WO2009068164A1 - Schaltung und verfahren zur regelung der stromversorgung eines verbrauchers mit strompulsen, die steile flanken aufweisen - Google Patents

Schaltung und verfahren zur regelung der stromversorgung eines verbrauchers mit strompulsen, die steile flanken aufweisen Download PDF

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WO2009068164A1
WO2009068164A1 PCT/EP2008/009408 EP2008009408W WO2009068164A1 WO 2009068164 A1 WO2009068164 A1 WO 2009068164A1 EP 2008009408 W EP2008009408 W EP 2008009408W WO 2009068164 A1 WO2009068164 A1 WO 2009068164A1
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Peter Moosbauer
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Definitions

  • the present invention relates to a circuit for controlling the power supply of a consumer and to a method for operating a circuit.
  • the present invention relates in particular to the power supply of a consumer with current pulses.
  • a known circuit is shown in Figures 1-3.
  • a consumer 10 is supplied with power by means of a current source 1.
  • a control device 2 By means of a control device 2, the current provided by the current source 1 is kept constant.
  • the circuit 100 further comprises an inductor 4 and a switch 7 ', which is connected in parallel with the load 10.
  • the switch 7 ' is driven by a driver 6', wherein the driver 6 'has an input for controlling the current pulses by means of a pulse control signal (Pulse Control Signal).
  • a pulse control signal Pulse Control Signal
  • the operation of the known circuit is divided into three phases Pl, P2 and P3 in response to the pulse control signal 5.
  • the three phases are shown schematically in Figures 1 - 3, wherein in Figure 1, the first phase Pl, in Figure 2 the second phase P2 and in Figure 3, the third phase P3 is shown.
  • the Pulse Control signal consists of pulses and intervening pulse pauses.
  • a first pulse pause is designated Pl, a subsequent pulse with P2 and a second pulse pause with P3 following the pulse P2.
  • the pulse control signal 5 has a pulse pause, whereby the switch 7 ' is controlled conductively.
  • the pulse control signal 5 has a pulse, whereby the switch 7 'is blocked.
  • the term “closing" a switch is to be understood as meaning that the switch is conductively controlled by the corresponding driver,
  • the term “opening” of a switch is to be understood as meaning that the switch is blocked by the associated driver is controlled.
  • the first phase Pl is shown schematically.
  • the switch 7 ' is conductively controlled so that the current I Lucas set and impressed by the current source 1 flows through the inductance 4, then through the switch 7' and back to the current source 1.
  • the consumer 10 is de-energized in this phase Pl.
  • the second phase P2 is shown schematically.
  • the switch 7 ' is controlled by the driver 6' blocking, thereby the impressed current Ii no longer flows through the switch 7 'but by the consumer 10. Due to the behavior of the current source 1 and the inductor 4 is a current pulse with short rise time reached in the consumer 10.
  • the third phase P3 is shown schematically.
  • the switch 7 ' is again turned on, so that the current Ii impressed by the current source 1 again flows through the inductance 4, through the switch 7' and back to the current source 1.
  • the consumer 10 is no longer supplied by the impressed current from the current source I x .
  • the two lines to the load 10 each have a line inductance. This is due to a first inductor 8 and a second inductor 9 in the Drawing shown schematically.
  • a current I 2 flows through the load 10 in the third phase P3.
  • the current I 2 has the same value as the one at the beginning of the third phase P3 Stream II, but it decreases with increasing time, until it has finally become zero.
  • the time t until the current I 2 has fallen to zero is calculated from:
  • Ii is the current impressed by the current source 1
  • Li is the value of the first inductance 8
  • L 2 is the value of the second inductance 9
  • U v is the load voltage of the consumer 10.
  • a disadvantage of the known circuit is thus a high fall time, by which no exact pulse operation of a consumer is possible.
  • the present invention thus has for its object, a circuit for controlling the power supply of a consumer and a method for operating a To provide circuit in which both short rise and short fall times are possible.
  • the present invention relates to a circuit for operating a consumer comprising a power source for providing a power supply for a consumer and a first switch connected in parallel to the consumer, wherein the current in the form of pulsed current pulses is transmitted to the consumer by opening and closing the first switch.
  • a parallel to the first switch and connected in series to the consumer second switch is provided, which is opened and closed in phase opposition to the first switch and a parallel to the first switch and in series to the load switched load with high load voltage.
  • the present invention further relates to a method of operating a circuit, the circuit comprising a power source for providing a power supply to a load, a first switch connected in parallel with the load, a second switch connected in parallel with the first switch and in series with the load, and a parallel to the first switch and in series with the load connected load with high load voltage includes.
  • the method comprises the following steps: opening and closing of the first switch for transmitting pulsed current pulses to the consumer and opening and closing of the second switch in antiphase to the first switch.
  • the power source is a DC power source.
  • the load is connected in parallel to the second switch.
