DE3110075C2

DE3110075C2 - Strombegrenzer für einen Sperrumrichter

Info

Publication number: DE3110075C2
Application number: DE19813110075
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8033 Krailling Rambold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1986-10-16
Also published as: DE3110075A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer für einen Sperr umrichter. Der Transistorstrom des im Primärstromkreis eines Transformators (TR) liegenden Transistors (TS) wird über einen Stromwandler (SW) gemessen und mit einer vom Tastverhältnis des Transistorstromes abhängigen Referenzspannung verglichen. Wird der zulässige Transistorstrom überschritten, so wird der Transistor bis zum Beginn einer neuen Schaltperiode gesperrt. Durch die vom Tastverhältnis abhängige Referenzspannung wird auch bei unterschiedlichen Eingangsspannungen des Sperrumrichters praktisch immer beim gleichen Ausgangsstrom abgeschaltet. Die Begrenzerschaltung (BS) enthält einen Differenzverstärker (DV), dem eine dem Transistorstrom (i ↓T) proportionale Meßspannung (u ↓i) und eine Referenzspannung (U ↓C) zugeführt sind. Die Referenzspannung wird über einen Schalter (S), der entsprechend dem Tastverhältnis gesteuert wird, einem dem Schalter nachgeschalteten Widerstand (R ↓1), einem Spannungsteiler (R ↓2, R ↓3) und einem der Siebung dienenden Kondensator (C) erzeugt.

Description

Schluß des Kondensators verbunden ist

Durch den Spannungsteiler wird als Referenzspannung eine Gleichspannung verwendet, der eine zweite dem Tastverhältnis proportionale Gleichspannung überlagert ist. Hierdurch ist bei unterschiedlichen Eingangsspannungen und damit auch bei unterschiedlichen Tastverhältnissen ein Begrenzen bei annähernd gleichem maximalem Ausgangsstrom des Sperrumrichters möglich.

Weitere vcfteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Begrenzerschaltung,

Fig.2 das Prinzipschaltbild eines Sperrumrichters mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung,

F ι g. 3 den prinzipiellen Verlauf des Transistorstromes

Fig.4 die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie eines Sperrumrichters mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Begrenzerschaltung ßSdargestellt

Zunächst soll jedoch das Schaltbild und die Funktion eines Sperrumrichters an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert werden.

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Sperrumrichters. Der Eingangsstromkreis ist über die Eingangsklemmen £1 und £2 an eine Eingangsspannung Ue angeschaltet. An der Eingangsklemme £ 1 liegt hierbei das positive Versorgungspotential + Ue, während die zweite Eingangsklemme £2 an 0 Volt (J.) liegt. In dem Eingangsstromkreis liegt eine Reihenschaltung der Primärwicklung eines Transformators 77? und eines Transistors TS. Der in Reihe zu dem Transistor geschaltete Stromwandler SW braucht zunächst nicht betrachtet werden. An die Sekundärwicklung des Transformators TR ist eine Gleichrichterschaltung mit einem Gleichrichter G und mit einem Kondensator C1 angeschaltet. Die Ausgangsklemmen sind mit A 1 und mit A 2 bezeichnet. Ein Verbraucher, der zwischen diesen Ausgangsklemmen liegt, wurde nicht dargestellt. Die Basis des Transistors TS ist an einem Ausgang AS einer Steuerung STangeschaltet. Ein Meßwandler MWist an die Ausgangsklemmen Ai, A 2 angeschlossen. Sein Ausgang ist mit einem ersten Eingang £13 der Steuerung verbunden.

Außerdem ist die Begrenzerschaltung BS über einen zweiten Eingang, den Schaltungspunkt 52, ebenfalls an den Ausgangs des Meßwandlers MW angeschaltet. Der erste Eingang £11 der Begrenzerschaltung ist an den Ausgang des Stromwandlers SW angeschlossen. Der Takteingang £Tder Begrenzerschaltung SS ist mit dem Taktausgang A Tder Steuerung verbunden. Die Begrenzerschaltung erhält eine Steuerspannung, die dem Tastverhältnis des Transistorstromes entspricht. Der Steuerausgang AB der Begrenzerschaltung BS ist mit dem Begrenzereingang EB der Steuerung verbunden.

