DE19542343A1 - Schaltnetzteil mit Strombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil mit im Gegentaktbetrieb im Primärkreis eines Übertragers betriebenen Schalttransisoren, deren Steuerelektroden an einen Ansteuerschaltkreis angeschlossen sind, dem ein vom Strom in den Schalttransistoren abgeleitetes Meßsignal zuge­ führt wird, das von einer Strombegrenzungsschaltung im Ansteuerkreis ausgewertet wird.

Schaltnetzteile zerhacken eine Eingangsgleichspannung in eine Recht­ eckimpulsfolge, die in einem Übertrager entsprechend dem gewünschten Übersetzungsverhältnis transformiert und danach wieder gleichgerichtet und gesiebt wird. Im Primärkreis des Übertragers sind bei Netzteilen, die Gegentaktwandler enthalten, wenigstens zwei Schalttransistoren an­ geordnet, deren Verlustleistung im wesentlichen durch die Sättigungs­ spannung und die Umschaltverluste hervorgerufen wird. Die Schalttran­ sistoren sollen hohe Sperrspannungen, hohe Stromverstärkungen und kurze Schaltzeiten haben. Da die Schalttransistoren im Impulsbetrieb ar­ beiten, ist kurzzeitig eine wesentlich größere Verlustleistung zulässig als bei Gleichstrombetrieb. Um unzulässig hohe Beanspruchungen der Schalttransistoren zu vermeiden, sind Schutzbeschaltungen vorgesehen. Eine solche Schutzbeschaltung bezieht sich auch auf die Strombegren­ zung. Der über den oder die Schalttransistoren fließende Strom wird gemessen und der Meßwert wird dem Ansteuerschaltkreis zugeführt, in der eine Überwachungsschaltung die Ansteuersignale für die Schalttran­ sistoren bei einem unzulässigen Über- oder Kurzschlußstrom derart be­ einflußt, daß der Überstrom und der Kurzschlußstrom abgeschaltet bzw. auf einen zulässigen Stromwert reduziert werden.

Bei Schaltnetzteilen, in denen die Schalttransistoren mit hohen Taktfre­ quenzen arbeiten, treten durch die Umladung von Leitungs- und Transi­ storkapazitäten Störimpulse auf, die keinen Einfluß auf die Schutzbe­ schaltung für Über- und Kurzschlußströme haben sollen. Zur Ausblen­ dung dieser Störimpulse kann zwischen dem Sensor für die Erfassung des Stroms in den Schalttransistoren und dem Ansteuerschaltkreis für die Schalttransistoren ein RC-Glied angeordnet werden. Bei hohen Takt­ frequenzen müssen die Schalttransistoren in sehr kurzer Zeit vom lei­ tenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt gesteuert werden. Bei Schalttransistoren mit großen Ausgangskapazitäten treten dabei hohe Umladungsströme auf, die nur sehr kurze Zeit dauern. Zwar wäre eine Ausblendung dieser Störimpulse durch Vergrößerung des RC-Glieds mög­ lich, jedoch wirkt sich eine solche Vergrößerung durch eine Erhöhung der Zeitkonstante des Ansteuerschaltkreises für die Stromerfassung aus. Durch eine große Zeitkonstante ist der Strom in den Schalttransistoren nicht mehr unverfälscht erfaßbar, so daß keine wirkungsvolle Strombe­ grenzung möglich ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schaltnetzteil mit im Ge­ gentaktbetrieb im Primärkreis eines Übertragers betriebenen Schalttran­ sistoren zu entwickeln, bei dem kurze und hohe Störimpulse beim schnellen Übergang der Schalttransistoren vom leitenden in den nicht­ leitenden Zustand und umgekehrt die Anordnung für die Strombegren­ zung nicht zum Ansprechen bringen.

Die Aufgabe wird bei einem Schaltnetzteil der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem Strommeßelement für den Strom in den Schalttransistoren eine Zener-Diode parallel geschaltet ist, deren Kathode über einen Widerstand mit einem Eingang und deren Anode unmittelbar mit dem anderen Eingang der Strombegrenzungs­ schaltung im Ansteuerkreis verbunden sind, daß zu den Eingängen der Strombegrenzungsschaltung ein Kondensator parallel geschaltet ist und daß die Ansprechspannung der Zener-Diode größer ist als die bei einem noch zulässigen Überstrom des Schaltnetzteils vom Strommeßelement ab­ gegebene Spannung.

