WO2010079066A1 - Spannungsversorgungseinrichtung für eine last - Google Patents

Spannungsversorgungseinrichtung für eine last Download PDF

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WO2010079066A1
WO2010079066A1 PCT/EP2009/067336 EP2009067336W WO2010079066A1 WO 2010079066 A1 WO2010079066 A1 WO 2010079066A1 EP 2009067336 W EP2009067336 W EP 2009067336W WO 2010079066 A1 WO2010079066 A1 WO 2010079066A1
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voltage
converter
supply device
voltage converter
polarity reversal
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PCT/EP2009/067336
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Inventor
Peter Maisel
Martin Saliternig
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/125—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M3/135—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
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    • H02M3/142—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0034—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using reverse polarity correcting or protecting circuits

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for a load, in particular for a network, with an energy store and a voltage converter.
  • Reverse polarity is usually when changing or connecting and disconnecting the energy storage, if no mechanical protective measures are available. If the energy store designed as a DC voltage source is connected in reverse polarity to the electrical or electronic circuit, a very high short-circuit current flows without polarity reversal protection. Since the electronic components are not dimensioned for such high currents, it comes to the destruction of the electronics.
  • the terminals of the energy storage ie the battery
  • the terminals of the energy storage usually designed so that a possible interchanging of the plus and minus terminal is not prevented.
  • Circuit engineering measures according to the prior art are, for example reverse polarity protection diodes, such as a diode in the load circuit, antiparallel Schottky diodes in the power path, serial power switch in the output path, serial power diodes in the output path or the like.
  • reverse polarity protection diodes such as a diode in the load circuit, antiparallel Schottky diodes in the power path, serial power switch in the output path, serial power diodes in the output path or the like.
  • Such diodes must have a very high current carrying capacity, so that they require a very large space requirement in the electronic device.
  • the installation of such a polarity reversal protection diode additionally has a negative effect on the price of the device. If a diode is inserted serially, although it only has to carry the load current, it also involves several disadvantages, such as: reduction of the efficiency, bidirectional operation of the converter not possible, space requirement and last but not least the price of the device.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a power supply device for a load, especially for a network, such as a vehicle electrical system, which ensures safe polarity reversal, requires a small footprint and is relatively inexpensive to manufacture.
  • the polarity reversal protection means connected to the connection terminals of the energy store are formed, which convert the voltage supplied from this voltage into a control voltage for active switching of the electronic switch, the synchronous, ie used for active rectification, at least in part for the protection of the electronics, by using the active semiconductors, ie the at least at least one electronic switch is brought into the conductive state to take over the short-circuit current. Due to the active connection of the electronic switches, the short-circuit current no longer flows through the parasitic diode in its design as a MOSFET, when it is embodied as an IGBT via the external diode, but via the opened drain-source channel or the emitter-collector path.
  • the bypassing of the internal or external diodes has the positive effect that the current distribution in the individual elements is not influenced by the thermally unfavorable diode characteristic (higher temperature, lower forward voltage, ie the most heavily loaded Diode conducts best).
  • the losses in the components are minimized and the rise and amplitude of the short-circuit current are increased.
  • a safe triggering of the fuse in the overcurrent monitoring is brought about. Since the components are designed for high loads during normal operation, they can also assume the occurring short-circuit current without additional cooling measures.
  • the reverse polarity protection means are designed as polarity reversal voltage transformers, which automatically become active in the case of a reverse polarity-connected energy store, taking the energy from the reverse polarity energy store.
  • a first protective diode is arranged in the input line of the polarity reversal protection voltage converter, which ensures that the polarity reversal protection
  • Voltage transformer is activated only with polarity reversed connected energy storage. This ensures that no influence on the normal operation of the voltage converter occurs due to the additional measures according to the invention.
  • a second protective diode for preventing a reverse current from the voltage converter is arranged in the output line of the polarity reversal protection voltage converter, which also contributes to a safe operation in normal operation of the power supply device.
  • the output voltage of the polarity reversal protection voltage converter is used for driving the drive circuit of the electronic switches of the voltage converter.
  • Another advantageous embodiment provides that the output of the polarity reversal protection voltage converter is connected to the control electrode of the at least one electronic switch of the voltage converter.