  • the load may be a resistor, a voltage dependent resistor, a capacitor, a diode, a Zener diode, a suppressor diode, a controlled avalanche semiconductor, or a combination thereof.
  • the second switch and the load are combined in one device.
  • the load and the second switch are combined in a semiconductor switch with controlled avalanche behavior.
  • the controlled avalanche behavior of the semiconductor switch can be effected by the properties of the semiconductor.
  • the controlled avalanche behavior of the semiconductor switch can be effected by external wiring of the semiconductor switch.
  • a first protection diode is connected in parallel with the consumer.
  • a second protection diode is connected in series with the consumer.
  • a first resistor is connected in parallel to the second switch.
  • a constant current load is connected in parallel to the second switch.
  • a device for measuring current is provided and a signal is supplied by means of a suitable arrangement to the second switch so that the second switch is again conductively controlled below a certain current.
  • FIG. 1 shows a first phase of a known circuit
  • FIG. 2 shows a second phase of a known circuit
  • Fig. 3 is a third phase of a known
  • Circuit, Fig. 4 shows a first phase of a first
  • Fig. 5 is a second phase of a first
  • Invention. 11 shows the third phase of a sixth embodiment of the present invention
  • a circuit 11 comprises a current source 1, which is preferably a switched mode current source SMC.
  • the current source 1 is controlled by means of a regulator 2, so that the current Ii provided by the current source 1 can be kept constant.
  • the control device in this case comprises by means of a resistor 3, a current measuring device to ensure a corresponding control of the power source.
  • the circuit 11 further comprises an inductor 4 and a load 10, which by means of
  • Power source 1 is powered.
  • the consumer 10 is exemplified in the illustrated embodiment as a forward-biased diode, but is not limited to the illustrated embodiment and applicable to any other consumer 10, which is operated with current pulses.
  • the circuit 11 has a first switch 7, which is controlled by a first driver 6.
  • a pulse control signal 5 is supplied consisting of pulses and pulse pauses, so that in the pulse pause, the switch 7 is conductively controlled by the driver 6 and is controlled abruptly during a pulse.
  • a first pulse pause is denoted Pl, a subsequent pulse with P2 and a second pulse pause with P3 following the pulse P2.
  • Pl a first pulse pause
  • P2 a subsequent pulse with P2
  • P3 a second pulse pause with P3 following the pulse P2.
  • a second switch which is connected in series with the load 10 and parallel to the first switch 7.
  • This second switch is driven in phase opposition to the first switch 7, that is, when the first switch is locked, the second switch is turned on and vice versa.
  • a load 14 is provided, which is arranged in series with the load 10 and parallel to the first switch 6 and has a high load voltage. This can significantly reduce the times of occurrence.
  • FIG. 4 shows the first phase Pl of the pulse control signal 5
  • FIG. 5 shows the second phase P2 of the pulse control signal
  • FIG. 6 shows the third phase P3 of the pulse control signal.
  • FIG. 4 shows a pulse inverter 15 which inverts the pulse control signal 5 and transmits it to a second driver 12.
  • the second driver 12 corresponds in its operation to the first driver 6 and serves to drive the second switch 13.
  • the load 14 is connected in parallel with the second switch 13.
  • FIG. 4 shows the first phase Pl of the pulse control signal 5.
  • the pulse break is the first switch 7 conductively controlled and the second switch 13 is controlled by blocking.
  • the set and impressed by the current source 1 current Ii flows through the inductor 4 and the first switch 7 back to the power source 1.
  • the load 10, the load 14 and the switch 13 are de-energized.
  • the second phase P2 namely the pulse signal is shown schematically.
  • the pulse signal of the first switch 7 is suddenly controlled blocking and at the same time the second switch 13 is conductively controlled, so that the impressed by the current source 1 current Ii no longer by the first switch 7 but due to the behavior of the current source 1 and the inductance 4 pulse-like and rectangular with a short rise time by the load 10 and the second switch 13 flows back to the power source 1.
  • FIG. 6 schematically shows the third phase P3.
  • the first switch 7 is again turned on and at the same time the second
  • a current I 2 flows through the load 10 due to the magnetic energy stored in the line inductances 8, 9 during the second phase P2.
  • the current I 2 at the beginning of the third phase P3 has the same value as the current I 1 , but decreases with increasing time until it finally has become zero.
  • a load 14 is provided parallel to the second switch 13, which may be a Zener diode with high Zener voltage in the present embodiment.
  • the decaying current I 2 generates a load voltage U L on the load 14 which, together with the load voltage U v of the load 10, forms a total voltage value with regard to the fall time of the current I 2 .
  • the load 14 is designed such that a high load voltage U L results, so that the fall time of the current I 2 is very short.
  • the current I 2 can thus be brought to zero in a targeted manner via a load with a high load voltage within a short period of time.
