DE4024160A1 - Gleichstromsteller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromsteller mit vier Schaltern mit jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden in Brückenschaltung zur Versorgung einer in der Brückendiagonalen liegenden Last, wobei bei jeder Richtung des Laststroms zwei in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegende erste Schalter periodisch getaktet werden und wobei der Mittelwert des Last­ stroms durch die Überlappung der Einschaltzeiten dieser Schalter bestimmt ist.

Ein derartiger Gleichstromsteller ist aus der DE-A1-29 30 920 bekannt. Damit ist die Versorgung einer Last mit einem vorge­ gebenen Gleichstrom in beiden Richtungen möglich. Bei jeder Richtung des Laststroms werden nur zwei diagonal gegenüberlie­ gende elektronische Schalter angesteuert.

Bei einer aus der US-A-32 60 912 bekannten Anordnung sind - so­ lange kein Ansteuersignal auftritt - nur die beiden Schalter der unteren Brückenhälfte leitend, so daß die Last nicht mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Ein von einer induktiven Last getriebener Strom wird über die untere Brückenhälfte ge­ führt und somit nicht in die Versorgungsspannung zurückge­ speist. Wenn nun bei dieser Anordnung ein Laststrom in einer bestimmten Richtung erzeugt werden soll, so wird - je nach gewünschter Stromrichtung - einer der Schalter der oberen Brückenhälfte geschlossen. Der diagonal gegenüberliegende Schalter der unteren Brückenhälfte bleibt geschlossen, während der in Reihe liegende Schalter des unteren Brückenzweiges zur Vermeidung eines Kurzschlusses geöffnet wird. Bei Umkehr der Stromrichtung durch die Last gilt sinngemäß dasselbe Ansteuer­ verfahren für die andere Brückendiagonale. Bei dieser Anordnung tritt bei induktiven Lasten nach jeder Phase der Energiezufuhr aus der Versorgungsspannung stets eine Phase des Freilaufs und nicht wie bei dem erstgenannten Verfahren eine Phase des Rück­ laufs auf.

Beide eingangs genannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß bei einem Wechsel der Stromrichtung der Stromnulldurchgang exakt erfaßt werden muß, damit von der Ansteuerung einer Brücken­ diagonale auf die Ansteuerung der anderen Brückendiagonale übergegangen wird. Dies führt in der Praxis zu Nichtlinearitä­ ten und einem Unempfindlichkeitsbereich im Bereich des Strom­ nulldurchgangs, so daß der Laststrom nur in einem eingeschränk­ ten Dynamikbereich exakt eingestellt werden kann. Bestimmte An­ wendungen, z.B. bei der Ansteuerung von Gradientenspulen für die Kernspin-Tomographie, erfordern jedoch einen extrem großen Dynamikbereich von z.B. 2 mA bis 200 A, in dem der Laststrom exakt gesteuert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Gleichstromsteller der eingangs genannten Art so auszuführen, daß auch im Bereich des Stromnulldurchgangs bei Umkehr der Stromrichtung eine exakte Steuerung des Laststroms möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätz­ lich jeweils zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende Schalter in Gegenphase getaktet werden.

Da bei jeder Stromrichtung alle Transistoren getaktet werden, ist zum Übergang von einer Stromrichtung auf die andere nur eine Verschiebung der Tastverhältnisse notwendig, so daß ein kontinuierlicher Übergang, d.h. ohne Knick im Stromverlauf, erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ausgehend vom Last­ strom Null bei einem Tastverhältnis aller Schalter von näherungs­ weise 50% und jeweils gegenphasiger Ansteuerung des in jeder Brückendiagonale diagonal gegenüberliegenden Schalterpaares der Laststrom durch Vergrößerung des Tastverhältnisses eines in einer Brückendiagonale liegenden Schalterpaares vergrößert. Damit erzielt man einen besonders großen Dynamikbereich.

Zweckmäßigerweise wird zwischen den Einschaltphasen zweier in der Brückenschaltung in Reihe liegender Schalter jeweils eine Sicherheitszeit eingefügt. Damit wird verhindert, daß kurzzei­ tig zwei bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltete Schalter gleichzeitig geschlossen sind und damit einen Kurz­ schluß der Versorgungsspannung verursachen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden nur noch zwei dia­ gonal gegenüberliegende Schalter getaktet, während der jeweils in Reihe liegende Schalter geöffnet bleibt, wenn der Laststrom I_A einen Grenzwert überschreitet. Da diese Maßnahme nur bei hohen Lastströmen ergriffen wird, stört sie nicht den kontinuierlichen Übergang beim Wechsel der Stromrichtung des Laststroms. Die Sicherheitszeiten können kleiner gehalten werden, da sie nun nicht mehr für höhere Lastströme mit zwangsläufig längerer Schaltzeit der Schalter ausgelegt werden müssen.