Bei dieser Anordnung können Schalttransistoren mit sehr kurzen Um­ schaltzeiten und größeren Ausgangskapazitäten verwendet werden, wobei die Strombegrenzungsschaltung bei kurzzeitigen Umladeströmen, die we­ sentlich über den Nennströmen des Netzgeräts liegen, nicht anspricht. Bei Über- und Kurzschlußströmen, die die Schalttransistoren wegen ih­ rer Erwärmung nicht für längere Zeitdauern ohne Schaden überstehen, spricht die Strombegrenzungsschaltung an, d. h. die Schutzfunktion der Strombegrenzungsschaltung bleibt erhalten. Es können die Ansprech­ spannung der Zener-Diode und die Zeitkonstante des RC-Glieds aus dem Widerstand und dem Kondensator so aufeinander abgestimmt sein, daß sich der Kondensator bei kurzzeitigen, hohen Störimpulsen nicht bis zur Ansprechschwelle der Strombegrenzungsschaltung auflädt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist im Patentanspruch 2 beschrieben. Wenn die vom Sensor für die Schalttransistoren erzeugte Spannung grö­ ßer als die im Anspruch 2 angegebene Ansprechschwelle ist, wird der Kondensator kurzgeschlossen. Der Kurzschluß bleibt so lange erhalten, bis die weitere Zener-Diode in den nichtleitenden Zustand übergeht. Störspannungen einer gewissen Dauer, die größer als die Ansprechspan­ nung der Strombegrenzungsschaltung sind, bewirken bei dieser Ausfüh­ rungsform kein Ansprechen der Strombegrenzungsschaltung.

Die Ansprechschwelle, die durch die Zenerspannung und die am Wider­ stand auftretende Gate-Spannung für die Versetzung des Schalttransi­ stors in den leitenden Zustand gebildet wird, liegt über der im Normal­ betrieb des Schaltnetzteils erzeugten Strommeßspannung. Große Ströme wie Umladeströme erzeugen Spannungen, die über der Ansprechschwelle liegen, wodurch der Schalttransistor leitend wird und den Kondensator kurzschließt. Nach Wegfall der großen Ströme wird daher keine falsche Messung erzeugt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils, das ein­ gangsseitig einen Gleichrichter 1 zur Umwandlung der Netzwechselspan­ nung in eine Gleichspannung hat.

Parallel zu den Gleichspannungsausgängen des Vollweg-Gleichrichters 1 ist ein Kondensator 2 gelegt. Eine Brückenschaltung 3 enthält zwei Zweige mit je zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren 4, 5 und 6, 7.

Die Zweige der in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren 4, 5 im fol­ genden auch FET genannt, sind gemeinsam an ein Element 8 zur Strom­ messung angeschlossen. Bei dem Element 8 kann es sich um einen Shunt 9 oder einen Stromwandler 10 handeln. Die Brückenschaltung 3 mit den FET 4 bis 7 und dem Strommeßelement 8 ist zu den Gleichspannungsaus­ gängen des Gleichrichters 1 parallel geschaltet.

Mit der gemeinsamen Verbindungsstelle der FET 4, 5 und der FET 6, 7 ist jeweils ein Anschluß der Primärseite eines Übertragers 11 verbun­ den, an dessen Sekundärseite beispielsweise ein weiterer Gleichrichter angeschlossen sein kann, der eine Ausgangsgleichspannung abgibt, die geregelt werden soll. Bei den FET 4 bis 7 handelt es sich um Anreiche­ rungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren mit N-Kanal und intern mit dem Source-Anschluß verbundenem Substrat. Die Drain-Elektroden der FET 4 bzw. 6 sind jeweils mit den Source-Elektroden der FET 5 bzw. 7 verbunden.

Die Ausgänge des Strommeßelements 8 sind an eine Zener-Diode 12 ange­ schlossen. Falls zur Strommessung der Shunt 9 verwendet wird, wird die Zener-Diode 12 zum Shunt 9 parallel gelegt. Der Stromwandler 10 wird sekundärseitig mit der Zener-Diode 12 verbunden, wobei an die Se­ kundärseite des Stromwandlers noch eine nicht dargestellte Bürde ange­ schlossen wird.