  • FIGS. 4, 5 and 6 show a first embodiment in which the switch 13 is preferably a semiconductor switch and the load 14 is connected in parallel to the second switch 13.
  • the load may be a resistor, a voltage dependent resistor, a capacitor, a diode, a Zener diode, suppressor diode, a controllable semiconductor with controlled avalanche behavior and a behavior similar to a Zener diode or consist of a combination of said elements.
  • a semiconductor with a controlled avalanche behavior in the context of the present invention is a controllable semiconductor, for example a bipolar transistor, FET, IGBT, with a defined semiconductor Breakdown voltage (break down voltage). If a voltage applied to this semiconductor reaches or exceeds the breakdown voltage, the semiconductor, despite being blocked at the control input, becomes conductive (avalanche breakdown) and keeps the applied voltage at a value corresponding to its breakdown voltage.
  • FIG. 7 shows a second embodiment according to the circuit 11 of the present invention.
  • a semiconductor switch with controlled avalanche behavior is used as the second switch 16, as a result of which this switch additionally has the function of a load.
  • the Avalance behavior of the second switch 16 can here be brought about either by the property of the semiconductor itself or by suitable external wiring of the semiconductor.
  • the current I 2 at the second switch 16 generates such a high voltage that it comes into the avalance breakdown and the voltage applied remains so long holds the value of its breakdown voltage until the current I 2 has become zero. If a semiconductor is chosen for the second switch 16, which has a high breakdown voltage, then the fall time of the current I 2 is very short.
  • FIGS. 7 to 11 show further exemplary embodiments of the present inventive circuit 11, in which the second switch 16 is in each case a semiconductor switch with controlled avalanche behavior.
  • the second switch 16 has in the illustrated embodiments, a parasitic parallel capacitance (drain-source capacitance), which is shown schematically as a capacitor 17 with a capacitance C in the diagram.
  • the parallel capacitance remains undesirably charged to a voltage value U c , corresponding to the value of the breakdown voltage of the second switch 16.
  • This voltage U c is directed such that it is applied inversely to the load 10. If, for example, a diode 10 with a low reverse voltage is used as the load 10, then this would be destroyed because of the applied inverse voltage. This problem is avoided in the embodiment described below.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention, in which a first protective diode 18 is connected in parallel with the load 10 and thus an inverse voltage at the consumer 10 is avoided.
  • Figure 8 shows a third embodiment of the circuit 11 according to the invention, in which a second protective diode 19 is connected in series with the load 10 and thus also an Inverstension on the consumer 10 is avoided.
  • Figure 9 shows a fourth embodiment in which a first resistor 20 is parallel to the second switch 16 and so the parasitic parallel capacitance C of
  • Capacitor 17 discharges.
  • the resistance is dimensioned so that at the time in which the current
  • Figure 10 shows a fifth embodiment of the circuit 11 according to the invention, in which a constant current load 21 is parallel to the second switch 16 and thus discharges the capacitance C.
  • the constant current load 21 is dimensioned so that at the time in which the current I 2 has become zero, Also, the voltage U c at the second switch 16 has become zero, the capacitance C is thus discharged and thereby an Inversschreib is avoided on the load 10.
  • FIG. 11 shows a sixth embodiment of the circuit according to the invention, in which the current I 2 is measured via an exemplary second resistor 22 connected in series with the second switch 16 and the measuring signal is fed to the second switch 16 via a suitable arrangement in the driver circuit 12, that this is again conductively controlled below a certain current value I 2 and thus the capacitor C is discharged when the current I 2 has become zero.
  • a current measurement by means of a resistor
  • any other type of current measurement is possible in order to conduct the second switch 16 again below a certain current value.
  • the current measurement can also be done by means of a current transformer.
  • the present invention therefore makes it possible to supply a load 10 with current pulses of short rise time and at the same time short fall time.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrauchers (10) umfassend eine Stromquelle (1) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10). Ein erster Schalter (7), der parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet ist, die den Verbraucher (10) beinhaltet, übermittelt durch Öffnen und Schließen einen Strom in Form von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10). Die Reihenschaltung weist zusätzlich einen zweiten Schalter (13, 16) auf, welcher gegenphasig zum ersten Schalter (7) geöffnet und geschlossen wird. Parallel zum zweiten Schalter (13, 16) ist eine Last (14, 16) mit hoher Lastspannung geschaltet.

Description

SCHALTUNG UND VERFAHREN ZUR REGELUNG DER STROMVERSORGUNG EINES VERBRAUCHERS MIT STROMPULSEN, DIE STEILE FLANKEN AUFWEISEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Stromversorgung eines Verbrauchers mit Strompulsen.
