AT505417B1

AT505417B1 - DEVICE FOR UNLOCKING VOLTAGE SOURCES

Info

Publication number: AT505417B1
Application number: AT19222007A
Authority: AT
Original assignee: Poetzelberger Ulrich Dipl Ing
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-01-15
Also published as: AT505417A4

Description

2 AT 505 417B12 AT 505 417B1

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen mittels Halbleiterelementen, insbesondere Transistoren, wobei je wenigstens ein in Inversrichtung betriebener Transistor mit einer Inversdiode zwischen Source und Drain mit einer Spannungsquelle in Serie geschaltet ist.The invention relates to a device for decoupling voltage sources by means of semiconductor elements, in particular transistors, wherein each at least one transistor operated in the inverse direction is connected in series with an inverse diode between source and drain with a voltage source.

Im einfachsten Fall werden zur Entkopplung von Gleichstromversorgungen oder zur Gleichrichtung von Wechselspannungen Dioden verwendet, über welche die Spannungsquellen eine Last entsprechend versorgen. Die Entkopplung mehrerer Gleichspannungsquellen dient insbesondere dazu, die Last auch dann mit Gleichspannung versorgen zu können, wenn eine der speisenden Quellen ausfällt, zusammenbricht oder dgl. Ein möglicher Rückstrom durch die ausgefallene bzw. zusammengebrochene Quelle wird über die Dioden unterbunden und die Last kann über die anderen Quellen weiterversorgt werden. Gleicher Art ist die Problemstellung auch bei herkömmlichen Gleichstromquellen beim Einsatz einer oder mehrerer Dioden zur Gleichrichtung von Wechselspannungen. Nachteilig bei diesen Anwendungen ist hauptsächlich der Spannungsabfall und der damit verbundene Leistungsverlust an den Dioden, der sich konstruktionsbedingt nicht vermeiden lässt.In the simplest case, diodes are used to decouple DC power supplies or to rectify AC voltages, via which the voltage sources supply a load accordingly. The decoupling of several DC voltage sources is used in particular to be able to supply the load with DC voltage even if one of the feeding sources fails, collapses or the like. A possible return current through the failed or collapsed source is prevented via the diodes and the load can on the be supplied to other sources. The same type is the problem even with conventional DC sources when using one or more diodes for rectifying AC voltages. A disadvantage of these applications is mainly the voltage drop and the associated power loss at the diodes, which can not be avoided due to design.

Alternative Möglichkeiten zur Entkopplung oder Gleichrichtung bestehen in der Verwendung von Relais, die allerdings hohe Schaltzeiten aufweisen, was einen Spannungseinbruch an der Last während der Ansprechzeit der Relais zur Folge haben kann. Zudem ist dieses Prinzip zur Gleichrichtung von Wechselspannungen aufgrund der hohen Schaltzeiten und Schalthäufigkeiten nicht geeignet.Alternative ways of decoupling or rectifying exist in the use of relays, however, which have high switching times, which can result in a voltage drop across the load during the response time of the relay. In addition, this principle is not suitable for rectifying AC voltages due to the high switching times and switching frequencies.