  • the voltage transformer of the voltage supply device and / or the polarity reversal protection voltage converter can be designed as an insulating or non-insulating DC / DC converter.
  • the polarity reversal voltage converter is designed as a flyback converter with PWM control or with freely oscillating oscillator, the PWM drive with a self-sustaining power supply can be provided, whereby even with decreasing input voltages still sufficient output voltage can be provided ,
  • the polarity reversal protection flyback converter is used as a flux converter with Meissneroszil- trained, which allows operation even at very low input voltages.
  • advantages of the invention enumerate that no additional power loss occurs during normal operation of the voltage converter, that the invention can be used in many topologies, that a small number of additional components is necessary and that a cost and space reduction is possible.
  • FIG. 1 is a block diagram of a voltage supply device according to the prior art with verpol- tem energy storage
  • FIG. 3 is a detailed circuit-specific embodiment of a part of the voltage supply device according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a detailed circuit configuration of a part of the voltage supply device according to the invention according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 5 shows a circuit configuration of a first
  • Fig. 6 shows a circuit configuration of a second
  • FIG. 7 shows a circuit configuration of a third embodiment of the reverse polarity voltage converter according to the invention.
  • a voltage supply device 1 for a load 2 which is designed for example as a motor vehicle electrical system, shown.
  • the power supply device has an energy store 3, for example a battery, whose connections are connected in reverse polarity to the positive and to the negative or ground line 4, 5.
  • a DC / DC converter 6, which serves to boost a lower input voltage V LV into a higher voltage V H v or to step down the latter voltage into a voltage V LV (indicated by the arrows in the figure), is correspondingly connected to
  • the internal structure of the insulating transducer 6 is partially shown in more detail, with an additional polarity reversal voltage transformer 8 is provided.
  • the illustrated part of the voltage converter 6 is the low-voltage side wiring of a current doubler topology.
  • other actively switched voltage transducer topologies usable such as full bridge, one-way rectification, center-tapped rectification, center-tapped inverse rectification, or the like.
  • the circuit according to FIG. 2 comprises the energy store 3 which is connected to the positive and negative terminal 9, 10 of the voltage converter 6 and which here too is shown in the reverse polarity state.
  • the input of the voltage converter 6 is provided via the fuse 7, not shown, with an EMC filter 11 for electromagnetic compatibility and between positive line 4 and ground close to two capacitors, an output capacitor 12 and a working capacitor 13, between which a filter coil 14 in the positive line lies.
  • the polarity reversal voltage transformer 8 is connected in an inverted manner to the transducer 6 to be protected, i. the minus terminal 15 of the polarity reversal protection voltage converter 8 is connected to the positive line 4, while the positive terminal 16 is connected to the negative or ground line 5 of the converter 6.
  • Two storage inductors L LV i and L LV 2 which are connected to a winding of a transformer 17, are connected to the positive line 4 at the one terminal of the working capacitor 13.
  • four designed as MOSFETs electronic switches Tl, T2, T3, T4 are provided, wherein the drain terminals with the storage chokes L LV i, L LV 2 and the transformer 17 and the source terminals are connected to ground.
  • the gate electrodes are driven by a gate driver 18, which in turn is driven by a control unit 19, which acts as a PWM controller, as a microcomputer.
  • the polarity reversal voltage transformer 8 is connected to the gate driver 18.
  • the operation of the DC / DC converter 6 is well known and will not be explained further.
  • the polarity reversal protection voltage converter 8 comprises a diode Dl connected to the positive terminal 16, an insulating DC / DC converter 20, a Zener diode ZD1 stabilizing the output voltage, and a diode D2 connected to an output A of the polarity reversal voltage converter 8.
  • the protective diode Dl at the input serves to activate the DC / DC converter 20 when the energy store 3 is reversed in polarity, otherwise it locks.
  • the diode D2 at the output prevents reverse current from the gate driver 18.
  • only the connection of the polarity reversal voltage converter 8 is shown with an electronic switch, so that when several switches, the various control electrodes are not directly connected to each other, if required, multiple diodes as D2 be necessary.