Eine bekannte Schaltung ist in den Figuren 1 - 3 dargestellt. In der bekannten Schaltung 100 wird mittels einer Stromquelle 1 ein Verbraucher 10 mit Strom versorgt. Über eine Regeleinrichtung 2 wird der mittels der Stromquelle 1 zur Verfügung gestellte Strom konstant gehalten. Die Schaltung 100 umfasst des Weiteren eine Induktivität 4 sowie einen Schalter 7 ' , welcher parallel zum Verbraucher 10 geschaltet ist. Der Schalter 7' wird über einen Treiber 6' angesteuert, wobei der Treiber 6' einen Eingang zur Steuerung der Strompulse mit Hilfe eines Pulskontrollsignals (Pulse Control Signal) aufweist.
Die Funktionsweise der bekannten Schaltung gliedert sich in drei Phasen Pl, P2 und P3 in Abhängigkeit von dem Pulse Control Signal 5. Die drei Phasen sind in den Figuren 1 - 3 schematisch dargestellt, wobei in Figur 1 die erste Phase Pl, in Figur 2 die zweite Phase P2 und in Figur 3 die dritte Phase P3 dargestellt ist.
Das Pulse Control Signal besteht aus Pulsen und dazwischen liegenden Pulspausen. In der vorliegenden Beschreibung ist eine erste Pulspause mit Pl bezeichnet, ein darauffolgender Puls mit P2 und eine sich an den Puls P2 anschließende zweite Pulspause mit P3.
Während der Phasen Pl und P3 weist das Pulse Control Signal 5 eine Pulspause auf, wodurch der Schalter 7' leitend gesteuert wird. In der Phase P2 weist das Pulse Control Signal 5 einen Puls auf, wodurch der Schalter 7' sperrend gesteuert wird. Hierbei ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Ausdruck „Schließen" eines Schalters dahingehende zu verstehen, dass der Schalter durch den entsprechenden Treiber leitend gesteuert wird. Ebenso ist der Ausdruck „Öffnen" eines Schalters so zu verstehen, dass der Schalter durch den zugeordneten Treiber sperrend gesteuert wird.
In Figur 1 ist die erste Phase Pl schematisch dargestellt. Während der Puls-Pause in der Phase Pl ist der Schalter 7' leitend gesteuert, so dass der eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom Iχ durch die Induktivität 4, anschließend durch den Schalter 7' und zurück zur Stromquelle 1 fließt. Der Verbraucher 10 ist in dieser Phase Pl stromlos.
In Figur 2 ist die zweite Phase P2 schematisch dargestellt. Im Falle eines Pulses wird der Schalter 7' durch den Treiber 6' sperrend gesteuert, hierdurch fließt der eingeprägte Strom Ii nicht mehr durch den Schalter 7 ' sondern durch den Verbraucher 10. Aufgrund des Verhaltens der Stromquelle 1 und der Induktivität 4 wird ein Strompuls mit kurzer Anstiegszeit in dem Verbraucher 10 erreicht.
In Figur 3 ist die dritte Phase P3 schematisch dargestellt. Während der Pulspause in der dritten Phase P3 wird der Schalter 7' wieder leitend gesteuert, so dass der durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom Ii wieder durch die Induktivität 4, durch den Schalter 7' und zurück zur Stromquelle 1 fließt. Der Verbraucher 10 wird nicht mehr durch den von der Stromquelle eingeprägten Strom Ix versorgt.
Die beiden Leitungen zum Verbraucher 10 hin weisen jeweils eine Leitungsinduktivität auf. Dies ist durch eine erste Induktivität 8 und eine zweite Induktivität 9 in der Zeichnung schematisch dargestellt. Durch die während der zweiten Phase P2 in der ersten und zweiten Leitungsinduktivität 8 und 9 gespeicherte magnetische Energie fließt in der dritten Phase P3 ein Strom I2 durch den Verbraucher 10. Der Strom I2 hat zu Beginn der dritten Phase P3 den gleichen Wert wie der Strom Ii, er nimmt aber mit zunehmender Zeit ab, bis er schließlich null geworden ist .
Die Zeitdauer t bis der Strom I2 auf den Wert null gefallen ist, errechnet sich aus:
Figure imgf000004_0001
Hierbei ist Ii der durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom, Li ist der Wert der ersten Induktivität 8, L2 ist der Wert der zweiten Induktivität 9 und Uv ist die Verbraucherspannung des Verbrauchers 10. Die obige Formel gilt für den Fall einer stromunabhängigen Verbraucherspannung Uv.
Beispielsweise ergibt sich eine Fallzeit t bei einer Leitungsinduktivität von je 50 nH, einem Strom vom 100A und einer Verbraucherspannung von 2V aus: r = i00Λ-(50+50)-i0-9H^5 1(r6„
2V
Bei den oben genannten typischen Beispielswerten ergibt sich somit eine Fallzeit von 5μs, welche für eine Vielzahl von Applikationen zu lange ist.
Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist somit eine hohe Fallzeit, durch welche kein exakter Pulsbetrieb eines Verbrauchers ermöglicht wird.