Die Kathode der Zener-Diode 12 ist über einen Widerstand 13 mit einem Eingang 14 eines Ansteuerschaltkreises 15 für die FET 4 bis 7 verbun­ den. Die Anode der Zener-Diode 12 ist direkt an den zweiten Eingang 16 des Ansteuerschaltkreises angeschlossen, der Steuerspannungen an die Steuerelektroden der FET 4 bis 7 ausgibt. Bei den Eingängen 14, 16 handelt es sich um die Eingänge einer zum Schaltkreis 15 gehörigen Strombegrenzungsschaltung, die nicht näher dargestellt ist.

Bei dem Ansteuerschaltkreis 15 handelt es sich um ein an sich bekann­ tes Bauelement. Beispielsweise kann ein Ansteuerschaltkreis vorgesehen sein, wie er auf den Seiten 562, 563 des Buches "Analoge Schaltungen" von M. Seifert, 2. Auflage, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1988, dargestellt und beschrieben ist. Der Eingang 16 kann an Masse gelegt sein. Parallel zu den Eingängen 14, 16 ist ein Kondensator 17 gelegt.

Zu der Zener-Diode 12 ist die Reihenschaltung einer weiteren Zener-Di­ ode 18 und eines Widerstands 19 parallel geschaltet. Die Zener-Diode 18 ist mit der Kathode an die Kathode der Zener-Diode 12 angeschlossen. Die Anode der Zener-Diode 18 ist gemeinsam mit einem Anschluß des Wi­ derstands 19 an die Steuerelektrode eines Anreicherungs-Isolierschicht- Feldeffekttransistors 20 mit N-Kanal und intern mit dem Source-An­ schluß verbundenen Substrat angeschlossen. Die Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 20 ist zum Kondensator 17 parallel gelegt.

Bei einem schnell getakteten Schaltnetzteil müssen die FET 4 bis 7 schnell vom leitenden in den nichtleitenden Zustand umgeschaltet wer­ den. Da die FET 4 bis 7 Ausgangskapazitäten besitzen, entstehen auf­ grund der Umladung hohe Querströme, die z. B. das 5- bis 50fache des über die Schalttransistoren 4 bis 7 jeweils fließenden Nennstroms betra­ gen können. Diese Ströme sind nicht nur groß sondern auch sehr kurz. Die Zener-Diode 12 begrenzt die von diesen Strömen am Strommeßelement 8 hervorgerufenen hohen Spannungen auf einen Wert, der höher als die Ansprechspannung der Strombegrenzungsschaltung im Ansteuerschalt­ kreis 15 ist. Die Zener-Diode 12 begrenzt z. B. die Spannung auf 12 V. Die Höhe der Ansprechspannung der Zener-Diode 12 ist unter Abstim­ mung auf die Zeitkonstante der aus dem Kondensator 17 und dem Wider­ stand 13 bestehenden RC-Schaltung so gewählt, daß der Kondensator 17 innerhalb einer bestimmten, von dem Störimpulsdauern abhängigen Zeit ausgehend von einer dem Nennstrom des Schaltnetzteils entsprechenden Aufladung nicht bis zur Ansprechschwelle der Strombegrenzungsschal­ tung aufgeladen wird.

Von der an der Zener-Diode 12 anstehenden Spannung wird auch die Reihenschaltung aus der Zener-Diode 18 und dem Widerstand 19 beauf­ schlagt. Die Zener-Diode 12 hat eine Ansprechspannung, die über derje­ nigen Spannung liegt, die vom Strommeßelement 8 bei einem noch zuläs­ sigen Überstrom erzeugt wird. Die Ansprechspannung der Zener-Diode 19 ist aber kleiner als diejenige der Zener-Diode 12. Beispielsweise be­ trägt die Ansprechspannung der Zener-Diode 18 5 V. Wenn die Zener-Di­ ode 18 leitend ist, wird der FET 20 leitend gesteuert. Hierdurch wird der Kondensator 17 kurzgeschlossen. Damit werden bestimmte Störspan­ nungen im Bereich über der Zener-Dioden-Ansprechspannung völlig aus­ geblendet. Die erste Zener-Diode sorgt dann im wesentlichen dafür, daß die Steuerelektrode des Transistors die richtige Ansteuerspannung er­ hält.

