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Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung für ein elektrotechnisches Gerät. Gleichrichteranordnungen werden in vielen verschiedenen elektrotechnischen Geräten eingesetzt. Insbesondere in Netzgeräten werden sie zur Gleichrichtung der Netzspannung eingesetzt. Dabei werden Gleichrichteranordnungen für Schaltnetzgeräte benötigt, die die Eingangswechselspannung von z.B. 230 V, 50 Hz oder 110 V, 60 Hz in eine Gleichspannung umsetzen.
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Für elektrotechnische Geräte gibt es eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen der Elektroinstallation mit einer Vielzahl von Varianten, sei es im Bereich der Hausinstallation, der Industrieinstallation im Maschinen- und Anlagenbau, Industrieautomation, Prozessautomation, usw. Als Beispiele werden folgende Geräte genannt: Schutzgeräte wie Überspannungsschutz und Entstörfilter, elektronische Schaltgeräte und Motorsteuerungen, Trennverstärker, Frequenzumrichter, SPS-Steuerungen. Die Aufzählung ist nicht abschließend. Solche Geräte benötigen Stromversorgungen. Bei derartigen Elektroinstallationen können Stromversorgungsgeräte als separate Geräte ausgeführt sein, die ebenfalls auf Tragschiene montiert werden. Für solche Stromversorgungen sind kompakte Bauformen erwünscht. Vorzugsweise werden sie als Schaltnetzgeräte ausgeführt, die sich auch für höhere Leistungsklassen in kompakter Bauform realisieren lassen.
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Gleichrichteranordnungen gibt es in verschiedener Ausführung. Insbesondere wird unterschieden zwischen aktiven und passiven Gleichrichteranordnungen. Für die passiven Gleichrichteranordnungen werden Dioden als Gleichrichter eingesetzt. Sie werden auch als ungesteuerte Gleichrichteranordnung bezeichnet.
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Bei den gesteuerten Gleichrichteranordnungen werden zur Optimierung des Wirkungsgrades aktive Gleichrichter eingesetzt. Das sind in der Regel Feldeffekttransistoren, die zur richtigen Zeit ein- oder ausgeschaltet werden. Für das Timing werden Zeitgeberschaltungen benötigt. Außerdem werden Treiberschaltungen benötigt. Dies treibt den Aufwand für Gleichrichterschaltungen in die Höhe.
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Aus der
DE 10 2005 623 580 A1 ist ein Hybrid-Leistungs-MOSFET bekannt. Dieser niedersperrende MOSFET weist eine interne bipolare Diode auf, die antiparallel zum MOSFET geschaltet ist. In Reihe dazu ist ein J-FET-Transistor geschaltet.
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Aus der
DE 10 2016 101 909 A1 ist eine Hybrid-Diode bekannt. Die Hybrid-Diode umfasst einen Transistor vom Verarmungstyp, der in Reihe mit einer Diode gekoppelt ist. Die Diode kann als Schottky-Diode ausgeführt sein.
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Gegenüber den bekannten Lösungen besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, für die passive Gleichrichtung von Strömen und Spannungen bei denen Dioden z.B. als Einweg-Gleichrichter oder als Brückengleichrichter eingesetzt werden, die Dioden zu optimieren. Dabei sollen die Verluste durch die Flussspannung niedrig gehalten werden. Dies soll einhergehen mit einer möglichst hohen Sperrspannungsfestigkeit und Schaltgeschwindigkeit der Diode.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleichrichteranordnung für ein elektrotechnisches Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.
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In einer Ausprägung betrifft die Erfindung eine ungesteuerte Gleichrichteranordnung für ein elektrotechnisches Gerät mit einer Anzahl von selbstsperrenden Hochspannungsdioden. Dabei wird eine besondere Form von Hochspannungsdioden eingesetzt. Die Hochspannungsdioden bestehen jeweils aus einer Halbleiterdiode und einem Feldeffekttransistor und sind als Zweipol ausgeführt. Dies erfolgt dabei so, dass die Halbleiterdiode jeweils mit der Anode an die Eingangsspannung und mit der Kathode an den Source-Eingang des Feldeffekttransistor geschaltet ist und, dass der Gate-Eingang des Feldeffekttransistors an die Anode der Halbleiterdiode geschaltet ist. Diese Form der Gleichrichteranordnung hat den Vorteil, dass eine verlustarme Gleichrichtung mit den geforderten Eigenschaften möglich ist, ohne dass der Aufwand für gesteuerte Gleichrichteranordnungen erforderlich ist.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Feldeffekttransistor der Hochspannungsdiode als selbstleitender Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Häufig werden solche Feldeffekttransistoren als Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp bezeichnet.
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Zum Beispiel eignet sich besonders der J-FET-Feldeffekttransistor zu diesem Zweck.
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In einer bevorzugten Variante wird der Feldeffekttransistor als N-Kanal-J-FET-Feldeffekttransistor ausgebildet.