Über diesen Begrenzungseingang EB wird der Transistor 7"S gesperrt und erst bei Beginn einer neuen Periode erneut eingeschaltet. Eine Schaltungsanordnung hierzu verwendet eine RS-Kippstufe (Setzen-Rücksetzen-Kippstufe). In der Steuerung werden zwei Takte erzeugt, von denen der erste die RS-Kippstufe einstellt und der zweite sie zurücksetzt. Während der Einstellzeit wird auch der Transistor 7"S durchgeschaltet. Von der Begrenzerschaltung wird bei zu großem Transistorstrom ein Signal abgegeber., das die Kippstufe über den Clear-Eingang (Lösch-Eingang) vorzeitig zurückstellt Das Sperren des Transistors TS selbst, der im Ausführungsbeispiel ein npn-Typ ist, erfolgt durch Anlegen einer negativen Spannung oder Masse an der Basis.

Die Steuerung ST sorgt für periodisches Durchschalten und Sperren des Transistors TS. Die Frequenz soll in diesem Ausführungsbeispiel konstant sein. Eine typische Kurvenform des Transistorstromes h ist in F i g. 3 dargestellt Wird der Transistor eingeschaltet, steigt sein Strom praktisch senkrecht bis zu einem Wert i\ an. Dann folgt ein weiterer langsamer Anstieg, dessen Steilheit von der Eingangsspannung Ue und von der Induktivität des Transformators abhängig ist, bis zu einem mais ximalen Wert k- Nach Erreichen dieses Wertes fällt der Transistorstrom auf den Wert 0 ab, um nach insgesamt einer Taktperiodendauer Γ wieder schlagartig auf den Wert i\ anzusteigen. Die Dauer des Stromflusses wurde mit yT, die Dauer der Strompause mit (1 —y) Tbezeichnet.

Das Verhältnis //(1—/) wird als Tastverhältnis bezeichnet. Als Maximalwert für γ ist 0,5 sinnvoll. Das Tastverhältnis ist abhängig von der Eingangsspannung. Bei höheren Eingangsspannungen genügt ein kleineres Tastverhältnis, um bei derselben Ausgangsspannung Ua denselben Ausgangsstrom U zu erzeugen.

Unter Vernachlässigung von Verlusten und bei einem Obersetzungsverhältnis des Transformators TS von 1 :1 beträgt die Ausgangsspannung

U_A = Ue-

\-y

und der Ausgangsstrom

U_A Q-Y

IL

Der Transistor TS des Sperrumrichters wird nun so gesteuert, daß die Ausgangsspannung bei unterschiedlicher Last konstant ist. Dies geschieht beispielsweise über den Meßwandler MW. der die Ausgangsspannung Ua mißt und in eine zur Ausgangsspannung proportionale zweite Hilfsspannung Uh 2 umsetzt, die über den ersten Eingang £13 der Steuerung S7"das Tastverhältnis des Transistors TS bestimmt. Steuerungen dieser Art sind aus zahlreichen Schaltungen für Sperrumwandler bekannt. Da die Steuerung nicht zur Erfindung gehört, soll sie auch nicht näher beschrieben werden.

Über den Meßwandler MW sind die Ausgangsspannung Ua und die zweite Hilfsspannung Uh 2 im allgemeinen galvanisch getrennt. Die galvanische Trennung kann z. B. optisch erfolgen, ebenso kann die auch zur Regelung der Ausgangsspannung Ua dienende zweite Hilfsspannung Uh 2 über eine Hilfswicklung des Transformators 77? und eine anschließende Gleichrichtung gewonnen werden.

Der Zusammenhang zwischen Ausgangsstrom und Ausgangsspannung eines Sperrumrichters mit herkömmlicher Begrenzung des Transistorstroms wird an Hand der Ausgangskenniinien in Fig.4 erläutert. Die Ausgangskennlinien wurden für zwei verschiedene Eingangsspannungen Ueί und Ue2 dargestellt. Die Eingangsspannung Ue \ sei die minimale Spannung, d. h. der Sperrumrichter arbeitet mit maximalem Tastverhältnis (/=0,5). Bis zu dem Knickpunkt K\ bleibt bei zunehmendem Ausgangsstrom U die Ausgangsspannung Ua konstant, um dann anschließend langsam bei weiter zu-