  • the driver for the electronic switch T 1 illustrated in FIG. 3 comprises a logic circuit 21 which is connected on the one hand to the control unit 19 and on the other hand to the base electrodes of a respective transistor 22, 23.
  • the emitters are connected together and a resistor 24 connected between base and emitter adjusts the operating point.
  • At the collector of the transistor 22 is the driving voltage and the collector of the transistor 23 is grounded.
  • the emitter electrodes of the transistors 22, 23 are connected to the gate electrode of the MOSFET Tl, wherein a resistor 25 between gate electrode and ground, the control electrode de even with otherwise de-energized electronics in the off state holds.
  • the output A of the polarity reversal voltage converter 8 is connected to the gate electrode of the MOSFET Tl.
  • the diode D 1 switches on and activates the DC / DC converter 20, which in turn supplies an output voltage stabilized by the Zener diode ZD 1, as a result of which the transistor T 1 switches and a voltage drop occurs at the
  • Components 14 the inductors L LV i, L LV2 and the MOSFET Tl or the four MOSFETs Tl to T4. As a result, the fuse 7 triggers safely.
  • FIG. 4 shows a variant of FIG. 3, the output A of the polarity reversal protection voltage converter providing the drive voltage and being connected to the collector of the transistor 22.
  • a further output B is provided, wherein a diode T3 is connected between the output of the DC / DC converter 20 and the output B, which also as
  • the output B is connected to resistors 26, 27 for adaptation to the driver input voltage.
  • the other components correspond to those of FIG. 3.
  • the transistors 22, 23 turn on when at the outputs A and B of the polarity reversal voltage converter 8, a voltage is applied, and then the MOSFET Tl switches.
  • Fig. 5 shows a flyback converter with a PWM controller.
  • the flyback converter has a MOSFET-designed switch 28, which is connected to a storage inductor 29, which is part of a transformer 30, between the positive and negative terminals 15, 16 of the polarity reversal voltage transformer 8 is located.
  • the switch 28 is driven by a PWM controller 31, wherein the resistors shown are not further described here, they are used to adjust the operating points and the switching thresholds.
  • the capacitor Cl When a voltage from the polarity reversal energy storage 3 at the inputs 15, 16 of the voltage converter 8 is applied, the capacitor Cl is charged and the PWM controller 31 is supplied with voltage. He switches the switch 28 according to the control in the lead and the blocking phase. Similarly, a current flows through the coil 29 of the transformer 30 and it builds up a magnetic field. In the conducting phase, the diodes D4 and D5 are blocked and there is no energy transfer. In the blocking phase, the voltage on the windings 32, 33 reverses and a current flows through the diodes D4 and D5 and charges the capacitors C2 and C3 , In the conducting phase, the capacitor C2 supplies the output voltage for switching the electronic switches Tl to T4 of the voltage converter 6 as described above.
  • FIG. 6 shows a polarity reversal voltage transformer 8 in the form of a flyback converter with a freely oscillating oscillator 34, which activates the electronic switch 28.
  • This flyback converter operates similar to that previously described in connection with FIG.
  • the zener diode ZD2 serves as a protection diode against voltage spikes.
  • Verpolschutz- voltage converter 8 in the form of a flux converter with Meissner
  • the oscillator is shown in FIG. 7.
  • the output side of the voltage converter 8 is formed as shown in FIG.
  • the oscillator 36 which acts as a push-pull oscillator, basically comprises two Meissner oscillators, the frequency-determining components being the capacitor C4 and the coil 35.
  • the transistors 37 and 38 become alternately conductive.
  • the ohmic voltage dividers connected in parallel are used to set the basic idle potential.
  • This circuit according to FIG. 7 is characterized in that it also operates at low voltages.

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Abstract

Es wird eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, mit einem an Anschlusskammern anschließbaren Energiespeicher und einem Spannungswandler, der mindestens einen elektronischen Schalter umfasst, vorgeschlagen. Verpolschutzmittel stehen mit den Anschlussklemmen in Verbindung, die ausgebildet sind, die bei Verpolung des Energiespeichers von diesem gelieferte Spannung in eine Steuerspannung zum aktiven Einschalten des elektronischen Schalters umzuwandeln.