Die vorliegende Erfindung hat somit zur Aufgabe, eine Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung bereitzustellen, bei welchem sowohl kurze Anstiegs- als auch kurze Fallzeiten ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers umfassend eine Stromquelle zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher und einen parallel zum Verbraucher geschalteten ersten Schalter, wobei durch Öffnen und Schließen des ersten Schalters der Strom in Form von getakteten Strompulsen an den Verbraucher übermittelt wird. Hierbei ist ein parallel zum ersten Schalter und in Reihe zum Verbraucher geschalteter zweiter Schalter vorgesehen, welcher gegenphasig zum ersten Schalter geöffnet und geschlossen wird und eine parallel zum ersten Schalter und in Reihe zum Verbraucher geschaltete Last mit hoher Lastspannung.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, wobei die Schaltung eine Stromquelle zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher, einen parallel zum Verbraucher geschalteten ersten Schalter, einen parallel zum ersten Schalter und in Reihe zum Verbraucher geschalteten zweiten Schalter und eine parallel zum ersten Schalter und in Reihe zum Verbraucher geschaltete Last mit hoher Lastspannung umfasst. Das Verfahren umfasst hierbei folgende Schritte: Öffnen und Schließen des ersten Schalters zur Übermittlung von getakteten Strompulsen an den Verbraucher und Öffnen und Schließen des zweiten Schalters gegenphasig zum ersten Schalter.
Vorteilhafterweise ist die Stromquelle eine Gleichstromquelle . In einer ersten Ausführungsform ist die Last parallel zum zweiten Schalter geschaltet.
In dieser ersten Ausführungsform kann die Last ein Widerstand, ein spannungsabhängiger Widerstand, ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, eine Suppressordiode, ein Halbleiter mit kontrolliertem Avalancheverhalten oder eine Kombination hieraus sein. •
In einer zweiten bis sechsten Ausführungsform sind der zweite Schalter und die Last in einem Bauelement kombiniert .
Vorzugsweise sind hierbei die Last und der zweite Schalter in einem Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalancheverhalten kombiniert.
Vorteilhafterweise kann das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch die Eigenschaften des Halbleiters bewirkt werden.
Alternativ kann das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch externe Beschaltung des Halbleiterschalters bewirkt werden.
In einer zweiten Ausführungsform ist eine erste Schutzdiode parallel zum Verbraucher geschaltet.
In einer dritten Ausführungsform ist eine zweite Schutzdiode in Reihe zum Verbraucher geschaltet.
In einer vierten Ausführungsform ist ein erster Widerstand parallel zum zweiten Schalter geschaltet.
In einer fünften Ausführungsform ist eine Konstantstromlast parallel zum zweiten Schalter geschaltet. In einer sechsten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Strommessung vorgesehen und es wird ein Signal mittels einer geeigneten Anordnung dem zweiten Schalter so zugeführt, dass der zweite Schalter unterhalb eines bestimmten Stromes wieder leitend gesteuert wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nun mehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine erste Phase einer bekannten Schaltung, Fig. 2 eine zweite Phase einer bekannten Schaltung,
Fig. 3 eine dritte Phase einer bekannten
Schaltung, Fig. 4 eine erste Phase eines ersten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine zweite Phase eines ersten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 6. eine dritte Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung, Fig. 7 die dritte Phase eines zweiten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung, Fig. 8 die dritte Phase eines dritten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung Fig. 9 die dritte Phase eines vierten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 die dritte Phase eines fünften
Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung. Fig. 11 die dritte Phase eines sechsten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung
In den Figuren 4 - 11 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche Komponenten sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Eine Schaltung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Stromquelle 1, welche vorzugsweise eine getaktete Stromquelle SMC (switch mode current source) ist. Die Stromquelle 1 wird mittels einer Regeleinrichtung 2 gesteuert, so dass der Strom Ii, welcher von der Stromquelle 1 bereitgestellt wird, konstant gehalten werden kann. Die Regeleinrichtung umfasst hierbei mittels eines Widerstandes 3 eine Strommesseinrichtung um eine entsprechende Ansteuerung der Stromquelle zu gewährleisten.
Die Schaltung 11 umfasst des Weiteren eine Induktivität 4 sowie einen Verbraucher 10, welcher mittels der
Stromquelle 1 mit Strom versorgt wird. Der Verbraucher 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft als eine in Durchlassrichtung betriebene Diode dargestellt, ist aber nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt und auf jeden anderen beliebigen Verbraucher 10 anwendbar, welcher mit Strompulsen betrieben wird.
Parallel zum Verbraucher 10 weist die Schaltung 11 einen ersten Schalter 7 auf, welcher durch einen ersten Treiber 6 angesteuert wird. Hierfür wird dem ersten Treiber 6 ein Pulse Control Signal 5 bestehend aus Pulsen und Pulspausen zugeführt, so dass in der Pulspause der Schalter 7 mittels des Treibers 6 leitend gesteuert ist und während eines Pulses schlagartig sperrend gesteuert wird.
