WO2006015713A1 - Verlustarmer spannungsteiler, insbesondere für zwischenkreise - Google Patents

Verlustarmer spannungsteiler, insbesondere für zwischenkreise Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a voltage divider, in particular for the compensation of leakage current in capacitors in intermediate circuits for drive systems, which has a lossy dimensioning.
  • the invention has for its object to provide a little interference-prone symmetrical power supply for arranged between the potentials of an operating voltage source capacitances, which avoids the disadvantages mentioned and in particular allows a low-loss and cost-effective implementation
  • a very simple and inexpensive, in particular for mass production suitable solution can be achieved according to the proposal of the invention is characterized in that between the potentials of the operating voltage source two series-connected transistors of opposite conductivity type are arranged with connected control inputs, wherein there is a center tap between the line types and that in each case parallel to a conductivity type, a capacitance is connected by an electric conductive connection between the center tap of the line types and the center tap of the capacitances, wherein the line types are arranged so that an electric current in the first conductivity type loads the parallel connected to the second conductivity type capacitor and an electric current in the second conductivity type parallel to the first conductivity type switched capacitor loads and the control inputs are controlled by means of the control potential.
  • the invention can be realized inexpensively and easily manufactured in large numbers, since these are standard components of the circuit technology. Because of the common control input of mutually complementary transistors, both can be alternately turned on using a single control voltage, which reduces the component cost and avoids a permanent cross-current between the operating voltage potentials, since only the leakage current of the downstream capacitor arrangement is compensated. A low susceptibility to interference is easy to achieve by the selection of high quality components and because of the low complexity of the circuit without significant losses in terms of cost savings produced.
  • the control potential can be realized particularly inexpensively by means of a voltage divider realized from high-resistance resistors, wherein at least two series-connected, high-resistance resistors with center tap between the two resistors are arranged between the potential of the operating voltage and supply the control potential at the center tap.
  • field-effect transistors in particular self-blocking N- and P-MOSFETs, which can be driven practically without power.
  • the circuit arrangement can also be used in power electronics and thus expand, for example, to the field of application drive technology.
  • the circuit is also suitable for purposes where significantly lower currents and voltages occur.
  • the 400 volts are more of an upper limit of the currently feasible.
  • suitable semiconductor material with correspondingly higher reverse voltages but could also cover applications with much higher currents and voltages.
  • Fig.l shows a DC voltage intermediate circuit for ensuring a symmetrical voltage by means of the solution according to the invention.
  • the invention relevant electrical components are shown only schematically without dimensioning. For a specific application then a corresponding dimensioning, which depends eg on the amount of operating voltage must be selected.
  • first, very high resistance and purely resistive resistor Rl a second identical resistor R2, a first self-blocking n-MOSFET Tl and a second self-blocking p-MOSFET T2, each with gate G, drain D and source S, two identical and Their capacitance forth identical electrolytic capacitors Cl and C2, the center taps Ml to M3, the operating voltage potentials Pl, P2 and the control potential P. All components together form the voltage divider.
  • the resistors Rl and R2 form a high-impedance voltage divider for generating the control potential at its center tap Ml.
  • the two transistors Tl and T2 form a single-stage, complementary impedance converter, which maps its input potential at Ml high-impedance to the output M2.
  • the MOSFETs can be driven without power, i. a control current is not required in principle and it is sufficient a simple control voltage. This is a particularly useful advantage of this embodiment of the invention, because this - as in the task also required - the power losses can be significantly minimized.
  • the drain terminal of the n-MOSFET In order for the capacitors C1, C2 to be charged as a function of the control voltage, the drain terminal of the n-MOSFET must be connected to the potential P1 and the drain terminal of the p-MOSFET to the potential P2.
  • the sources of T1 and T2 are coupled together and form the center tap M2 between the n and p channels of T1 and T2, respectively.
  • the two gate terminals are also connected together and form the control input of the impedance converter.
  • the series connection of the capacitances C1 and C2 likewise represents a voltage divider with center tap M3 between the connection points between C1 and C1.