Description

Beschreibung
Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last
Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, mit einem Energiespeicher und einem Spannungswandler.
Bei batteriegestützten Geräten, beispielsweise bei DC/DC- Wandlern zur Versorgung eines Netzes, das ein Kfz-Bordnetz, eine Basisstation-Telekommunikationseinrichtung oder dergleichen sein kann, besteht häufig die Forderung nach einem Ver- polschutz, der verhindern soll, dass falsch angeschlossene Energiespeicher, wie Batterien oder Akkus, zu einer Beschädi- gung der nachfolgenden Elektronik führt. Die Gefahr einer
Verpolung besteht meist beim Wechseln oder An- und Abklemmen des Energiespeichers, wenn keine mechanischen Schutzmaßnahmen vorhanden sind. Wird der als Gleichspannungsquelle ausgebildete Energiespeicher verpolt an die elektrische oder elektro- nische Schaltung angeschlossen, fließt ohne Verpolschutz ein sehr hoher Kurzschlussstrom. Da die elektronischen Bauteile nicht für derart hohe Ströme dimensioniert sind, kommt es zur Zerstörung der Elektronik.
Bei den bekannten DC/DC-Wandlern, beispielsweise zur Versorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sind die Klemmen des E- nergiespeichers, d.h. der Batterie, meist so ausgeführt, dass ein mögliches Vertauschen des Plus- und Minus-Anschlusses nicht verhindert wird. Schaltungstechnische Maßnahmen nach dem Stand der Technik sind beispielsweise Verpolschutzdioden, wie eine Diode im Lastkreis, antiparallele Schottkydioden im Leistungspfad, serielle Leistungsschalter im Ausgangspfad, serielle Leistungsdioden im Ausgangspfad oder dergleichen. Beispielsweise ist bekannt, parallel zu den Klemmen des Ener- giespeichers eine Diode zu schalten, die bei Verpolung des Energiespeichers den Kurzschlussstrom aufnimmt. Solche Dioden müssen eine sehr hohe Stromtragfähigkeit haben, so dass sie einen sehr großen Platzbedarf im elektronischen Gerät benöti- gen. Der Einbau einer solchen Verpolschutzdiode hat zusätzlich eine negative Auswirkung auf den Preis des Geräts. Wird eine Diode seriell eingefügt, muss sie zwar nur den Laststrom führen, allerdings bringt sie auch mehrere Nachteile mit sich, da wären: Verringerung des Wirkungsgrads, bidirektiona- ler Betrieb des Wandlers nicht möglich, Platzbedarf und nicht zuletzt Preis des Gerätes.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, wie ein Kfz-Bordnetz, zu schaffen, die einen sicheren Verpolschutz gewährleistet, einen geringen Platzbedarf benötigt und relativ kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass die mit den Anschlussklemmen des Energiespeichers in Verbindung stehenden Verpolschutzmittel ausgebildet sind, die bei Verpolung des Energiespeichers von diesem gelieferten Spannung in eine Steuerspannung zum aktiven Ein- schalten des elektronischen Schalters umwandeln, können die bereits in der Schaltung des Spannungswandlers mit synchroner, d.h. aktiver Gleichrichtung benutzten elektronischen Bauteile zumindest teilweise zum Schutz der Elektronik verwendet werden, indem die aktiven Halbleiter, d.h. der mindes- tens eine elektronische Schalter in den leitenden Zustand gebracht wird, um den Kurzschlussstrom zu übernehmen. Durch das aktive Zuschalten der elektronischen Schalter fließt der Kurzschlussstrom bei ihrer Ausbildung als MOSFETS nicht mehr über die parasitäre Diode, bei Ausführung als IGBTs über die externe Diode, sondern über den geöffneten Drain-Source-Kanal bzw. die Emitter-Kollektorstrecke. Bei Ausführung der Halbleiterschalter aus mehreren parallel geschalteten Elementen wirkt sich das Überbrücken der internen bzw. externen Dioden dahingehend positiv aus, dass die Stromverteilung in den einzelnen Elementen nicht durch die thermisch ungünstige Diodenkennlinie beeinflusst wird (höhere Temperatur, niedrigere Flussspannung, d.h. die am meisten belastete Diode leitet am besten) . Ebenso werden durch das aktive Einschalten des Schalters die Verluste im Bauteile minimiert, sowie der Anstieg und die Amplitude des Kurzschlussstroms erhöht. Somit wird ein sicheres Auslösen der Sicherung bei der Überstrom- Überwachung herbeigeführt. Da die Bauteile im Normalbetrieb für hohe Belastungen ausgelegt sind, können sie auch den auf- tretenden Kurzschlussstrom ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen ü- bernehmen .