Vorteilhafterweise können in jedem Brückenzweig die Schalter über eine Drossel in Reihe geschaltet sein, indem jeder Brücken­ zweig eine Reihenschaltung eines mit einer ersten Versorgungs­ spannungsklemme verbundenen Schalters und einer Freilaufdiode und parallel dazu eine Reihenschaltung einer mit der ersten Versorgungsspannungsklemme verbundenen Freilaufdiode und eines Schalttransistors enthält und indem in jedem Brückenzweig Ver­ bindungspunkte von Schaltern und Freilaufdioden über eine Drossel miteinander verbunden sind, wobei die Last jeweils an eine Anzapfung der Drosseln angeschlossen ist. Mit diesen Drosseln wird der Stromanstieg im Falle eines Kurzschlusses durch zwei kurzfristig zugleich geschlossene Schalter begrenzt. Anderer­ seits begrenzen die entsprechenden Drosseln kaum die möglichen Anstiegszeiten des Laststroms.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 19 näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan eines Gleichstromstellers,

Fig. 2 bis 5 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 für den Laststrom I_A = 0,

Fig. 6 und 7 die Ansteuerung der Schalter 1 und 4 für einen kleinen Laststrom,

Fig. 8 und 9 die Ansteuerung der Schalter 1 und 4 für einen größeren Laststrom,

Fig. 10 die Schaltcharakteristik von zwei in Serie geschalteten Schalttransistoren,

Fig. 11 bis 14 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 unter Be­ rücksichtigung von Sicherheitszeiten,

Fig. 15 bis 18 die Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 für einen hohen Laststrom,

Fig. 19 ein Schaltbild eines modifizierten Gleichstrom­ stellers.

Fig. 1 zeigt ein typisches Schaltbild für einen Gleichstrom­ steller in Brückenschaltung. Zwischen zwei Versorgungsspannungs­ klemmen 11 und 12 liegen zwei Reihenschaltungen jeweils zweier Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4. Jedem Schalter ist eine Freilauf­ diode 5 bis 8 parallel geschaltet, wobei alle Freilaufdioden 5 bis 8 entgegengesetzt zur Versorgungsspannung gepolt sind. An eine Brückendiagonale ist eine Last 9 angeschlossen, wobei der durch die Last 9 fließende Strom I_A durch einen Meßwandler 10 erfaßt wird. Der erfaßte Strom wird als Istwert I_Aist einem Komparator 13 zugeführt und dort mit einem Sollwert I_Asoll ver­ glichen. Die am Ausgang des Komparators 13 anstehende Regelab­ weichung wird über einen Regler 14, der z.B. ein PI-Regler sein kann, einer Steuereinrichtung 15 zugeführt. Durch die Steuer­ einrichtung 15 werden die Schalter 1 bis 4 so angesteuert, daß der Laststrom I_A seinen Sollwert I_Asoll erreicht.

In der Praxis werden als Schalter 1 bis 4 Transistoren, z.B. FET-Leistungstransistoren eingesetzt. Bei der Last 9 handelt es sich im allgemeinen um eine induktive Last, so daß bei ge­ nügend hoher Schaltfrequenz der Schalter 1 bis 4 ein weitgehend kontinuierlicher Laststrom entsteht. Solange die Last 9 von den Versorgungsspannungsklemmen 11, 12 getrennt ist, fließt der durch die Induktivität der Last 9 getriebene Strom über ent­ sprechende Freilaufdioden 5 bis 8 sowie über eventuell noch ge­ schlossene Schalter 1 bis 4.