  • M1, M2 and M3 are connected to one another, wherein all components are arranged between the potentials P1 and P2 of an identical operating voltage are.
  • the circuit therefore consists of the parallel arrangement of series-connected active and passive components.
  • the circuit works as follows. As the potential at M2 changes (decreases or increases) due to leakage currents, either T2 or T1 becomes conductive and a charging current through one of the transistors can balance the leakage current. Because of the virtually powerless control of the transistors Tl and T2 via the high-impedance voltage divider Rl and R2, the power loss in the system significantly reduced in comparison with the original solution, which did not include active components. When used in 800 volt DC intermediate circuits, the losses can be reduced. At such high DC voltages, however, field effect transistors with high dielectric strength of at least 400 volts per FET must be selected. Generally speaking, the losses are reduced by the factor by which the usual cross-flow was reduced by the previously low-resistance arrangement of R1 and R2. This factor is 5 to 10 depending on the type of capacitor.
  • the complementary transistor stage can also be replaced by multi-stage arrangements, so that instead of two transistors T 1, T 2 further transistors are used. Whether this is necessary is ultimately determined by the load, here the subsequent capacities.
  • Rl, R2 identical, high-impedance, purely ohmic resistors Tlr n-MOSFET
  • T2 p-MOSFET

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Spannungsteiler (1) mit einer zwischen den Potentialen (P1, P2) einer Betriebsspannungsquelle angeordneten Reihenschaltung von Kapazitäten (Cl, C2), der eine verlustarme und kostengünstige Realisierung herbei führt, wobei zwischen den Potentialen (P1, P2) der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren (T1, T2) entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen (G) angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen (T1, T2) ein Mittelabgriff (M2) befindet und jeweils parallel zu einem Leitungstyp (T1, T2) eine Kapazität (Cl, C2) geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Mittelabgriff (M2) der Leitungstypen (T1, T2) und dem. Mittelabgriff (M3) der Kapazitäten (C1, C2) besteht, wobei die Leitungstypen (T1, T2) so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp (T1) den parallel zum zweiten Leitungstyp (T2) geschalteten Kondensator (C2) lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp (T2) den parallel zum ersten Leitungstyp (T1) geschalteten Kondensator (Cl) lädt und die Steuereingänge (G) mittels des Steuerpotentials (P) angesteuert sind.

Description

Verlustarmer Spannungsteiler, insbesondere für Zwischenkreise
Die Erfindung betrifft einen Spannungsteiler, insbesondere zur Kompensation von Leckstrom bei Kondensatoren in Zwischenkreisen für Antriebssysteme, der eine verlustafme Dimensionierung aufweist.
Es ist bekannt Spannungsteiler, beispielsweise mittels einer Reihenschaltung von ohmschen Widerständen zu realisieren. Der Mittelabgriff zwischen den Widerständen liefert relativ zum Bezugspotential eine Spannung, welche je nach Dimensionierung und Anzahl der Widerstände der halben Betriebsspannung entsprechen kann. Dieser Anordnung könnten Kondensatoren parallel geschaltet werden, um diese mit einer symmetrischen Spannung zu versorgen und Leckströme auszugleichen. Dies wird in Verbindung mit Zwischenkreiskondensatoren zur Spannungssymmetrierung und zum Ausgleich von Leckströmen bereits so praktiziert.
Aufgrund der zu wählenden und relativ niederohmigen Widerstände tritt bei dieser Anordnung jedoch ein nicht mehr vernachlässigbarer Querstrom auf, was zu einer erhöhten Verlustleistung und einer großen Anzahl von Bauteilen führt, um die Verlustleistung zu verteilen. Dies erhöht ebenfalls ggf. den Kühlaufwand *und die Fertigungskosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine wenig störanfällige symmetrische Spannungsversorgung für zwischen den Potentialen einer Betriebsspannungsquelle angeordnete Kapazitäten zu schaffen, welche die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine verlustarme und kostengünstige Realisierung ermöglicht
Eine sehr einfache und billige, insbesondere für die Massenfertigung geeignete Lösung, lässt sich nach dem Vorschlag der Erfindung dadurch erzielen, dass zwischen den Potentialen der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen ein Mittelabgriff befindet und dass jeweils parallel zu einem Leitungstyp eine Kapazität geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Mittelabgriff der Leitungstypen und dem Mittelabgriff der Kapazitäten besteht, wobei die Leitungstypen so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp den parallel zum zweiten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp den parallel zum ersten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und die Steuereingänge mittels des Steuerpotentials angesteuert sind.