Vorteilhafterweise sind die Verpolschutzmittel als Verpol- schutz-Spannungswandler ausgebildet, der automatisch bei ei- nem verpolt angeschlossenen Energiespeicher unter Entnahme der Energie aus dem verpolten Energiespeicher aktiv wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in der Eingangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers eine erste Schutz- diode angeordnet, die sicherstellt, dass der Verpolschutz-
Spannungswandler nur bei verpolt angeschlossenem Energiespeicher aktiviert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass durch die zusätzlichen erfindungsgemäßen Maßnahmen kein Einfluss auf den Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt. In entsprechender erfinderischer Weise ist in der Ausgangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers eine zweite Schutzdiode zum Verhindern eines Rückstroms vom Spannungs- wandler angeordnet, was gleichfalls zu einer sicheren Funktionsweise im Normalbetrieb der Spannungsversorgungseinrichtung beiträgt .
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Ausgangs- Spannung des Verpolschutz-Spannungswandlers für die Ansteuerung der Treiberschaltung der elektronischen Schalter des Spannungswandlers verwendet.
Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Ausgang des Verpolschutz-Spannungswandlers mit der Steuerelektrode des mindestens einen elektronischen Schalters des Spannungswandlers verbunden ist.
Je nach Anwendungsgebiet und Anwendungsfall kann der Span- nungswandler der Spannungsversorgungseinrichtung und/oder der Verpolschutz-Spannungswandler als isolierender oder nicht i- solierender DC/DC-Wandler ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise ist der Verpolschutz-Spannungswandler als Sperrwandler mit PWM-Ansteuerung oder mit frei schwingendem Oszillator ausgebildet, wobei die Ausführung mit PWM- Ansteuerung mit einer selbst haltenden Spannungsversorgung versehen sein kann, wodurch auch bei geringer werdenden Eingangsspannungen noch eine ausreichende Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt werden kann.
In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Verpolschutz-Sperrwandler als Flusswandler mit Meißneroszil- lator ausgebildet, der einen Betrieb auch bei sehr kleinen Eingangsspannungen ermöglicht.
Zusammenfassend sind als Vorteile der Erfindung aufzuzählen, dass keine zusätzliche Verlustleistung im Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt, dass die Erfindung in vielen To- pologien verwendbar ist, dass eine geringe Anzahl zusätzlicher Bauteile notwendig ist und dass eine kosten- und Platzreduzierung möglich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Spannungsversorgungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit verpol- tem Energiespeicher,
Fig. 2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung,
Fig. 3 eine detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung nach einem ersten Ausführungsbei- spiel,
Fig. 4 eine detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbei- spiel,
Fig. 5 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines ersten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schütz-Spannungswandlers,
Fig. 6 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schutz-Spannungswandlers, und
Fig. 7 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schutz-Spannungswandlers .
In Fig. 1 ist eine Spannungsversorgungseinrichtung 1 für eine Last 2, die beispielsweise als ein Kraftfahrzeug-Bordnetz ausgebildet ist, dargestellt. Die Spannungsversorgungseinrichtung weist einen Energiespeicher 3, z.B. eine Batterie auf, deren Anschlüsse verpolt an die positive und an die negative bzw. Masseleitung 4, 5 angeschlossen ist. Ein DC/DC- Wandler 6, der zum Hochsetzen einer niedrigeren Eingangsspannung VLV in eine höhere Spannung VHv bzw. zum Tiefsetzen der letzteren Spannung in eine Spannung VLV dient (durch die Pfeile in der Figur angedeutet) , ist entsprechend mit den
Leitungen 4, 5 verbunden. Weiterhin ist in die positive Leitung 4, dem isolierenden Wandler 6 zugewandt, eine Sicherung 7 zum Absichern des DC/DC-Wandlers 6 und der Last 2 zugewandt, eine Sicherung 7' zum Absichern der Last geschaltet. Obwohl eine Sicherung vorgesehen ist, fließt bei Verpolung kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom, der den Wandler 6 zerstören könnte.