Der Laststrom I_A kann beliebig gesteuert werden und positive und negative Werte annehmen. Wenn man den Gleichstromsteller beispielsweise in der Kernspin-Tomographie für die Stromversor­ gung von Gradientenspulen einsetzt, ist eine geringe Abweichung vom vorgegebenen Soll-Verlauf des Laststroms besonders wichtig. Insbesondere müssen auch sehr kleine Ströme genau eingestellt werden. Der erforderliche Dynamikbereich liegt beispielsweise zwischen 2 mA bis 200 A. Wie die folgende Überlegung zeigt, ist dieser Dynamikbereich durch gleichzeitiges Schalten zweier diagonal gegenüberliegender Schalter, z.B. 1 und 4, oder durch festes Einschalten eines dieser beiden Schalter und Taktung des anderen nicht möglich. Die erforderliche Pulsbreite tp ist proportional zum gewünschten stationären Strom I:

t_p = k × I (k = Proportionalitätskonstante)

Dabei gilt:

wobei R der ohmsche Widerstand der Last 9, f die Schaltfrequenz und U_v die Versorgungsspannung ist.

Für typische Werte von

Widerstand R = 100 m Ohm
Schaltfrequenz f = 25 kHz,
Laststrom I_A = 200 A

ergibt sich eine Schaltzeit tp:

t_p = 2,66 µs

Wenn nun der Laststrom I_A auf 2 mA eingestellt werden soll, errechnet sich eine Pulsbreite des jeweiligen Schalters 1 bis 4 von:

t_p = 26,6 ps

Eine derart kurze Einschaltdauer kann mit einem Transistor als Schalter alleine nicht verwirklicht werden.

Da die erwähnte kurze Einschaltdauer mit einem Transistor nicht zu verwirklichen ist, wird die Einschaltdauer durch die Über­ lappung der Einschaltzeiten zweier in Reihenschaltung angeord­ neter Schalter 1 und 4 bzw. 2 und 3 erzeugt. Dies wird nach­ folgend anhand der Fig. 2 bis 9 näher erläutert. Die Fig. 2 bis 5 zeigen den Schaltzustand der Schalter 1 bis 4 für den Fall, daß der Last 9 keine Spannung zugeführt werden soll. Dabei werden die Schalter 1 und 4 (Fig. 2 und 5) ebenso wie die Schalter 2 und 3 (Fig. 3 und 4) im Gegentakt betrieben, so daß keine Überlappungszeit auftritt und damit die Last 9 auch nicht mit Spannung versorgt wird. Die Schalter 2 (Fig. 3) und 4 (Fig. 5) sind jeweils zu den Schaltern 1 (Fig. 2) bzw. 3 (Fig. 4) ebenfalls im Gegentakt geschaltet, um einen Kurzschluß zwischen den Eingangsklemmen 11 und 12 zu vermeiden. Das Tast­ verhältnis, d.h. das Verhältnis von Einschaltzeit TE zu Aus­ schaltzeit TA, ist in diesem Fall für alle Schalter 1 bis 4 gleich eins.

Will man nun den Laststrom I_A erhöhen, so wird das Tastverhält­ nis zweier diagonal gegenüberliegender Schalter vergrößert, d.h. die Einschaltdauer TE bei verkürzter Ausschaltdauer TA verlängert. Die Wahl des so angesteuerten Schalterpaares hängt von der gewünschten Richtung der Stromänderung ab. Bei den bei­ den verbleibenden, nicht stromführenden Schaltern wird die Ein­ schaltdauer parallel dazu verkürzt, d.h. das Tastverhältnis verringert.

Wie man am Beispiel der Fig. 6 (Schaltzustand des Schalters 1) und 7 (Schaltzustand des Schalters 4) sieht, tritt nunmehr in den schraffiert gezeichneten Bereichen eine Überlappung der Einschaltzeiten auf, während der die Last 9 an die Versorgungs­ spannung U_V gelegt wird, so daß eine entsprechende Stromänderung stattfindet.

In den Fig. 8 (Schaltzustand des Schalters 1) und 9 (Schaltzu­ stand des Schalters 4) sind die Tastverhältnisse, d.h. die Ein­ schaltzeiten der Schalter 1 und 4, noch weiter vergrößert, so daß die schraffierten Überlappungszeiten noch größer werden und durch die länger anstehende Betriebsspannung eine größere Stromänderung in der Last 9 stattfindet.

In den in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Fällen der Ansteuerung werden jeweils die zu den Schaltern 1 und 4 in Reihe geschal­ teten Schalter 2 und 3 jeweils gegenphasig angesteuert, so daß kein Kurzschluß der Versorgungsspannung U_V auftritt. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Schaltdiagramme für die Schal­ ter 1 und 4 in den Fig. 6 bis 9 weggelassen.