Durch die Zener-Spannung der weiteren Zener-Diode 18 und die Gate- Spannung am Widerstand 19 für den N-FET 20 wird eine Ansprech­ schwelle geschaffen, die so bemessen ist, daß sie über der im normalen Betrieb des Schaltnetzteils vorhandenen Strommeßspannung liegt. Große Ströme, d. h. solche die über den Strömen des Normalbetriebs des Schaltnetzteils liegen, z. B. Umladeströme, bewirken eine Überschreitung dieser Schwelle, wodurch der N-FET 20 leitet. Hierdurch wird die Span­ nung am Kondensator 17 auf etwa 0 V gehalten, was bedeutet, daß nach Wegfall dieser größeren Ströme bei der darauffolgenden Erfassung eines "Normalstroms" nicht die Messung einen falschen Wert für den Strom ergibt.

Die Zener-Diode 12 soll die Strommeßspannung auf Werte kurz über der oben genannten Ansprechschwelle begrenzen, da der FET 20 sowieso schon leitet.

Nach dem Abklingen der Störimpulse beim Übergang der FET 4 bis 7 vom leitenden in den nichtleitenden Zustand herrscht am Ausgang des Strommeßelements 8 eine Spannung, die bei einwandfreiem Betrieb des Schaltnetzteils kleiner als die Ansprechspannung der Zener-Diode 12 und der Zener-Diode 18 ist. Die oben beschriebene Anordnung zur Verbin­ dung des Ansprechens der Strombegrenzungsschaltung übt dann keinen Einfluß auf die Strombegrenzungsschaltung mehr aus.

Claims (4)

1. Schaltnetzteil mit im Gegentaktbetrieb im Primärkreis eines Über­ tragers betriebenen Schalttransistoren, deren Steuerelektroden an einem Ansteuerschaltkreis angeschlossen sind, dem ein vom Strom in den Schalttransistoren abgeleitetes Meßsignal zugeführt wird, das von einer Strombegrenzungsschaltung im Ansteuerschaltkreis ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß einem Strommeßelement (8) für den Strom in den Schalttransi­ storen (4, 5, 6, 7) eine Zener-Diode (12) parallel geschaltet ist, de­ ren Kathode über einen Widerstand (13) mit einem Eingang (14) und deren Anode direkt mit dem anderen Eingang der Strombe­ grenzungsschaltung im Ansteuerschaltkreis (15) verbunden ist,
daß zu den Eingängen (14, 16) der Strombegrenzungsschaltung ein Kondensator (17) parallel geschaltet ist und daß die Ansprech­ spannung der Zener-Diode (12) größer ist als die bei einem noch zulässigen Überstrom des Schaltnetzteils vom Strommeßelement ab­ gegebene Spannung.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung einer weiteren Zener-Diode (18) und eines weite­ ren Widerstands (19) zu der Zener-Diode (12) parallel gelegt ist, daß die Anode der weiteren Zener-Diode (18) und ein Anschluß des weiteren Widerstands (19) mit der Steuerelektrode eines Schalttransistors (20) verbunden sind, der zum Kondensator (17) parallel geschaltet ist, und daß die Ansprechschwelle, die von der Zener-Spannung der weiteren Zener-Diode (18) und der Steuer­ elektroden-Spannung des Schalttransistors gebildet wird größer als die bei einem noch zulässigen Überstrom des Schaltnetzteils vom Strommeßelement (8) ab gegebene Spannung ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, durch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle kleiner als die Ansprechspannung der an­ deren Zener-Diode (12) ist.

4. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechspannung der Zener-Diode (12) und die Zeitkon­ stante des aus dem Widerstand (13) und dem Kondensator (17) be­ stehenden RC-Glieds so aufeinander abgestimmt sind, daß große, kurzzeltige Störsignale am Ausgang des Strommeßelements den Kondensator (17) nicht bis zur Ansprechschwelle der Strombegren­ zungsschaltung aufladen.