In Fig. 2 ist der interne Aufbau des isolierenden Wandlers 6 teilweise näher dargestellt, wobei zusätzlich ein Verpol- schutz-Spannungswandler 8 vorgesehen ist. Bei dem dargestellten Teil des Spannungswandlers 6 handelt es sich um die nie- dervoltseitige Beschaltung einer Stromverdoppler-Topologie . Selbstverständlich sind andere aktiv geschaltete Spannungs- wandler-Topologien verwendbar, wie solche mit Vollbrücke, Einweggleichrichtung, Gleichrichtung mit Mittelanzapfung, invertierte Gleichrichtung mit Mittelanzapfung oder dergleichen verwendbar. Die Schaltung nach Fig. 2 umfasst den der positi- ven und negativen Klemme 9, 10 des Spannungswandlers 6 verbundenen Energiespeicher 3, der hier gleichfalls im verpolten Zustand dargestellt ist. Der Eingang des Spannungswandlers 6 ist über die nicht dargestellte Sicherung 7 mit einem EMC- Filter 11 für die elektromagnetische Verträglichkeit versehen und zwischen positiver Leitung 4 und Masse schließen sich zwei Kondensatoren, ein Ausgangskondensator 12 und ein Arbeitskondensator 13 an, zwischen denen eine Filterspule 14 in der positiven Leitung liegt.
Der Verpolschutz-Spannungswandler 8 ist invertiert an den zu schützenden Wandler 6 angeschlossen, d.h. der Minusanschluss 15 des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 ist an die positive Leitung 4 angeschlossen, während der positive Anschluss 16 an die negative bzw. Masseleitung 5 des Wandlers 6 angeschlossen ist.
Wie oben ausgeführt, ist nur die Niedervoltseite des DC/DC- Wandlers 6 dargestellt, die Hochvoltseite ist an sich bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Mit der positiven Lei- tung 4 an dem einen Anschluss des Arbeitskondensators 13 sind zwei Speicherdrosseln LLVi und LLV2 verbunden, die an eine Wicklung eines Transformators 17 angeschlossen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier als MOSFETS ausgebildete elektronische Schalter Tl, T2, T3, T4 vorgesehen, wobei die Drain-Anschlüsse mit den Speicherdrosseln LLVi, LLV2 bzw. dem Transformator 17 und die Source-Anschlüsse mit Masse verbunden sind. Die Gate-Elektroden werden von einem Gate- Treiber 18 angesteuert, der wiederum von einer Steuereinheit 19 angesteuert wird, die als PWM-Controller, als Mikrocompu- ter oder als CPLD (complex programmable logic device) -Mikro- controller ausgebildet sein kann. Weiterhin steht der Verpol- schutz-Spannungswandler 8 mit dem Gate-Treiber 18 in Verbindung. Die Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 6 ist allgemein bekannt und wird nicht weiter erläutert.
In Fig. 3 ist der Verpolschutz-Spannungswandler 8 sowie die Verbindung des Wandlers mit einem Teil des Gate-Treibers 18 und einem der elektronischen Schalter Tl dargestellt. Der Verpolschutz-Spannungswandler 8 umfasst eine an den positiven Anschluss 16 angeschlossene Diode Dl, einen isolierenden DC/DC-Wandler 20, eine die Ausgangsspannung stabilisierende Zehnerdiode ZDl sowie eine mit einem Ausgang A des Verpol- schutzspannungswandlers 8 verbundene Diode D2. Die Schutzdio- de Dl am Eingang dient zur Aktivierung des DC/DC-Wandlers 20 bei verpoltem Energiespeicher 3, ansonsten sperrt sie. Die Diode D2 am Ausgang verhindert einen Rückstrom vom Gate- Treiber 18. Hier ist nur die Verbindung des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 mit einem elektronischen Schalter ge- zeigt, damit bei mehreren Schaltern die verschiedenen Steuerelektroden nicht direkt miteinander verbunden sind, können bei Bedarf mehrere Dioden wie D2 notwendig sein.