nehmendem Ausgangsstrom bis auf den Wert 0 abzunehmen. Bei einer größeren Eingangsspannung Ue2 wird ein kleineres Tastverhältnis (z. B. mit /=0,3) benötigt. Aufgrund des kleineren Tastverhältnisses erfolgt ein Absinken der Ausgangsspannung bei wesentlich höheren Werten des Ausgangsstromes Ia beim Knickpunkt K 2. Es ist bekannt, durch die Rückführung der Ausgangsspannung auf die Steuerung sogenannte »einziehende Kennlinien« zu erzielen, die in F i g. 4 als gestrichelte Linien dargestellt sind. In Abhängigkeit von ι ο der Eingangsspannung tritt jedoch eine Begrenzung der Ausgangsspannung weiterhin bei unterschiedlichen Ausgangsströmen Ia auf, wodurch die Schaltungsanordnung für den Maximalwert dimensioniert werden muß.

Durch die erfindungsgemäße Begrenzerschaltung wird praktisch ein Zusammenfallen der Knickpunkte K1, K.2 erreicht (Fig.5). Die Anordnung der Begrenzerschaltung ist aus F i g. 1 ersichtlich. Der Begrenzerschaltung wird über einen Eingang £ 11 eine Spannung Ui zugeführt, die dem Istwert des Transistorstroms ir proportional ist. Diese Spannung u, wird über einen Stromwandler SW gewonnen, der in den Eingangsstromkreis eingeschaltet ist und den Emitterstrom des Transistors /V mißt Ebenso kann der Stromwandler auch in den Kollektorstromkreis eingeschaltet werden. Im einfachsten Fall stellt ein ohmscher Widerstand den Stromwandler dar.

Die Begrenzerschaltung BS ist, wie bereits erwähnt, in der F i g. 1 dargestellt. Sie enthält einen Komparator (Vergleicher) CO. Der erste Eingang £ 11 des Komparators CO ist an den Ausgang des Stromwandlers SW angeschaltet Der zweite Eingang £12 des Komparators CO ist an einen Kondensator C angeschaltet, dessen zweiter Anschluß gegen 0 Volt (X) geschaltet ist. Außerdem ist dieser Anschluß mit einer Widerstandskombination, die aus drei Widerständen R\,R2 und R 3 besteht, angeschlossen. Der zweite Widerstand R 2 und der dritte Widerstand R 3 bilden einen Spannungsteiler, wobei der zweite Widerstand Λ 2 an den Schaltungspunkt 52, an dem eine zweite Hilfsspannung Uni liegt, angeschlossen ist und der Widerstand R 3 an 0 Volt (X) angeschaltet ist Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist mit dem zweiten Eingang £12 des Komparators CO verbunden und gleichzeitig auf einen Anschluß des ersten Widerstandes R 1 geführt, dessen zweiter Anschluß mit dem Umschaltkontakt eines Schalters S verbunden ist Der Umschaltkontakt wird abwechselnd an 0 Volt (X) oder an eine erste konstante Hilfsspannung Um geschaltet Gesteuert wird der Schalter über einen Takteingang ET. Als Schalter kann beispielsweise ein C-MOS-Gatter verwendet werden. Ebenso kann auch der Ausgang einiger Kippstufentypen direkt als Schalter verwendet werden.