Aus diesem Grund wurde auch schon vorgeschlagen nach dem Synchrongleichrichterprinzip arbeitende Feldeffekttransistoren zur Entkopplung oder Gleichrichtung zu verwenden, wobei die Feldeffekttransistoren in diesem Fall in Inversrichtung betrieben werden. Entsteht ein Stromfluss über die Inversdiode wird der Feldeffekttransistor eingeschaltet, der dabei seine eigene Inversdiode kurzschließt und den Feldeffekttransistor öffnet. Bei geeigneter Dimensionierung sinkt der Spannungsabfall am Entkopplungs- oder Gleichrichtelement deutlich unter einen Wert, wie er bei Einsatz einer Diode vorliegen wurde. Droht sich der Strom durch den Feldeffekttransistor umzukehren wird der Feldeffekttransistor wieder ausgeschaltet und der Stromfluß unterbunden. Beim Einsatz von handelsüblichen n-Kanal Feldeffekttransistoren ist eine Gatespannung aufzubringen, die typischerweise größer als 5 Volt gegenüber dem Source betragen soll um den Feldeffekttransistor sicher einzuschalten. Darin liegt auch der offenkundige Nachteil dieses Verfahrens, weil diese Hilfsversorgungsspannung vielfach nicht ohne weiteres zur Verfügung steht. Insbesondere bei einem Kurzschluss an der Last reduziert sich die Spannung am Source auf typischerweise einige Hundert Millivolt. Dies ist als Eingangsspannung für die Schaltung nicht ausreichend hoch um daraus die erforderliche Gatespannung zu erzeugen und den Feldeffekttransistor wirkungsvoll einzuschalten. Damit fließt der Strom wiederum ausschließlich über die Inversdioden, womit dieser Schaltung ebenfalls die vorerwähnten Nachteile der Dioden beim Zusammenbrechen der Last zu eigen wären. Derartige Entkopplungs- oder Gleichrichtereinheiten sind daher wiederum nicht autark betreibbar und bedürfen einer externen Energieversorgung.For this reason, it has also been proposed to use field effect transistors operating according to the synchronous rectifier principle for decoupling or rectification, in which case the field effect transistors are operated in the inverse direction. If a current flow occurs via the inverse diode, the field effect transistor is switched on, thereby short-circuiting its own inverse diode and opening the field effect transistor. With suitable dimensioning, the voltage drop at the decoupling or rectifying element drops significantly below a value that would be present when using a diode. If the current threatens to reverse through the field effect transistor, the field effect transistor is switched off again and the current flow is prevented. When using commercially available n-channel field-effect transistors, a gate voltage is to be applied, which is typically to be greater than 5 volts with respect to the source in order to reliably turn on the field-effect transistor. This is also the obvious disadvantage of this method, because this auxiliary supply voltage is often not readily available. Especially with a short circuit at the load, the voltage at the source is reduced to typically a few hundred millivolts. This is not sufficiently high as the input voltage for the circuit to generate the required gate voltage and to effectively turn on the field effect transistor. Thus, the current in turn flows exclusively through the inverse diodes, which this circuit would also have the aforementioned disadvantages of the diodes when the load collapses. Such decoupling or rectifier units are therefore again not self-sufficient operable and require an external power supply.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen zu schaffen, die autark betreibbar ist und dabei eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich verringerte Verlustleistung aufweist.Based on this prior art, the present invention seeks to provide a device for decoupling voltage sources, which is autonomously operable and thereby has a compared to the prior art significantly reduced power dissipation.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass in Reihe zu dem in Inversrichtung betriebenen ersten Transistor ein zweiter Transistor vorgesehen ist, dessen Inversdiode antiseriell zur Inversdiode des ersten Transistor ausgerichtet ist, dass vor den Transistoren ein von der Spannungsquelle über eine Ventilschaltung aufladbarer Kondensator angeordnet ist, der als Spannungsquelle wenigstens an das Gate des zweiten Transistors angeschlossen ist.The invention achieves this object by providing a second transistor in series with the first transistor operated in the inverse direction, whose inverse diode is antiserially aligned with the inverse diode of the first transistor, that a capacitor which can be charged by the voltage source via a valve circuit is arranged in front of the transistors which is connected as a voltage source at least to the gate of the second transistor.