Der in Fig. 3 dargestellte Treiber für den elektronischen Schalter Tl umfasst eine Logikschaltung 21, die einerseits mit der Steuereinheit 19 und andererseits mit den Basiselektroden von jeweils einem Transistor 22, 23 verbunden ist. Die Emitter sind miteinander verbunden und ein zwischen Basis und Emitter geschalteter Widerstand 24 stellt den Arbeitspunkt ein. An dem Kollektor des Transistors 22 liegt die Treiberspannung und der Kollektor des Transistors 23 liegt auf Masse. Die Emitterelektroden der Transistoren 22, 23 sind mit der Gate-Elektrode des MOSFET Tl verbunden, wobei ein Widerstand 25 zwischen Gate-Elektrode und Masse die Steuerelektro- de auch bei sonst stromloser Elektronik im ausgeschalteten Zustand hält. .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 mit der Gate-Elektrode des MOSFETS Tl verbunden. Wenn der Energiespeicher 3 verpolt angeschlossen ist, schaltet die Diode Dl und aktiviert den DC/DC-Wandler 20, der wiederum eine durch die Zehnerdiode ZDl stabilisierte Ausgangsspannung liefert, wodurch der Transis- tor Tl schaltet und es entsteht ein Spannungsabfall an den
Bauteilen 14, den Drosseln LLVi, LLV2 und an dem MOSFET Tl bzw. den vier MOSFETS Tl bis T4. Dadurch löst die Sicherung 7 sicher aus .
In Fig. 4 ist eine Variante zu Fig. 3 dargestellt, wobei hier der Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers die Treiberspannung liefert und mit dem Kollektor des Transistors 22 verbunden. Zusätzlich ist ein weiterer Ausgang B vorgesehen, wobei eine Diode T3 zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 20 und dem Ausgang B geschaltet ist, die gleichfalls als
Schutzdiode gegen Rückströme dient. Der Ausgang B ist mit Widerständen 26, 27 für die Anpassung an die Treibereingangsspannung verbunden. Die anderen Bauteile entsprechen denen der Fig. 3. Im vorliegenden Fall schalten die Transistoren 22, 23 durch, wenn an den Ausgängen A und B des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 eine Spannung anliegt, wobei daraufhin der MOSFET Tl schaltet.
In den Fign. 5, 6, 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für den Verpolschutz-Spannungswandler 8 dargestellt, wobei Fig. 5 einen Sperrwandler mit einem PWM-Controller zeigt. Entsprechend Fig. 5 weist der Sperrwandler einen als MOSFET ausgebildeten Schalter 28 auf, der mit einer Speicherdrossel 29, die Bestandteil eines Transformators 30 ist, zwischen den positiven und negativen Anschlüssen 15, 16 des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 liegt. Der Schalter 28 wird von einem PWM-Controller 31 angesteuert, wobei die dargestellten Widerstände hier nicht weiter näher beschrieben werden, sie dienen zur Einstellung der Arbeitspunkte und der Schaltschwellen.
Wenn eine Spannung aus dem verpolten Energiespeicher 3 an den Eingängen 15, 16 des Spannungswandlers 8 anliegt, wird der Kondensator Cl aufgeladen und der PWM-Controller 31 mit Span- nung versorgt. Er schaltet den Schalter 28 entsprechend der Ansteuerung in die Leit- und die Sperrphase. In entsprechender Weise fließt ein Strom durch die Spule 29 des Transformators 30 und es baut sich ein Magnetfeld auf. In der Leitphase sperren die Dioden D4 und D5 und es gibt kein Energieüber- trag. In der Sperrphase kehrt sich die Spannung an den Wicklungen 32, 33 um und es fließt ein Strom über die Dioden D4 und D5 und lädt die Kondensatoren C2 und C3 auf. In der Leitphase liefert der Kondensator C2 die Ausgangsspannung zum Schalten der elektronischen Schalter Tl bis T4 der Spannungs- wandlers 6 wie oben beschrieben.