Während am ersten Eingang £11 des Komparators CO die dem Transistorstrom h proportionale Spannung Ui anliegt, liegt an dem zweiten Eingang £ 12 die Referenzspannung Uc an. Solange die Referenzspannung größer als die Spannung u, ist bleibt die Ausgangsspannung des Komparators CO positiv. Erreicht dagegen die Spannung u, einen größeren Wert als die Referenzspannung Uc so wird die Ausgangsspannung des Komparators CO negativ. Dies bewirkt ein Sperren des Transistors 75 bis zum Beginn der nächsten Taktperiode, bei dem der Transistor TS erneut eingeschaltet wird. Die Referenzspannung Uc setzt sich aus einer Gleichspannung zusammen, die durch das Verhältnis der Widerstände R2 und A3 gebildet wird, und einer weiteren Gleichspannung, die von dem Tastverhältnis des Transistorstromes ir bestimmt wird und einen Innenwiderstand R 1 hat. Der Kondensator Cdient der Siebung und sorgt dafür, daß die Referenzspannung ίΛ-eine Gleichspannung ist. Die am Schaltungspunkt 52 anliegende zweite Hilfsspannung Un wird zunächst als konstant betrachtet. Sie soll dieselbe Größe wie die erste Hilfsspannung Uu 1 haben. Es wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß bei minimaler Eingangsspannung Un die Referenzspannung Ucd\e Hälfte der Hilfsspannungen beträgt und/=0,5 ist. Dann wird R 2 = R 3 gewählt. Der Schalter 5 liefert bei /=0,5 ebenfalls dieselbe Referenzspannung Uo Eine Begrenzung soll beim Knickpunkt K 1 der F i g. 4 einsetzen. Bei einer höheren Eingangsspannung Ue des Sperrumwandlers verringert sich das Tastverhältnis. Da nun der Schalter 5 längere Zeit an 0 Volt (X) und kürzere Zeit an der ersten Hilfsspannung Uh \ anliegt, wird die Referenzspannung Uc kleiner. Die Begrenzung tritt infolgedessen früher (bei kleineren Werten des Transistorstromes /V) ein und die erstrebte Ausgangskennlinie in F i g. 5 wird erzielt. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände Ri, R 2, R 3 können die Knickpunkte wunschgemäß verschoben werden. In Sonderfällen ist es möglich, auf einen der Widerstände R 2, R 3 oder auch auf beide zu verzichten. Hierbei ergeben sich im allgemeinen jedoch größere Streuungen der Knickpunkte.

Die Stromversorgung des Komparators CO erfolgt über eine weitere hier nicht dargestellte Hilfsspannung. Je nach verwendetem Komparatortyp kann selbstverständlich auch das Ausgangssignal beispielsweise zwischen einer positiven Spannung und der Spannung 0 variieren.

In vielen Anwendungsfällen werden die in F i g. 5 dargestellten »einziehenden Kennlinien« gewünscht. Dies wird dadurch erreicht, daß als zweite Hilfsspannung Uh 2 eine der Ausgangsspannung Ua proportionale Spannung verwendet wird.

Es ist auch möglich, als erste Hilfsspannung Uh 1 ebenfalls die zweite Hilfsspannung Uh 2 zu verwenden. Dies ergibt noch stärker »einzuziehende Kennlinien«. In diesem Fall muß beachtet werden, daß der Schalter 5 funktionsfähig bleibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strombegrenzer für einen Sperrumrichter, der einen Transformator (TR) und einen in Reihe mit dessen Primärwicklung geschalteten Transistor (TS) enthält, mit einer an die Sekundärwicklung des Transformators angeschalteten Gleichrichterschaltung (G, C1) und mit einer Steuerung (ST), die den Transistor (TS) periodisch durchschaltet und durch ι ο Änderung des Tastverhältnisses so steuert daß die Ausgangsspannung des Sperrumrichters konstant ist, mit einer Begrenzerschaltung (BS), die eine Vergleichsschaltung enthält deren Ausgang (AB) mit einem Begrenzungseingang (EB) der Steuerung (ST) verbunden ist, mit einem in Reihe mit dem Transistor (TS) geschalteten Stromwandler (SW), der einem Eingang (Eli) der Vergleichsschaltung eine dem Transistorstrom (fr) proportionale Meßspannung (u,) zuführt, die beim Überschreiten einer Referenzspannung (U₀) die Abgabe eines. Signals an die Steuerung (ST) bewirkt, durch das der Transistor (TS) bis zum Beginn einer neuen Taktperiode sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsschaltung ein Komparator (CO) vorgesehen ist, dessen zweiten Eingang (E 12) die Referenzspannung (Uc) zugeführt wird, die mit kleiner werdendem Tastverhältnis des Transistorstromes (fr) ebenfalls kleiner wird, daß die Referenzspannung (U_c) mit Hilfe eines Schalters (S) mit einem Umschaltkontakt erzeugt wird, der entsprechend dem Tastverhältnis des Transistorstromes (i-f) zwischen einer ersten Hilfsspannung (Uh i) und 0 Volt (I) periodisch hin- und hergeschaltet wird,