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Als Halbleiterdiode kann in vorteilhafter Weise eine Halbleiterdiode mit niedriger Flussspannung und hoher Schaltgeschwindigkeit eingesetzt werden. Hier kommen auch bipolare Silizium-Dioden in Frage.
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In einer vorteilhaften Variante können auch Schottky-Dioden eingesetzt werden, besonders wenn es auf hohe Schaltgeschwindigkeit ankommt.
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Die ungesteuerte Gleichrichteranordnung kann, beispielhaft als Einpuls-Einwegschaltung oder als Zweipuls-Brückenschaltung ausgeführt werden. Dies entspricht den typischen Gleichrichterschaltungen, die auch in Schaltnetzgeräten eingesetzt werden. Um die Erzeugung von Oberschwingungen auf den Versorgungsleitungen zu begrenzen wird oft noch eine Schaltung zur Leistungsfaktor-Regelung (PFC-Schaltung entsprechend Power Factor Correction) eingesetzt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Hochspannungsdiode aus den diskreten Komponenten Diode und selbstleitender Feldeffekttransistor ausgebildet ist, die in einem zweipoligem Gehäuse verschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass jede Komponente mit der für sie optimierten Halbleitertechnologie hergestellt werden kann. Durch das „Bonding“ in dem gemeinsamen Gehäuse können die Verbindungsleitungen kurz gehalten werden damit es zu keinen störenden Induktivitätseffekten kommt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Schaltbild einer Gleichrichteranordnung in Form einer Einpuls-Einwegschaltung;
- 2 eine Darstellung des Spannungsverlauf am Glättungskondensator der Einpuls-Einwegschaltung;
- 3 das Schaltbild einer Einpuls-Einwegschaltung mit einer erfindungsgemäßen Hochspannungsdiode;
- 4 ein Schaltbild einer Gleichrichteranordnung in Form einer Zweipuls-Brückenschaltung; und
- 5 eine Darstellung des Spannungsverlaufs am Glättungskondensator der Zweipuls-Brückenschaltung.
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Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.
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1 zeigt eine ungesteuerte Gleichrichteranordnung in Form einer einfachen Einpuls-Einwegschaltung. Solche werden vielfach in elektrotechnischen Geräten eingesetzt.
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Unter einem elektrotechnischen Gerät werden sowohl einfache Elektrogeräte mit einer Anzahl Bauteilen wie auch hochkomplexe elektronische Geräte mit einer Anzahl integrierter Schalkreise, wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicher, Logikeinheiten usw. verstanden.
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Es gibt für Elektroinstallationen elektrotechnische Geräte, die auf Tragschiene, z.B. Hutschiene montiert werden. Dabei wird besonders an den Bereich der Elektroinstallationen zur Gebäudeinstallation, zur Industrieinstallation im Maschinen- und Anlagenbau, Industrieautomation, Prozessautomation, usw. gedacht. Das Bezugszeichen ACin bezeichnet eine Eingangswechselspannungsquelle. Typischerweise handelt es sich um die Versorgungsspannung des öffentlichen Stromnetzes. In Europa und weiten Teilen der Welt wird die Versorgungswechselspannung mit einem Effektivwert von 230 V und 50 Hz Netzfrequenz eingesetzt. In USA wird die Versorgungswechselspannung mit einem Effektivwert von 110 V und 60 Hz Netzfrequenz eingesetzt. Das Bezugszeichen HSD bezeichnet eine Hochspannungsdiode. Diese wird als Gleichrichter eingesetzt. Während des Durchlaufens der positiven Halbwelle der Wechselspannung wird die Hochspannungsdiode HSD stromdurchflossen und lädt den Glättungskondensator CG auf. Während der negativen Halbwelle sperrt die Hochspannungsdiode HSD.
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Der Spannungsverlauf am Lastwiderstand RL am Ausgang der Gleichrichterschaltung ist in der 2 gezeigt. Mit VF ist die Spannung dargestellt, wenn kein Glättungskondensator CG vorhanden ist. Es zeigt sich, dass nur die positive Halbwelle durchgelassen wird. Während der negativen Halbwelle bleibt die Spannung auf Nullniveau. Mit vorhandenem Glättungskondensator CG ist der Spannungsverlauf ebenfalls dargestellt. Dabei wird in dem Teil Vc des Spannungsverlaufs der Glättungskondensator CG aufgeladen und in dem Teil Vd entladen. Der Glättungskondensator CG dient dazu die Spannung aufrecht zu halten während der Phase der negativen Halbwelle.