Da die Eingangsspannung an dem Verpolschutz-Spannungswandler 8 relativ schnell abnimmt, muss auch ein Betrieb bei kleinen Eingangsspannungen (0,1V bis 12V) möglich sein und eine in- vertierte oder galvanisch getrennt Ausgangsspannung von ca. 5V bis 15V erzeugt werden. Wenn die Eingangsspannung unter einen bestimmten Spannungswert fällt, z.B. unter 2V, wird entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 5 der PWM Controller 31 über den Kondensator C3 auf der Sekundärseite des Transformators 30 versorgt, wobei die Anschlüsse I, II des Kondensators, wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, an einer mit dem PWM-Controller 31 verbunden Diode D7 und am negativen An- schluss 15 liegen. Somit hält sich der Verpolschutz- Spannungswandler 8 eine Weile selbst. In Fig. 6 ist ein Verpolschutz-Spannungswandler 8 in Form eines Sperrwandlers mit frei schwingendem Oszillator 34 dargestellt, der den elektronischen Schalter 28 ansteuert. Dieser Sperrwandler arbeitet ähnlich dem zuvor in Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen. Die Zenerdiode ZD2 dient als Schutzdiode gegen Spannungsspitzen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verpolschutz- Spannungswandlers 8 in Form eines Flusswandlers mit Meißner
Oszillator zeigt Fig. 7. Die Ausgangsseite des Spannungswandlers 8 ist wie in Fig. 6 ausgebildet. Der als Gegentaktoszil- lator wirkende Oszillator 36 besteht im Grunde aus zwei Meißner Oszillatoren, wobei die frequenzbestimmenden Bauteile der Kondensator C4 und die Spule 35 darstellen. Die Transistoren 37 und 38 werden abwechselnd leitend. Die parallel geschalteten ohmschen Spannungsteiler dienen zur Einstellung des Basis-Ruhepotentials. Diese Schaltung nach Fig. 7 zeichnet sich dadurch aus, dass sie auch noch bei kleinen Spannungen arbei- tet.

Claims

Patentansprüche
1. Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, mit einem an Anschlussklemmen an- schließbaren Energiespeicher und einem Spannungswandler, der mindestens einen elektronischen Schalter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Verpolschutzmittel (8) mit den Anschlussklemmen in Verbindung stehen, die ausgebildet sind, die bei Verpolung des Energiespeichers (3) von diesem gelieferte Spannung in eine Steuerspannung zum aktiven Einschalten des elektronischen Schalter (T1-T4) umzuwandeln .
2. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolschutzmittel als Verpol- schutz-Spannungswandler (8) ausgebildet sind, dessen Anschlussklemmen invertiert mit dem Spannungswandler (6) in Verbindung stehen.
3. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (6) und/oder der Verpolschutz-Spannungswandler (8) als DC/DC-Wandler ausgebildet ist.
4. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Eingangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers (8) zwischen negativer Anschlussklemme des Spannungswandlers (6) und positivem Anschluss des Verpolschutz-Spannungswandlers (8) eine erste Schutzdiode (Dl) geschaltet ist, die nur aktiviert wird, wenn eine Verpolung des Energiespeichers (3) auftritt.
5. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ausgangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers (8) eine zweite Schutzdiode (D2) zur Verhinderung eines Rück- Stroms vom Spannungswandler (6) geschaltet ist.
6. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektronische Schalter (T1-T4) des Spannungswandlers (6) mit einer Treiberschaltung (18) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung des Verpolschutz-Spannungswandlers (8) die Treiberschaltung (18) ansteuert.
7. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des
Verpolschutz-Spannungswandlers (8) mit der Steuerelektrode des mindestens einen elektronischen Schalters (Tl- T4) des Spannungswandlers (6) verbunden ist.
8. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz- Spannungswandler (8) als Sperrwandler mit PWM- Ansteuerung oder mit freischwingendem Oszillator ausgebildet ist.
9. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler mit PWM- Ansteuerung eine selbsthaltende Spannungsversorgung aufweist .
10. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz- Sperrwandler (8) als Flusswandler mit Meißneroszillator ausgebildet ist.
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