daß der andere Anschluß des Schalters (S) über einen Widerstand (Rl) mit dem zweiten Eingang (E 12) des !Comparators (CO) verbunden ist
und daß an den zweiten Eingang (E 12) des !Comparators (CO) ein Kondensator (C) angeschlossen ist.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen (R 2, R 3) vorgesehen ist, der zwischen einem Schaltungspunkt (S 2), an dem eine der Ausgangsspannung (Ua) des Sperrumrichters proportionale zweite Hilfsspannung (Uh 2) anliegt, und 0 Volt geschaltet ist, und daß der Verbindungspunkt der Widerstände (R 2, R 3) ebenfalls mit dem Anschluß des Kondensators (C) verbunden ist.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwandler (MW), der eine der Ausgangsspannung (Ua) des Sperrumsetzers proportionale zweite Hilfsspannung (Uh 2) abgibt, vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Schaltungspunkt (S 2) verbunden ist.

4. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Hilfsspannung (Uh]) eine konstante Spannungsquelle vorgesehen ist.

5. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als er-Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-AS 28 38 009).

In der Zeitschrift »telcom report I (1978), Heft 6, Seiten 404—409« ist die Wirkungsweise von Umrichtern beschrieben.

Durch Überlastung kommt es bei Sperrumrichtern mit trapezförmigem Transistorstrom auch bei Begrenzung dieses Stromes durch bisher übliche Maßnahmen zu einer Zerstörung der Bauteile des Ausgangskreises. Dieser Zerstörung versuchte man durch Überdirnensionierung der Bauteile vorzubeugen. Hierdurch wurden die Sperrumrichter jedoch größer, schwerer und teurer.

In der DE-AS 28 38 009 ist eine Strombegrenzerschaltung für einen Gleichstromumrichter beschrieben, die irn wesentlichen eine zweite Strommeßeinrichtung umfaßt, die über eine Steuer- und Regelschaltung den Schalttransistor bei Überlastung sperrt. Ein erster Transistor der zweiten Strommeßeinrichtung wird über die Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes von der Sekundärwicklung eines vom Emitterstrom des Schalttransistors durchflossenen Stromwandlers angesteuert.

Die zweite Strommeßschaltung greift über weitere Transistoren nur dann über die Steuer- und Regelschaltung ein, wenn die Mindestschaltzeit des Schalttransistors aufgrund überhöhter Eingangsspannung oder starker Überlast bis zum Kurzschluß unterschritten werden müßte.

Sie sorgt durch wiederholtes Sperren für die Dauer von jeweils mehreren Perioden dafür, daß der Strom im Leistungskreis nicht die zulässige Grenze übersteigt. Nach Wegfall der Störung, z, B. eines Kurzschlusses, setzt die Strombegrenzung sofort wieder aus.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist jedoch die Strombegrenzung von der Eingangsspannung abhängig und deshalb eine leistungsmäßige entsprechend ausgelegte Dimensionierung der Bauelemente erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Begrenzerschaltung anzugeben, bei der unabhängig von der Eingangsspannung die Ausgangsströme des Sperrumrichters bei ungefähr den gleichen Werten begrenzt werden.

Ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Transistorstrom überwacht wird. Durch seine Begrenzung werden ebenfalls alle weiteren Bauteile des Sperrumrichters vor Überlastung geschützt. Da der überwachte maximal zulässige Transistorstrom vom Tastverhältnis abhängig ist, ist eine zuverlässige Begrenzung gewährleistet.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Schaltungsanordnung mit einem Kondensator, einem Widerstand und einem Schalter zur Erzeugung der Referenzspannung vorgesehen ist, daß der Umschaltkontakt des Schalters über den Widerstand mit einem Anschluß des Kondensators verbunden ist und daß der Schalter periodisch entsprechend dem Tastverhältnis des Transistorstromes zwischen einer ersten Hilfsspannung und 0 Volt hin- und hergeschaltet wird. Hierdurch wird auf einfache Weise

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spannung (Uh 2) vorgesehen ist.

6. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Hilfsspannung (Uh 1) eine konstante Spannungsquelle vorgesehen ist.

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cmc UClU ι aaivci iiaiiiiia ριυμυι uuuaiv; i\ticii,ii£.3)/aunung gewonnen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen vorgesehen ist, der zwischen dem Schaltungspunkt, an dem eine der Ausgangsspannung des Sperrumrichters proportionale Hilfsspannung anliegt, und 0 Volt geschaltet ist, und daß der Verbindungspunkt der Widerstände ebenfalls mit dem An-