Durch den Einsatz von aktiven Bauelementen -also Transistoren- kann die Erfindung preisgünstig realisiert und in großen Stückzahlen einfach hergestellt werden, da es sich hier um Standardkomponenten der Schaltungstechnik handelt. Wegen des gemeinsamen Steuereinganges der zueinander komplementären Transistoren können beide unter Verwendung einer einzigen Steuerspannung alternierend leitend geschaltet werden, was den Bauteileaufwand reduziert und einen permanenten Querstrom zwischen den Betriebsspannungspotentialen vermeidet, da nur noch der Leckstrom der nachgeschalteten Kondensatoranordnung kompensiert wird. Eine geringe Störanfälligkeit ist durch die Auswahl qualitativ hochwertiger Bauteile und wegen der geringen Komplexität der Schaltung einfach realisierbar ohne nennenswerte Einbußen bzgl. der Kostenersparnis herstellbar.
Eine einfache Möglichkeit weiter Kosten einzusparen ist dadurch erreichbar, dass das Steuerpotential aus der Betriebsspannungsquelle abgeleitet wird. Eine zusätzliche Spannungsquelle wird damit überflüssig.
Besonders preiswert lässt sich das Steuerpotential mittels eines aus hochohmigen Widerständen realisierten Spannungsteilers realisieren, wobei zumindest zwei in Reihe geschaltete, hochohmige Widerstände mit Mittelabgriff zwischen den zwei Widerständen, zwischen dem Potential der Betriebsspannung angeordnet sind und am Mittelabgriff das Steuerpotential liefern.
Um die Leistungsverluste der Anordnung weiter zu reduzieren verwendet man vorzugsweise Feldeffekttransistoren, insbesondere selbstsperrende N- und P- MOSFETs, die praktisch leistungslos angesteuert werden können. Durch die Verwendung von Transistoren mit Sperrspannungen in einer Größenordnung um 400 Volt lässt sich die Schaltungsanordnung auch in der Leistungselektronik verwenden und damit beispielsweise auf das Anwendungsfeld Antriebstechnik ausweiten. Selbstverständlich ist die Schaltung auch für Zwecke geeignet, wo wesentlich geringere Ströme und Spannungen auftreten. Die 400 Volt stellen hier eher eine Obergrenze des zur Zeit Machbaren dar. Bei geeignetem Halbleitermaterial mit entsprechend höheren Sperrspannungen ließen sich aber auch Anwendungsfelder mit wesentlich höheren Strömungen und Spannungen abdecken.
Zweckmäßig verwendet man integrierte Transistoren mit gemeinsamen Substrat zur Einsparung von Bauteilen und Platz, der sich durch zusätzliche Integration des zuvor genannten hochohmigen Spannungsteilers aus Widerstandsanordnung noch weiter optimieren ließe.
Besonders in der Antriebstechnik herrscht im Rahmen der Miniaturisierung und Zusammenfassung von Komponenten häufig Bedarf an möglichst geringen
Abmessungen, um auch noch letzte Hohlräume beispielsweise innerhalb von
Antriebskomponenten ausnutzen zu können. Daher käme die Erfindung vorteilhaft zur
Anwendung innerhalb eines Frequenzumrichters, eines elektrischen Antriebssystems
(Motor, Antriebsregler, Antriebssteuerung), oder eines Wechselrichters. Hierbei insbesondere zur Stabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises.