Der zweite Transistor, dessen Inversdiode antiseriell zur Inversdiode des ersten Transistors 3 AT 505 417 B1 ausgerichtet ist, ist immer dann geöffnet, unterbricht also immer dann einen Stromfluss, wenn die Versorgungsspannung nicht ausreichend hoch ist oder zusammenbricht. Dies kann beispielsweise bei einem Kurzschluss an der Last oder bei einem Hochlauf der Last der Fall sein, insbesondere dann, wenn kapazitive Lasten versorgt werden müssen. Für diesen Fall kann die Spannungsquelle den Kondensator über die Ventilschaltung, üblicherweise eine Diode oder dgl. aufladen, bis genug Spannung zum Schalten des zweiten Transistors zur Verfügung steht. Der Spannungsabfall an den Transistoren kann durch geeignete Dimensionierung klein gehalten werden, sodass das Vorsehen eines zweiten Transistors nicht als nachteilig anzusehen ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen, mittels nach dem Synchrongleichrichterprinzip arbeitender Transistoren, ist es nunmehr gegenüber dem Stand der Technik möglich, auf eine zusätzliche Spannungsversorgung für den Transistor verzichten zu können und eine autark arbeitende Vorrichtung zu schaffen. Eben mit dem Vorsehen des zweiten, zum ersten Transistor seriellen Transistors im Zusammenhang mit dem Vorsehen einer Hilfsspannungsquelle, die von derselben Spannungsquelle wie die Last versorgt wird, ist die Realisierung eines autarken Systems möglich, das nur geringe Verlustleistungen verursacht. Sollte die Spannung an der Last zusammenbrechen wird wenigstens der zweite Transistor solange eingeschaltet gehalten bis keine ausreichende Hilfsspannung mehr zur Verfügung steht. Bei Unterschreiten des zum Offenhalten des Transistors erforderlichen Hilfsspannungspotenzials wird dieser geschlossen und kann die Spannungsquelle den Kondensator über die Ventilschaltung wieder aufladen und den Transistor in weiterer Folge wieder öffnen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Kondensator unter Zwischenschaltung eines Spannungswandlers an das Gate wenigstens des zweiten Transistors, vorzugsweise auch des ersten Transistors, angeschlossen ist, der die Kondensatorspannung vorzugsweise auf ein über dem Potential der Sourceanschlüsse liegendes Potential anhebt. Dieser, gegebenenfalls die Gates beider Transistoren ansteuernde, Spannungswandler sorgt selbst bei verringertem Hilfsspannungspotential dafür, dass beide Transistoren sicher geschlossen sind, somit nur geringe Leistungsverluste verursachen. Um dabei die Gatespannung sicher auf ein über dem Potenzial der Sourceanschlüsse liegendes Potenzial anheben zu können, empfiehlt es sich, wenn dem Spannungswandler eine Messeinrichtung zur Messung des an den Sourceanschlüssen anlegenden Potenzials zugeordnet ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der erste und der zweite Transistor über ihre Sourceanschlüsse aneinander angeschlossen sind und wenn beide Transistoren selbstsperrende n-Kanal Feldeffekttransistoren sind.The second transistor whose inverse diode is antiserially aligned to the inverse diode of the first transistor 3 AT 505 417 B1, is always open, so always interrupts a current flow when the supply voltage is not sufficiently high or collapses. This may be the case, for example, in the event of a short-circuit at the load or during a run-up of the load, in particular when capacitive loads have to be supplied. In this case, the voltage source may charge the capacitor via the valve circuit, usually a diode or the like, until enough voltage is available to switch the second transistor. The voltage drop across the transistors can be kept small by suitable dimensioning, so that the provision of a second transistor is not to be regarded as disadvantageous. With a device according to the invention for the decoupling of voltage sources, by means of operating according to the synchronous rectifier principle transistors, it is now possible over the prior art to be able to dispense with an additional power supply for the transistor and to create a self-sufficient device. Even with the provision of the second, to the first transistor-serial transistor in connection with the provision of an auxiliary voltage source, which is supplied by the same voltage source as the load, the realization of a self-sufficient system is possible, which causes only low power losses. If the voltage at the load collapse, at least the second transistor is kept on until no sufficient auxiliary voltage is available. When falling below the auxiliary voltage potential required to keep the transistor open, the latter is closed and the voltage source can recharge the capacitor via the valve circuit and subsequently reopen the transistor. This is particularly advantageous when the capacitor is connected with the interposition of a voltage converter to the gate of at least the second transistor, preferably also the first transistor, which preferably raises the capacitor voltage to a potential lying above the potential of the source potential. This, optionally the gates of both transistors driving, voltage converter ensures even with reduced auxiliary voltage potential for the fact that both transistors are securely closed, thus causing only low power losses. In order to be able to reliably raise the gate voltage to a potential that lies above the potential of the source terminals, it is recommended that the voltage converter is assigned a measuring device for measuring the potential applied to the source terminals. It has proven to be particularly advantageous if the first and the second transistor are connected to one another via their source terminals and if both transistors are self-blocking n-channel field-effect transistors.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Es zeigenIn the drawing, the invention is illustrated schematically using an exemplary embodiment. Show it

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen gemäß dem Stand der Technik undFig. 1 shows a device for decoupling voltage sources according to the prior art and

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen.Fig. 2 shows an inventive device for decoupling voltage sources.