Wie bereits erläutert ist in der vorliegenden Beschreibung eine erste Pulspause mit Pl bezeichnet, ein darauffolgender Puls mit P2 und eine sich an den Puls P2 anschließende zweite Pulspause mit P3. Obwohl sich die vorliegende Beschreibung auf die Erläuterung von drei Pulsphasen Pl, P2 und P3 beschränkt, ist es klar, dass sich an diese Phase eine längere aus mehreren Pulsen und Pulspausen bestehende Folge anschließt. Insbesondere die Phasen P2 und P3 wiederholen sich.
Wie bereits erläutert ergeben sich bei der bekannten Schaltung Probleme hinsichtlich langer Fallzeiten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, einen zweiten Schalter vorzusehen, welcher in Reihe zum Verbraucher 10 und parallel zum ersten Schalter 7 geschaltet ist. Dieser zweite Schalter wird gegenphasig zum ersten Schalter 7 angesteuert, das heißt, wenn der erste Schalter sperrend gesteuert wird, so wird der zweite Schalter leitend gesteuert und umgekehrt. Des Weiteren ist eine Last 14 vorgesehen, welche in Reihe zum Verbraucher 10 und parallel zum ersten Schalter 6 angeordnet ist und eine hohe Lastspannung aufweist. Hierdurch können die Fallzeiten deutlich verkürzt werden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung 11 wird anhand eines ersten Ausführungsbeispieles, wie es in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt ist, im Folgenden erläutert. Hierbei ist in Figur 4 die erste Phase Pl des Pulse Control Signal 5 dargestellt, in Figur 5 ist die zweite Phase P2 des Pulse Control Signals dargestellt und in Figur 6 ist die dritte Phase P3 des Pulse Control Signals dargestellt.
Figur 4 zeigt einen Pulsinvertierer 15 welcher das Pulskontrollsignal 5 invertiert und an einen zweiten Treiber 12 übermittelt. Der zweite Treiber 12 entspricht in seiner Funktionsweise dem ersten Treiber 6 und dient zur Ansteuerung des zweiten Schalters 13. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die Last 14 parallel zum zweiten Schalter 13 geschaltet.
In Figur 4 ist die erste Phase Pl des Pulse Control Signals 5 dargestellt. Während der Pulspause ist der erste Schalter 7 leitend gesteuert und der zweite Schalter 13 ist sperrend gesteuert. Der eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom Ii fließt durch die Induktivität 4 und den ersten Schalter 7 zurück zur Stromquelle 1. Der Verbraucher 10, die Last 14 und der Schalter 13 sind stromlos.
In Figur 5 ist die zweite Phase P2, nämlich das Pulssignal schematisch dargestellt. Durch das Pulssignal wird der erste Schalter 7 schlagartig sperrend gesteuert und gleichzeitig der zweite Schalter 13 leitend gesteuert, so dass der durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom Ii nun nicht mehr durch den ersten Schalter 7 sondern aufgrund des Verhaltens der Stromquelle 1 und der Induktivität 4 pulsartig und rechteckförmig mit kurzer Anstiegszeit durch den Verbraucher 10 und den zweiten Schalter 13 zurück zur Stromquelle 1 fließt.
In Figur 6 ist schematisch die dritte Phase P3 dargestellt. In dieser Pulspause wird der erste Schalter 7 wieder leitend gesteuert und gleichzeitig der zweite
Schalter 13 sperrend gesteuert. Hierdurch wird der
Verbraucher 10 stromlos ebenso wie der zweite Schalter 13 und der eingeprägte Strom Ii fließt wieder über die Induktivität und durch den ersten Schalter 7 zurück zur
Stromquelle 1.
Zu Beginn der dritten Phase P3 fließt durch den Verbraucher 10 aufgrund der während der zweiten Phase P2 in den Leitungsinduktivitäten 8, 9 gespeicherten magnetischen Energie ein Strom I2. Der Strom I2 hat zu Beginn der dritten Phase P3 den gleichen Wert wie der Strom I1, er nimmt aber mit zunehmender Zeit ab, bis er schließlich null geworden ist.
Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist parallel zum zweiten Schalter 13 eine Last 14 vorgesehen, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Zenerdiode mit hoher Zenerspannung sein kann. Der abklingende Strom I2 generiert hierbei an der Last 14 eine Lastspannung UL die zusammen mit der Verbraucherspannung Uv des Verbrauchers 10 einen Gesamtspannungswert hinsichtlich der Fallzeit des Stromes I2 bildet. Vorteilhafterweise ist die Last 14 dahingehend ausgestaltet, dass sich eine hohe Lastspannung UL ergibt, so dass die Fallzeit des Stromes I2 sehr kurz ist.