Der Freiheitsgrad beim Design und der Konstruktion von Gehäusen für elektrische Geräte/Maschinen ist oftmals wegen der physikalischen Eigenschaften elektronischer Schaltungen bzw. der erforderlichen Wärmeabfuhr stark eingeschränkt. Ordnet man den Spannungsteiler innerhalb eines Gehäuses so an, dass er nicht oder nur teilweise von der Gehäuseirmenraumkühlung erfesst ist - was aufgrund der erfindungsgemäßen geringen Leistungsverluste nun ohne Weiteres möglich ist - so kann man den Freiheitsgrad in erheblichem Maße erhöhen und den gekühlten Innenraum zur Unterbringung von Platinen mit höheren Leistungsverlusten verwenden. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefugten Zeichnung Fig. 1 erläutert. Fig.l zeigt einen Gleichspannungszwischenkreis zur Sicherstellung einer symmetrischen Spannung mittels der erfindungsgemäßen Lösung. Die erfindungsrelevanten elektrischen Bauteile sind hier nur schematisch ohne Dimensionierung gezeigt. Für eine konkrete Anwendung muss dann eine entsprechende Dimensionierung, die z.B. von der Höhe der Betriebsspannung abhängig ist, gewählt werden.
Es sind gezeigt ein erster, sehr hochohmiger und rein ohmscher Widerstand Rl, ein zweiter identischer Widerstand R2, ein erster selbstsperrender n-MOSFET Tl und ein zweiter selbstsperrender p-MOSFET T2 mit jeweils Gate G, Drain D und Source S, zwei baugleiche und von ihrer Kapazität her identische Elektrolytkondensatoren Cl und C2, die Mittelabgriffe Ml bis M3, die Betriebsspannungspotentiale Pl, P2 und das Steuerpotential P. Alle Bauteile zusammen bilden den Spannungsteiler 1.
Die Widerstände Rl und R2 bilden einen hochohmigen Spannungsteiler zur Erzeugung des Steuerpotentials an ihrem Mittelabgriff Ml. Die beiden Transistoren Tl und T2 bilden einen einstufigen, komplementären Impedanzwandler, welcher sein Eingangspotential an Ml hochohmig auf den Ausgang M2 abbildet. Die MOSFETS können leistungslos angesteuert werden, d.h. ein Steuerstrom ist im Prinzip nicht erforderlich und es genügt eine einfache Steuerspannung. Dies ist ein besonders nützlicher Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung, weil hierdurch -wie in der Aufgabenstellung auch gefordert- die Leistungsverluste deutlich minimiert werden können.
Damit die Kondensatoren Cl, C2 abhängig von der Steuerspannung geladen werden, muss der Drainanschluß des n-MOSFETs an das Potential Pl und der Drain- Anschluß des p-MOSFETS an das Potential P2 angeschlossen werden. Die Source-Anschlüsse von Tl und T2 sind miteinander gekoppelt und bilden den Mittelabgriff M2 zwischen dem n- und p-Kanal von Tl bzw. T2. Die beiden Gate-Anschlüsse sind ebenfalls miteinander verbunden und bilden den Steuereingang des Impedanzwandlers. Die Reihenschaltung aus den Kapazitäten Cl und C2 stellt ebenfalls einen Spannungsteiler mit Mittelabgriff M3 zwischen den Verbindungsstellen zwischen Cl und Cl dar. In der erfindungsgemäßen Schaltung sind Ml, M2 und M3 miteinander verbunden, wobei alle Komponenten zwischen den Potentialen Pl und P2 einer identischen Betriebsspannung angeordnet sind. Die Schaltung besteht demnach aus der parallelen Anordnung von in Reihe geschalteten aktiven und passiven Bauteilen.