Die Vorrichtung aus Fig. 1 umfasst zwei Spannungsquellen ^ und U2 die je mit einem Transistor Τί in Serie geschaltet sind. Beide Spannungsquellen mit den in Serie geschalteten Transistoren Ti sind wiederum an eine Last RL angeschlossen. Die nach Art einer Synchrongleichrichtung geschalteten Transistoren Ti umfassen je eine Inversdiode 2 zwischen Source S und Drain D. Entsteht ein Stromfluss über die Inversdioden 2 werden die Transistoren Ti bei ausreichender Potentialdifferenz eingeschaltet, wobei die jeweils zugehörige Inversdiode 2 kurzgeschlossen wird. Bei geeigneter Dimensionierung sinkt dabei der Spannungsabfall an dem als Ent-kopplungs- und Gleichrichtelement wirkenden Transistor Ti deutlich unter einen Wert, wie er beim Einsatz lediglich einer Diode vorliegen würde. Droht sich der Strom durch den Transistor umzukehren, wird der Transistor Τί abgeschaltet. Für den Fall, dass die Spannungsquellen Ui und U2 zusammenbrechen und keine für ein sicheres Einschalten der Transistoren Τί erforderliche Spannung mehr bereitgestellt werden kann, wird der Strom lediglich über die Inversdioden 2 dem Lastwiderstand RL zugeführt, was allerdings mit erheblichen Leistungsverlusten verbunden ist.The device of Fig. 1 comprises two voltage sources ^ and U2 which are each connected in series with a transistor Τί. Both voltage sources with the series-connected transistors Ti are in turn connected to a load RL. The transistors Ti, which are connected in the manner of a synchronous rectification, each comprise an inverse diode 2 between source S and drain D. If a current flows via the inverse diodes 2, the transistors Ti are switched on with sufficient potential difference, with the respective associated inverse diode 2 being short-circuited. With suitable dimensioning, the voltage drop across the transistor Ti acting as decoupling and rectifying element drops significantly below a value that would be present when only one diode is used. If the current threatens to reverse through the transistor, the transistor Τί is switched off. In the event that the voltage sources Ui and U2 collapse and no more required for a safe turning on of the transistors Spannung voltage can be provided more, the current is supplied only via the inverse diodes 2 to the load resistor RL, which, however, is associated with significant power losses.