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Die 3 zeigt ebenfalls die Einpuls-Einwegschaltung allerdings mit Schaltbild für die erfindungsgemäße Hochspannungsdiode HSD. Diese besteht aus zwei in Reihe geschaltete Komponenten. Zum Ersten ist dies die Diode D1. Sie wird zur passiven Gleichrichtung eingesetzt. Vorzugsweise wird eine Diode eingesetzt, die eine geringe Flussspannung benötigt, damit sie verlustarm ist. Außerdem sollte sie eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen und den Laststrom leiten können. Eine Schottky-Diode erfüllt diese Anforderungen zum Beispiel. Die andere Komponente betrifft einen selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttransistor der als J-FET abgekürzt wird. Dargestellt ist ein N-Kanal-J-FET-Transistor. Der Source-Eingang dieses Sperrschicht- Feldeffekttransistor J1 ist an die Kathode der Diode D1 geschaltet. Der Drain-Ausgang steht mit dem Glättungskondensator CG in Verbindung. Zusätzlich ist der Gateanschluss mit der Anode der Diode D1 verbunden. Diese Verschaltung ermöglicht die Funktion der selbstsperrenden Hochspannungsdiode HSD ohne Ansteuerung. Der J-FET-Transistor J1 dient zur Vergrößerung der Sperrspannungsfestigkeit.
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Die Funktionsweise der Hochspannungsdiode ist wie folgt: Ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung, sind die Diode D1 und der J-FET-Transistor J1 leitend. Ist die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung, sperrt die Diode D1 und die in Sperrrichtung anliegende Spannung sorgt auch dafür, dass der J-FET-Transistor J1 sperrt und den Großteil der Spannung aufnimmt.
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Die Verluste im leitenden Betrieb ergeben sich aus der Summe der Verluste von Diode D1 und J-FET-Transistor J1. Für die Diode D1 berechnen sich die Verluste nach dem Ohm'schen Gesetz aus Flussspannung mal dem Stromfluss durch die Diode D1. Zusätzlich ergeben sich auch Verluste durch den J-FET-Transistor J1. Diese Verlustleistung Pv berechnet sich aus dem Widerstand RDS der Drain-Source-Strecke und dem Stromfluss / im Quadrat.
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Die Formel für die Gesamtverlustleistung Pv lautet deshalb:
Es hat sich in Experimenten gezeigt, dass die Kombination von Diode D1 und J-FET-Transistor J1 im Vergleich zu einer einzelnen Diode mit großer Sperrspannungsfestigkeit oft eine geringere Verlustleistung aufweist. Erst bei sehr großen Strömen kann sich dieser Effekt umkehren, da der Strom quadratisch in die Berechnung der Verlustleistung eingeht.
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Der Vorteil des Einsatzes der beschriebenen Hochspannungsdiode HSD wird noch gewichtiger, wenn in der Gleichrichteranordnung mehrere Gleichrichter eingesetzt werden. Die 4 zeigt so eine Gleichrichteranordnung mit vier Gleichrichtern HSD1 bis HSD4. Die dort gezeigte Gleichrichteranordnung entspricht einer Zweipuls-Brückengleichrichterschaltung. Die anderen Bezugszeichen betreffen die gleichen Komponenten wie in 1.
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Die 5 zeigt wieder den Spannungsverlauf. Dieser ist mit Bezugszeichen UDC bezeichnet. Es ist ebenfalls der Stromverlauf IZ1 durch den Gleichrichter HSD1 und der Stromverlauf IZ2 durch den Gleichrichter HSD3dargestellt. Gleichrichter HSD1 lässt den Stromfluss IZ1 nur während des Durchlaufens der positiven Halbwelle zu. Der Kondensator CG lässt den Strom IZ1 nur während der Ladephasen Vc passieren. Für die negative Halbwelle ist der Stromverlauf IZ2 durch den Gleichrichter HSD3 ebenfalls dargestellt.
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Die gezeigte Hochspannungsdiode HSD sollte vorzugsweise nicht als integrierte Halbleiterkomponente ausgebildet sein. Die Vorteile ergeben sich hauptsächlich, wenn Diode D1 und J-FET-Transistor J1 per „Molding“ diskret zusammengeschaltet werden, aber vorzugsweise in einem Gehäuse mit nach außen geführten Anschlüssen als Zweipol. So können verschiedene Halbleitertechnologien für Diode D1 und J-FET-Transistor J1 eingesetzt werden
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Es gelten folgende Einsatzbereiche für die Erfindung. Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft für Sperrspannungen >500 V einsetzen. Gleichzeitig sollten der Einsatzbereich auf den Strombereich von <100 A begrenzt werden, damit keine größeren Verluste auftreten. Die Erfindung lässt sich vorteilhaft bei Schaltnetzteilen einsetzen, die mit Schaltfrequenzen im Bereich von > 50 kHz arbeiten.
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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
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- ACin
- Eingangswechselspannung
- HSD, HSD1 - HSD4
- Hochspannungsdiode
- CG
- Glättungskondensator
- D1
- Diode
- IZ1
- Ladestrom
- IZ2
- Ladestrom
- IDC
- geglätteter Ausgangsstrom
- J1
- J-FET-Transistor
- RL
- Lastwiderstand
- UDC
- geglättete Ausgangsspannung
- Vc
- Spannungsverlauf Ladevorgang
- Vd
- Spannungsverlauf Entladevorgang
- VF
- Spannungsverlauf ohne Siebkondensator
- UP
- Brummspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005623580 A1 [0005]
- DE 102016101909 A1 [0006]
