingangsklemme (2) mit einem zweiten Spannungspotential, einen Transformator mit mindestens einer ersten und einer zweiten primärseitigen Wicklung (111, 112), mindestens einer sekundärseitigen Wicklung (113) und mit einer galvanischen Trennung (100), eine erste primärseitige Leistungsstufe (101; M1, M2), die mit einer ersten der primärseitigen Wicklungen (111) und einer ersten der Eingangsklemmen (1) gekoppelt ist, eine zweite primärseitige Leistungsstufe (102; M3, M4), die mit der Zweiten primärseitigen Wicklung (112) und der zweiten Eingangsklemme (2) gekoppelt ist, einen sekundärseitigen Ausgangskreis (103; D3, C3, 130), der mit der sekundärseitigen Wicklung (113) gekoppelt ist, eine primärseitige Kontrolischaltung (120; 140) zum Steuern der beiden Leistungsstufen (101, M1, M2; 102, M3, M4), und ein Koppelelement (114) zur Übertragung eines Regelsignals (Vr) von dem Ausgangskreis (103; D3, C3, 130) zur Kontrollschaltung (120; 140), wobei die beiden Leistungsstufen (101, M1, M2; 102, M3, M4) in Serie geschaltet sind in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen (1, 2), und die Kontrollschaltung (120; 140) während des Betriebs der Stromversorgung ein Bezugspotential (123) aufweist, das zwischen den beiden Spannungspotentialen der Eingangsklemmen (1, 2) liegt.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, aufweisend eine erste und eine zweite Ansteuerschaltung (121, 122; 121a, 121b, 122a, 122b), wobei die erste Leistungsstufe (101; M1, M2) von der Kontrollschaltung (120; 140) über die erste Ansteuerschaltung (121; 121a, 121b) und die zweite Leistungsstufe (102; M3, M4) von der Kontrolischaltung (120; 140) über die zweite Ansteuerschaltung (122; 122a, 122b) ansteuerbar ist, und wobei die beiden Leistungsstufen (101, M1, M2; 102, M3, M4), die beiden Ansteuerschaltungen (121, 122; 121a, 121b, PR EE eee es —————————

20 lu101871 | 122a, 122b) und die Kontrollschaltung (120; 140) symmetrisch aufgebaut sind in Bezug auf eine an den Eingangsklemmen (1, 2) anliegende Eingangsspannung.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, wobei während des Betriebs der Stromversorgung die Differenz zwischen dem Bezugspotential (123) und dem Spannungspotential der ersten Eingangsklemme (1) und die Differenz zwischen dem Bezugspotential (123) und dem Spannungspotential der zweiten Eingangsklemme (2) innerhalb eines Toleranzbereiches fiir akzeptable Abweichungen gleich sind.

4, Stromversorgung nach Anspruch 1, 2 oder 3, aufweisend zwei Kondensatoren (C1, C2), die in Reihe geschaltet sind in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen (1, 2), und einen Knoten (123) zwischen den beiden Kondensatoren (C1, C2), der mit der Kontrollschaltung (120, 140) gekoppelt ist zur Bereitstellung des Bezugspotentials für die Kontrollschaltung (120, 140) während des Betriebs der Stromversorgung.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, wobei während des Betriebs der Stromversorgung die halbe Eingangsspannung (Vin/2) an dem Knoten (123) anliegt.

6. Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Leistungsstufen (101, M1, M2; 102, M3, M4) jeweils als ein Zwei- Transistor-Sperrwandier (M1, M2; M3, M4) ausgestaltet sind.

7. Stromversorgung nach Anspruch 6, wobei die beiden Leistungsstufen (101, M1, M2; 102, M3, M4) als zwei identische oder im wesentlichen identische Zwei-Transistor-Sperrwandler (M1, M2; M3, M4) ausgestaltet sind.

8. Stromversorgung nach Anspruch 6 oder 7, aufweisend eine Anlaufschaltung (150), die eine Versorgungsspannung fur die Kontrollschaltung (120, 140) beim Einschalten der Stromversorgung bereitstellt, und die mit dem Knoten (123) gekoppelt ist zur Bereitstellung eines Bezugspotentials fir die Anlaufschaltung (150).

DM

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9. Stromversorgung nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei der sekundärseitige Ausgangskreis (D3, C3, 130) eine Regelschaltung (130) aufweist, die mit | Ausgangsklemmen (10, 11) der Stromversorgung gekoppelt ist zur Erzeugung des Regelsignals (Vr) während des Betriebs der Stromversorgung zur Regelung einer Ausgangsspannung (Vour) und/oder eines Ausgangsstroms der Stromversorgung, und wobei die Regelschaltung (130) mit dem Koppelelement (114) gekoppelt ist zur Übertragung des Regelsignals (Vr) zur Kontrolischaltung (140).

10. Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Transformator und das Koppelelement (114) ausgebildet sind, während des Betriebs der Stromversorgung eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen einer an den Eingangsklemmen (1, 2) anliegenden Eingangsspannung (Vin) und einer von dem sekundärseitigen Ausgangskreis erzeugten Ausgangsspannung (Vour) einzuhalten.

11. Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (114) eine galvanische Trennung (100) aufweist und als ein Optokoppler (114) oder ein magnetischer Koppler ausgestaltet ist.

12. Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgung während des Betriebs an einer positiven Eingangsspannung (+) oder an einer negativen Eingangsspannung (-) geerdet ist.

13. Stromversorgung nach Anspruch 12, wobei während des Betriebs innerhalb der Stromversorgung auftretende Isolationsspannungen bei Erdung an der positiven Eingangsspannung (+) und bei Erdung an der negativen Eingangsspannung (-) identisch oder im Wesentlichen identisch sind.

Den