Claims

4 AT 505 417 B1 Um auch bei einem Zusammenbrechen der Spannung an der Spannungsquelle ^ nur geringe Leistungsverluste der Schaltung in Kauf nehmen zu müssen, ist gemäß der Erfindung in Reihe zu dem in Inversrichtung betriebenen ersten Transistor ein zweiter Transistor T2 vorgesehen, dessen Inversdiode 2 antiseriell zur Inversdiode 2 des ersten Transistors Ti ausgerichtet ist. Zudem ist vor den Transistoren T-ι und T2 ein von der Spannungsquelle Ui über eine Ventilschaltung 3, eine Diode, aufladbarer Kondensator C angeordnet, der als Hilfsspannungsquelle an die Gates G beider Transistoren T1 und T2 angeschlossen ist. Dabei ist der Kondensator C unter Zwischenschaltung eines Spannungswandlers 4 an die Gates G der Transistoren Ti und T2 angeschlossen. Dieser Spannungswandler 4 hebt die Kondensatorspannung C auf ein über dem Potential der Sourceanschlüsse S liegendes Potential an, um einen möglichst verlustfreien Stromfluss durch beide Transistoren Ti und T2 sicher zu gewährleisten. Zu diesem Zweck gehört dem Spannungswandler 4 eine Messeinrichtung zur Messung des an den Sourceanschlüssen S anliegenden Potentials zu. In Fig. 2 sind lediglich die Messleitungen 5 der nicht näher dargestellten Messeinrichtung angedeutet. Im Anlauf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Transistor T2 geöffnet und unterbindet somit einen Stromfluss zur Last RL hin. Zunächst wird der Kondensator über die Diode 3 von der Spannungsquelle Ui aufgeladen. Anschließend werden die Gates beider Transistoren Ti und T2 vom Spannungswandler 4 entsprechend angesteuert und die Transistoren Ti und T2 geschlossen, wodurch ein Stromfluss zur Last RL hin möglich ist. Droht sich der Strom umzukehren wird dies durch den Transistor Ti unterbunden. Sollte die Hilfsspannungsquelle, der Kondensator C, im Zusammenhang mit dem Spannungswandler 4 keine für ein sicheres Öffnen der Transistoren ^ und T2 ausreichende Spannung bereitstellen können, werden die Transistoren Ti und T2 geöffnet, und der Stromfluss zur Last hin so lange unterbunden, bis die Hilfsspannungsquelle, der Kondensator C, wieder entsprechend aufgeladen und die Transistoren Τί und T2 wieder sicher geschlossen werden können. In der Fig. 2 ist lediglich eine Spannungsquelle Ui für die Last RL eingezeichnet. Es versteht sich aber von selbst, dass eine beliebige Anzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum Betreiben einer Last herangezogen werden kann. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Entkopplung von Spannungsquellen mittels Halbleiterelementen, insbesondere Transistoren, wobei je wenigstens ein in Inversrichtung betriebener Transistor mit einer Inversdiode zwischen Source und Drain mit einer Spannungsquelle in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu dem in Inversrichtung betriebenen ersten Transistor (T^ ein zweiter Transistor (T2) vorgesehen ist, dessen Inversdiode (2) antiseriell zur Inversdiode (2) des ersten Transistors (T^ ausgerichtet ist, dass vor den Transistoren (Ti, T2) ein von der Spannungsquelle (U^ über eine Ventilschaltung aufladbarer Kondensator (C) angeordnet ist, der als Hilfsspannungsquelle wenigstens an das Gate (G) des zweiten Transistors (T2) angeschlossen ist.4 AT 505 417 B1 In order to have to accept even with a breakdown of the voltage at the voltage source ^ only low power losses of the circuit, according to the invention in series with the operated in inversrichtung first transistor, a second transistor T2 is provided, the inverse diode 2 antiserial is aligned with the inverse diode 2 of the first transistor Ti. In addition, one of the voltage source Ui via a valve circuit 3, a diode, rechargeable capacitor C is arranged in front of the transistors T-ι and T2, which is connected as an auxiliary voltage source to the gates G of both transistors T1 and T2. In this case, the capacitor C is connected with the interposition of a voltage converter 4 to the gates G of the transistors Ti and T2. This voltage converter 4 raises the capacitor voltage C to a potential lying above the potential of the source terminals S in order to ensure a lossless current flow through both transistors Ti and T2. For this purpose, the voltage converter 4 includes a measuring device for measuring the voltage applied to the source terminals S potential. In Fig. 2, only the measuring lines 5 of the measuring device, not shown, are indicated. At the start of a device according to the invention, the transistor T2 is opened and thus prevents a flow of current to the load RL out. First, the capacitor is charged via the diode 3 from the voltage source Ui. Subsequently, the gates of both transistors Ti and T2 are driven in accordance with the voltage converter 4 and the transistors Ti and T2 are closed, whereby a current flow to the load RL out is possible. If the current threatens to reverse, this is prevented by the transistor Ti. If the auxiliary voltage source, the capacitor C, in connection with the voltage converter 4 can not provide sufficient voltage for safe opening of the transistors ^ and T2, the transistors Ti and T2 are opened and the current flow to the load is suppressed until the auxiliary voltage source , the capacitor C, again charged accordingly and the transistors Τί and T2 can be safely closed again. In FIG. 2, only one voltage source Ui for the load RL is shown. It goes without saying, however, that any number of devices according to the invention can be used to operate a load. 1. An apparatus for decoupling voltage sources by means of semiconductor elements, in particular transistors, wherein each at least one operated in inverse direction transistor is connected in series with an inverse diode between the source and drain with a voltage source, characterized in that in series with the operated in the inverse first Transistor (T ^ a second transistor (T2) is provided, the inverse diode (2) antiserial to the inverse diode (2) of the first transistor (T ^ is aligned that before the transistors (Ti, T2) from the voltage source (U ^ on a valve circuit chargeable capacitor (C) is arranged, which is connected as an auxiliary voltage source at least to the gate (G) of the second transistor (T2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C) unter Zwischenschaltung eines Spannungswandlers (4) an das Gate (G) des zweiten Transistors (T2) angeschlossen ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the capacitor (C) with the interposition of a voltage converter (4) to the gate (G) of the second transistor (T2) is connected.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (4) die Kondensatorspannung (C) auf ein über dem Potential der Sourceanschlüsse liegendes Potential anhebt.3. Device according to claim 2, characterized in that the voltage converter (4) raises the capacitor voltage (C) to a lying above the potential of the source potentials.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungswandler (4) eine Messeinrichtung zur Messung des an den Sourceanschlüssen (S) anliegenden Potentials zugeordnet ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the voltage converter (4) is associated with a measuring device for measuring the voltage applied to the source terminals (S).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste 5 AT 505 417 B1 (Tt) und der zweite Transistor (T2) über ihre Sourceanschlüsse (S) aneinander angeschlossen sind.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first 5 AT 505 417 B1 (Tt) and the second transistor (T2) via their source terminals (S) are connected to each other.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Transistoren (L, T2) selbstsperrende n-Kanal Feldeffekttransistoren sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that both transistors (L, T2) are self-blocking n-channel field effect transistors. For this purpose 1 sheet of drawings