Die Überlappungszeiten und damit der resultierende stationäre Strom können zumindest theoretisch beliebig klein gemacht wer­ den. Die Schalter haben zwar keine beliebig steilen Schaltflan­ ken. Wie in Fig. 10 dargestellt wird, muß aber die Überlappungs­ zeit nicht durch Rechteckimpulse gebildet werden. Fig. 10 zeigt mit der Kurve A das typische Ausschaltverhalten eines Tran­ sistors und mit der Kurve B das typische Einschaltverhalten eines Transistors. Die für die Steuerung maßgebliche Über­ lappungszeit ist schraffiert gezeichnet.

Die dargestellte Ansteuerung hat den besonderen Vorteil, daß ein stetiger Übergang von einem positiven Laststrom I_A zu einem negativen Laststrom -I_A möglich ist.

Die nicht zu vernachlässigende Ein- und Ausschaltzeit von Transistoren muß allerdings bei der Ansteuerung berücksichtigt werden. Es muß sichergestellt werden, daß niemals die in einem Brückenzweig in Reihe liegenden Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4 gleichzeitig eingeschaltet sind. Da die Stromversorgungsquelle eine möglichst niedrige Induktivität haben soll, würde das gleichzeitige Einschalten zu einem Kurzschlußstrom mit sehr schnellem Anstieg und damit zu einer Zerstörung der Schalter 1-4 führen. Um dies zu verhindern, muß der Einschaltbefehl für einen Transistor (Zeitpunkt t_on) in einem Brückenzweig um eine Sicherheitszeit t_tot verzögert gegenüber dem Ausschaltbefehl (Zeitpunkt t_off) für den in demselben Brückenzweig liegenden Transistor gegeben werden:

t_tot = t_off - t_on

Die Fig. 11 und 14 zeigen ein Schaltdiagramm für die Schalter 1 bis 4, wobei die Sicherheitszeiten t_tot schematisch ein­ gezeichnet sind. Die durchgezogenen Linien zeigen dabei den realen Fall unter der Berücksichtigung einer Sicherheitszeit t_tot, die schraffierten Linien die Einschaltzeitpunkte für den theoretischen Fall. Dabei ist die Sicherheitszeit t_tot gegen­ über einem realen Wert der Sichtbarkeit wegen stark vergrößert dargestellt.

Die Ausschaltzeit eines Transistors hängt stark vom Strom ab, den der Transistor vor dem Ausschaltzeitpunkt führt. Ohne wei­ tere Maßnahmen müßte man die Sicherheitszeit t_tot für den maxi­ malen Strom, z.B. 200 A, auslegen und daher verhältnismäßig lang machen.

Eine Verkürzung der Sicherheitszeit t_tot wird möglich, wenn die beiden in einer Stromrichtung jeweils nicht stromführenden Schalter 1 bis 4 ganz abgeschaltet werden, sobald der Last­ strom I_A einen bestimmten Wert (z.B. 10 A) überschreitet. Ein entsprechendes Schaltdiagramm für die Schalter 1 bis 4 für eine Stromrichtung ist in den Fig. 15 bis 18 dargestellt. In diesem Fall werden nur die Schalter 1 und 4 getaktet, so daß ein positiver Laststrom I_A fließt, dessen Betrag von der Überlappungszeit der Einschaltzeiten der Schalter 1 und 4 be­ stimmt ist. Die Schalter 2 und 3 (Fig. 16 und 17) bleiben aus­ geschaltet, da der Laststrom I_A einen bestimmten Wert über­ schritten hat.

Bei einer derartigen Anordnung bleibt der Vorteil des kontinu­ ierlichen Nulldurchgangs des Laststroms I_A erhalten, da bei kleinen Strömen alle Schalter 1-4 getaktet werden und somit stetig von einer Stromrichtung auf die andere übergegangen werden kann. Andererseits muß jedoch die Sicherheitszeit t_tot lediglich auf die Ausschaltzeiten bei einem relativ niedrigen Strom ausgelegt werden und kann somit kurz gehalten werden.