Falls die Verbraucherspannung Uv und die Lastspannung UL nicht stromabhängig sind, so gilt für die Fallzeit t des Stromes I2:
In dem einleitend genannten Beispiel bei einer Leitungsinduktivität von jeweils 50 nH, einem Laststrom von 100 A, einer Verbraucherspannung Uv von 2V und einer Lastspannung UL von 100 V ergibt sich für die Fallzeit:
,= 1Q0^50 + 5°) 1(r9// =98-10-*, 2F + 100F
Durch die erfindungsgemäße gegenphasige Ansteuerung der beiden Schalter kann somit der Strom I2 gezielt über eine Last mit einer hohen Lastspannung innerhalb einer kurzen Zeitdauer auf null gebracht werden.
In Figur 4, 5 und 6 ist eine erste Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Schalter 13 vorzugsweise ein Halbleiterschalter ist und die Last 14 parallel zu dem zweiten Schalter 13 geschaltet ist. Die Last kann ein Widerstand, ein spannungsabhängiger Widerstand, ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, Suppressordiode, ein steuerbarer Halbleiter mit kontrolliertem Avalanche- Verhalten und einem ähnlichen Verhalten wie eine Zenerdiode sein oder aus einer Kombination der genannten Elemente bestehen. Ein Halbleiter mit einem kontrollierten Avalanche-Verhalten im Sinne der vorliegenden Erfindung ist hierbei ein steuerbarer Halbleiter, beispielsweise ein bipolarer Transistor, FET, IGBT, mit einer definierten Durchbruchspannung (break down voltage) . Erreicht oder überschreitet eine an diesem Halbleiter anliegende Spannung die Durchbruchspannung, so wird der Halbleiter trotz Sperrung am Steuereingang leitend (Avalanche- Durchbruch) und hält die anliegende Spannung auf einem Wert entsprechend seiner Durchbruchspannung.
In Figur 7 ist eine zweite Ausführungsform gemäß der Schaltung 11 der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Figur 7 wird als zweiter Schalter 16 ein Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalanche-Verhalten verwendet, wodurch dieser Schalter zusätzlich die Funktion einer Last hat. Somit ist nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche parallel zum Schalter geschaltete Last notwendig. Das Avalance-Verhalten des zweiten Schalters 16 kann hierbei entweder durch die Eigenschaft des Halbleiters selbst oder durch geeignete externe Beschaltung des Halbleiters herbei geführt sein. Zu beginn der dritten Phase P3 wie in Figur 7 dargestellt, während der zweite Schalter 16 sperrend gesteuert ist, generiert der Strom I2 am zweiten Schalter 16 eine so hohe Spannung, dass dieser in den Avalance-Durchbruch kommt und die anliegende Spannung so lange auf dem Wert seiner Durchbruchspannung hält, bis der Strom I2 zu null geworden ist. Wird für den zweiten Schalter 16 ein Halbleiter gewählt, der eine hohe Durchbruchspannung hat, so ist die Fallzeit des Stromes I2 sehr kurz.
In den Figuren 7 - 11 sind weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden erfindungsgemäßen Schaltung 11 dargestellt, bei welchen der zweite Schalter 16 jeweils ein Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalanche- Verhalten ist. Der zweite Schalter 16 hat in den dargestellten Ausführungsformen eine parasitäre Parallel- Kapazität (Drain-Source-Kapazität) , welche schematisch als Kondensator 17 mit einer Kapazität C im Schaltbild dargestellt ist. Zu Beginn der dritten Phase P3, wenn der Strom I2 sich dem Nullwert nähert, geht der zweite Schalter 16 bei noch anliegender Durchbruchspannung aus dem Avalanche-Durchbruch in den Sperrzustand über. Hierbei bleibt die Parallel-Kapazität unerwünscht auf einem Spannungswert Uc geladen, entsprechend dem Wert der Durchbruchspannung des zweiten Schalters 16. Diese Spannung Uc ist derart gerichtet, dass sie an dem Verbraucher 10 invers anliegt. Wird als Verbraucher 10 beispielsweise eine Diode mit geringer Sperrspannung verwendet, so würde diese aufgrund der anliegenden Inversspannung zerstört werden. Dieses Problem wird bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel vermieden.
Figur 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der parallel zum Verbraucher 10 eine erste Schutzdiode 18 geschaltet ist und somit eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden wird.
Figur 8 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung 11, bei der eine zweite Schutzdiode 19 in Reihe zum Verbraucher 10 liegt und somit ebenfalls eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden wird.
Figur 9 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der ein erster Widerstand 20 parallel zum zweiten Schalter 16 liegt und so die parasitäre Parallelkapazität C des
Kondensators 17 entlädt. Hierbei ist der Widerstand so dimensioniert, dass zu dem Zeitpunkt, in welchem der Strom
I2 zu null geworden ist, auch die Spannung Uc am zweiten Schalter 16 zu null geworden ist, die Kapazität C somit entladen ist und dadurch eine Inversspannung an dem
Verbraucher 10 vermieden wird.