Die Schaltung arbeitet wie folgt. Sobald sich das Potential an M2 gegenüber Ml aufgrund von Leckströmen ändert (verringert oder erhöht) wird entweder T2 oder Tl leitend und es kann ein Ladestrom durch einen der Transistoren den Leckstrom ausgleichen. Wegen der nahezu leistungslosen Ansteuerung der Transistoren Tl und T2 über den hochohmigen Spannungsteiler Rl und R2 verringert sich die Verlustleistung im System deutlich im Vergleich mit der ursprünglichen Lösung, welche keine aktiven Bauteile umfasste. Bei der Verwendung in 800 Volt - Gleichspannungszwischenkreisen lassen sich die Verluste reduzieren. Bei derart hohen Gleichspannungen müssen allerdings Feldeffekttransistoren mit hoher Spannungsfestigkeit von mindestens 400 Volt pro FET gewählt werden. Allgemein formuliert reduzieren sich die Verluste um den Faktor, um den der sonst übliche Querstrom durch die vormals niederohmige Anordnung von Rl und R2 reduziert wurde. Dieser Faktor liegt abhängig vom Kondensatortyp bei 5 bis 10.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die komplementäre Transistorstufe -auch durch mehrstufige Anordnungen ersetzt werden kann, so dass anstelle von zwei Transistoren Tl, T2 weitere Transistoren zum Einsatz kommen. Ob dies erforderlich ist wird letztlich durch die Last, hier die nachfolgenden Kapazitäten, bestimmt.
Geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für alle Anordnungen, wo eine symmetrische Gleichspannung erzeugt werden muss und nur ein, geringer Platzbedarf bei wenig Verlusten gefordert ist. Bezugszeichenliste
1: Erfindungsgemäßer Spannungsteiler
Rl, R2: identische, hochohmige, rein ohmsche Widerstände Tlr n-MOSFET
T2: p-MOSFET
Cl, C2: identische Elektrolytkondensatoren
Pl, P2: Potentiale der Betriebsspannung
P: Steuerpotential ]yt 1 , M2, M3 : Mittelabgriffe der Bauteilanordnungen
G: Gate
S: Source
D: Drain

Claims

Patentansprüche
1. Spannungsteiler, insbesondere für Gleichspannungszwischenkreise in Antriebssystemen, mit einer zwischen den Potentialen einer Betriebsspannungsquelle angeordneten Reihenschaltung von Kapazitäten mit Mittelabgriff zwischen zwei Kapazitäten und einem Steuerpotential am Mittelabgriff, dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen den Potentialen (Pl, P2) der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren (Tl, T2) entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen (G) angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen ein Mittelabgriff (M2) befindet,
- dass jeweils parallel zu einem Leitungstyp eine Kapazität (Cl, C2) geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Mittelabgriff (M2) der Leitungstypen und dem Mittelabgriff der Kapazitäten (M3) besteht,
- die Leitungstypen so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp den parallel zum zweiten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp den parallel zum ersten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt,
- die Steuereingänge (G) mittels des Steuerpotentials (P) angesteuert sind,
2. Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuerpotential (P) aus der Betriebsspannungsquelle (Pl, P2) abgeleitet ist.
3. Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete, hochohmige Widerstände (Rl, R2) mit Mittelabgriff (Ml) zwischen den Widerständen (Rl," R2) zwischen dem Potential der Betriebsspannung (Pl, P2) angeordnet sind und am Mittelabgriff (Ml) das Steuerpotential (P) liefern.
4. Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (Tl, T2) Feldeffekttransistoren sind, vorzugsweise selbstsperrende N- und P- MOSFETs.
5. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (Tl, T2) eine Sperrspannung in einer Größenordnung um 400 Volt aufweisen.
6. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um integrierte Transistoren (Tl, T2) mit gemeinsamen
Substrat handelt.
7. Spannungsteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass 'die Widerstandsanordnung (Rl, R2) gemäß Anspruch 3 zusammen mit den Transistoren integriert ist.
8. Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (Cl, C2) eine annähernd identische Größenordnung aufweisen.
9. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese von einem Frequenzumrichter oder einem elektrischen Antriebssystem, oder einem Wechselrichter umfasst ist.
10. Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler innerhalb eines Gehäuses so -angeordnet ist, dass er nicht oder nur teilweise von der Gehäuseinnenraurnkühlung erfasst ist.
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