Eine weitere Lösung des Kurzschlußproblems durch Überlappung der Einschaltzeiten von zwei in einem Brückenzweig liegenden Schaltern 1 und 2 bzw. 3 und 4 ist in Fig. 19 dargestellt. Dabei sind in jedem Brückenzweig jeweils eine Freilaufdiode 5 bzw. 7 und ein Schalter 2 bzw. 4 in Reihe geschaltet, wobei jeweils die Freilaufdiode 5 bzw. 7 mit dem positiven Anschluß der Versorgungsspannungsquelle U_V verbunden ist. In jedem Brückenzweig liegt ferner die Reihenschaltung eines Schalters 1 bzw. 3 und einer Freilaufdiode 6 bzw. 8, wobei jeweils der Schalter 1 bzw. 3 mit dem positiven Anschluß der Versorgungs­ spannungsquelle U_V verbunden ist. Der Verbindungspunkt von Schalter 1 mit der Freilaufdiode 6 ist über eine Drossel 16 mit dem Verbindungspunkt von Freilaufdiode 5 und Schalter 2 ver­ bunden. Der Verbindungspunkt von Freilaufdiode 7 und Schalter 4 ist über eine Drossel 17 mit dem Verbindungspunkt von Schalter 3 und Freilaufdiode 8 verbunden. Die Last 9 ist jeweils an eine Anzapfung der Drosseln 16 und 17 angeschlossen.

Bei dieser Anordnung wird der Stromanstieg durch die Drossel 16 bzw. 17 begrenzt, wenn die Schalter 1 und 2 bzw. 3 und 4 gleich­ zeitig eingeschaltet sind. Ferner wird ein speziell bei MOSFET- Transistoren auftretendes Problem gelöst. Diese Transistoren besitzen eine inhärente Freilaufdiode, die in Fig. 19 gestri­ chelt eingezeichnet ist. Diese Freilaufdiode hat jedoch die unangenehme Eigenschaft, daß sie normalerweise langsamer schal­ tet als die zugeordnete Schaltstrecke des MOSFETs. Durch die Drosseln 16 und 17 wird der Anstieg eines dadurch entstehenden Kurzschlußstromes verlangsamt. Bei dieser Schaltung sind dann die wesentlich schnelleren Dioden 5 bis 8 als Freilaufdioden wirksam.

Claims (5)

1. Gleichstromsteller mit vier Schaltern (1-4) mit jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden (5-8) in Brückenschaltung zur Versorgung einer in der Brückendiagonalen liegenden Last (9), wobei bei jeder Richtung des Laststroms (I_A) zwei in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegende erste Schalter (1, 4; 2, 3) periodisch getaktet werden und wobei der Mittel­ wert des Laststroms (I_A) durch die Überlappung der Einschalt­ zeiten (TE) dieser Schalter (1, 4; 2, 3) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich jeweils zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende Schalter (1, 2; 3, 4) in Gegenphase getaktet werden.

2. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ausgehend vom Laststrom (I_A) Null bei einem Tastverhältnis aller Schalter (1-4) von näherungs­ weise 50% und jeweils gegenphasiger Ansteuerung des in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegenden Schalterpaares (1, 4; 2, 3) der Laststrom (I_A) durch Vergrößerung des Tastver­ hältnisses des in einer Brückenschaltung diagonal gegenüber­ liegenden Schalterpaares vergrößert wird.

3. Gleichstromsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einschalt­ phasen zweier in der Brückenschaltung in Reihe liegender Schal­ ter (1, 2; 3, 4) jeweils eine Sicherheitszeit (t_tot) eingefügt wird.

4. Gleichstromsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß nur noch zwei diagonal gegenüberliegende Schalter (1, 3; 2, 4) getaktet wer­ den, während der jeweils in Reihe liegende Schalter (1-4) geöff­ net bleibt, wenn der Laststrom (I_A) einen Grenzwert über­ schreitet.

5. Gleichstromsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig die Schalter (1, 2; 3, 4) über eine Drossel (16, 17) in Reihe geschaltet sind, indem jeder Brückenzweig eine Reihenschaltung eines mit einer ersten Versorgungsspannungs­ klemme (11) verbundenen Schalters (1, 3) und einer Freilauf­ diode (6, 8) und parallel dazu eine Reihenschaltung einer mit der ersten Versorgungsspannungsklemme (11) verbundenen Frei­ laufdiode (5, 7) und eines Schalters (2, 4) enthält und indem in jedem Brückenzweig die Verbindungspunkte von Schaltern (1-4) und Freilaufdioden (5, 6) über eine Drossel (16, 17) mitein­ ander verbunden sind, wobei die Last (9) jeweils an eine Anzapfung der Drosseln (16, 17) angeschlossen ist.