Figur 10 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung 11, bei welcher eine Konstantstromlast 21 parallel zum zweiten Schalter 16 liegt und somit die Kapazität C entlädt. Hierbei ist die Konstantstromlast 21 so dimensioniert, dass zu dem Zeitpunkt, in welchem der Strom I2 zu null geworden ist, auch die Spannung Uc am zweiten Schalter 16 zu null geworden ist, die Kapazität C somit entladen ist und dadurch eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden wird.
Figur 11 zeigt eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, bei welcher über einen in Reihe zum zweiten Schalter 16 geschalteten beispielhafen zweiten Widerstand 22 der Strom I2 gemessen wird und das Messsignal über eine geeignete Anordnung in der Treiberschaltung 12 dem zweiten Schalter 16 so zugeführt wird, dass dieser unterhalb eines bestimmten Stromwertes I2 wieder leitend gesteuert wird und somit die Kapazität C entladen ist, wenn der Strom I2 zu null geworden ist. Dadurch tritt keine Inversspannung an dem Verbraucher 10 auf. Statt einer Strommessung mittels eines Widerstandes ist auch jede andere Art der Strommessung möglich, um den zweiten Schalter 16 unterhalb eines bestimmten Stromwertes wieder leitend zu steuern. Beispielsweise kann die Strommessung auch mittels eines Stromwandlers erfolgen.
Die in dem zweiten bis sechsten Ausführungsbeispiel genannten Möglichkeiten zum Schutz des Verbrauchers 10 vor einer Inversspannung können auch im ersten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es daher ermöglicht, einen Verbraucher 10 mit Strompulsen von kurzer Anstiegszeit und gleichzeitig kurzer Fallzeit zu versorgen.

Claims

Ansprüche
1. Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers (10) umfassend eine Stromquelle (1) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10) und einen parallel zum Verbraucher (10) geschalteten ersten Schalter (7), wobei durch Öffnen und Schließen des ersten
Schalters (7) der Strom in Form von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10) übermittelt wird, gekennzeichnet durch einen parallel zum ersten Schalter (7) und in Reihe zum Verbraucher (10) geschalteten zweiten Schalter (13, 16), welcher gegenphasig zum ersten Schalter (7) geöffnet und geschlossen wird und eine parallel zum ersten Schalter (7) und in Reihe zum
Verbraucher (10) geschaltet Last (14, 16) mit hoher Lastspannung.
2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle (1) eine Gleichstromquelle ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Last (14) parallel zum zweiten Schalter (13) geschaltet ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Last (14) ein Widerstand, ein spannungsabhängiger Widerstand, ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, eine Supressordiode, ein Halbleiter mit kontrolliertem Avalancheverhalten oder eine Kombination hieraus ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Schalter (16) und die Last (16) in einem Bauelement kombiniert sind.
6. Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Last (16) und der zweite Schalter (16) in einem Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalancheverhalten kombiniert sind.
7. Schaltung nach Anspruch 6, wobei das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch die Eigenschaften des Halbleiters bewirkt wird.
8. Schaltung nach Anspruch 6, wobei das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch externe Beschaltung des Halbleiterschalters bewirkt wird.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erste Schutzdiode (18) parallel zum Verbraucher (10) geschaltet ist.
10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine zweite Schutzdiode (19) in Reihe zum Verbraucher (10) geschaltet ist.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein erster Widerstand (20) parallel zum zweiten Schalter (13, 16) geschaltet ist.
12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Konstantstromlast (21) parallel zum zweiten Schalter (13, 16) geschaltet ist.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein zweiter Widerstand (22) in Reihe zum zweiten Schalter (13, 16) geschaltet ist und wobei eine Vorrichtung zur Strommessung vorgesehen ist und wobei ein Signal mittels einer geeigneten Anordnung dem zweiten Schalter (13, 16) so zugeführt wird, dass der zweite Schalter (13, 16) unterhalb eines bestimmten Stromes wieder leitend gesteuert wird.
14. Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, wobei die Schaltung (11) eine Stromquelle (1) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10), einen parallel zum Verbraucher (10) geschalteten ersten Schalter (7) , einen parallel zum ersten Schalter (7) und in Reihe zum Verbraucher (10) geschalteten zweiten Schalter (13, 16) und eine parallel zum ersten Schalter (7) und in Reihe zum Verbraucher (10) geschaltete Last (14, 16) mit hoher Lastspannung umfasst, umfassend die Schritte
Öffnen und Schließen des ersten Schalters (7) zur Übermittlung von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10) und Öffnen und Schließen des zweiten Schalters (13, 16) gegenphasig zum ersten Schalter (7) .
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