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1. (WO2008089867) ENTLASTUNGSSCHALTUNG
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

EntlastungsSchaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Spannungsüberhöhungen durch die Vorwärtsverzöge-rungszeit einer Diode, die durch Schalten eines Schaltelements abwechselnd in Sperrrichtung und Durchlassrichtung geschalten ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Spannungsüberhöhungen aufgrund der Vorwärtsverzögerungszeit bei Dioden sind insbesondere bei sehr schnellen Schaltvorgängen problematisch. Bei langsamen Schaltvorgängen wird die Diode in der Regel durch Anlegen der Durchflussspannung, die bei Si-Dioden bei etwa 0.7 V liegt, leitend. Bei schnellen Schaltzeiten wird hingegen bereits bemerkbar, dass die Diode erst nach endlicher Zeit leitfähig wird. Insbesondere wird bei Wechsel von der Sperrrichtung in die Durchlassrichtung eine gewisse Zeitspanne benötigt, um die Ladungsträger über den gesamten Querschnitt der Raumladungszone zu verteilen, und sie gewissermaßen mit Ladungsträgern zu „fluten". Diese endliche Zeit ist insbesondere dann kritisch, wenn hohe Ströme durch die Diode zu leiten sind, etwa wenn es sich bei der Diode um eine Entlastungsdiode für Induktivitäten handelt. Die Diode wird in diesen Fällen nicht bereits bei der Durchflussspannung, wie sie für langsame Schaltvorgänge maßgebend ist, leitend, sondern erst bei höheren Spannungen. Diese höhere Durchflussspannung bei schnellen Schaltvorgängen wird als Spannungsüberhöhung bezeichnet. Die Spannungsüberhöhung ist dabei eine Funktion der Stromanstiegsgeschwindigkeit (zumeist in A/μs angegeben) und ist den entsprechenden Datenblättern für die jeweilige Diode zu entnehmen.

Diesen Spannungsüberhöhungen aufgrund der Vorwärtsverzögerungszeit bei Dioden wird in herkömmlicher Weise durch eine Überdimensionierung der zu schützenden Bauteile begegnet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verlangsamung der Schaltvorgänge, was aber andere Nachteile nach sich zieht, etwa zusätzliche Schaltverluste an schaltenden Bauteilen.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu ver-meiden und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die Spannungsüberhöhungen aufgrund der Vorwärtsverzögerungszeit bei Dioden begrenzt. Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.

Anspruch 1 bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Spannungsüberhöhungen durch die Vorwärtsverzögerungszeit einer ersten Diode, die durch Schalten eines
Schaltelements abwechselnd in Sperrrichtung und Durchlassrichtung geschalten ist. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgese-hen, dass die erste Diode mit einem ersten Kondensator in Serie geschalten ist, und eine Vorladeschaltung für den ersten Kondensator vorgesehen ist, die den ersten Kondensator auflädt, während die erste Diode in Sperrichtung geschalten ist. Die Vorladung am ersten Kondensator und die damit verbundene Spannung bewirkt, dass die erste Diode um diesen Spannungswert früher zu leiten beginnt. Die Spannungsüberhöhung wird somit reduziert. Sofern gemäß Anspruch 2 dieser Spannungswert die Spannungsüberhöhung der ersten Diode übersteigt, kann die Spannungsüberhöhung gänzlich vermieden werden.

Gemäß Anspruch 3 kann die erste Diode anodenseitig mit dem ersten Kondensator in Serie geschalten sein. Für diesen Fall schlägt Anspruch 4 vor, dass die Vorladeschaltung einen parallel zur ersten Diode geschaltenen, zweiten Kondensator, sowie eine dritte Diode umfasst, wobei die dritte Diode anodenseitig mit dem zweiten Kondensator, und kathodenseitig mit der der ersten Diode zugewandten Seite des ersten Kondensators verbunden ist.

Alternativ kann gemäß Anspruch 5 die erste Diode aber auch kathodenseitig mit dem ersten Kondensator in Serie geschalten sein. In diesem Fall kann gemäß Anspruch 6 eine Vorladeschal- tung etwa dadurch verwirklicht werden, dass die Vorladeschaltung einen parallel zur ersten Diode geschaltenen, zweiten Kondensator, sowie eine dritte Diode umfasst, wobei die dritte Diode kathodenseitig mit dem zweiten Kondensator, und ano-denseitig mit der der ersten Diode zugewandten Seite des ersten Kondensators verbunden ist.

Anspruch 7 sieht vor, dass der erste Kondensator parallel zu einer zweiten Diode, die in Gleichrichtung mit der ersten Di-ode verbunden ist, geschalten ist. Die zweite Diode übernimmt dabei den durch den ersten Kondensator fließenden Strom, sobald sie in Bezug auf den Ladungszustand des ersten Kondensators leitend wird. Der Ausdruck „in Gleichrichtung geschalten" bedeutet dabei, dass die beiden Dioden bei derselben Stromrichtung entweder beide in Sperrichtung, oder beide in Durchlassrichtung geschalten sind.

Amspruch 8 sieht eine bevorzugte Anwendung der erfindugnsge-mäßen Schaltanordnung vor, nämlich in Übertragerschaltungen, wie sie in Wechselrichter oder Schaltnetzteilen vorkommen.

Anspruch 8 schlägt dabei vor, dass das Schaltelement auf der Primärseite einer Übertragerschaltung in Serie mit der Primärwicklung eines Transformators geschalten ist, und Primärwicklung und Schaltelement mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei die erste Diode als Entlastungsdiode für die Primärwicklung geschalten ist.

Anspruch 9 bezieht sich schließlich auf ein Schaltnetzteil mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1 ein erstes Schaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .

Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltelement Sl, bei dem es sich in der Regel um einen Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungsschalter, handelt. Das Schaltelement Sl ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf der Primärseite einer Übertragerschaltung in Serie mit der Pri-märwicklung Wl eines Transformators T geschalten, und Primärwicklung Wl und Schaltelement Sl sind mit einer Gleichspannungsquelle U3 verbunden. Durch periodisches Öffnen und
Schließen des Schaltelements Sl wird die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle U3 in Spannungsimpulse umgesetzt, die über den Transformator T auf die Sekundärseite der Übertragerschaltung übersetzt wird.

Die Fig. 1 zeigt des Weiteren, dass eine erste Diode Dl als Entlastungsdiode für die Primärwicklung Wl geschalten ist. Die erste Diode Dl ist in Bezug auf die Gleichspannungsquelle U3 in Sperrrichtung geschalten. Falls das Schaltelement Sl geöffnet ist, fließt Strom über den Zwischenkreis der ersten Diode Dl, sodass die erste Diode Dl abhängig vom Schaltzustand des Schaltelements Sl abwechselnd in Sperrrichtung und Durchlassrichtung geschalten ist.

Zur Begrenzung von Spannungsüberhöhungen durch die Vorwärts-verzögerungszeit der ersten Diode Dl ist sie erfindungsgemäß anodenseitig mit einem ersten Kondensator Cl in Serie ge-schalten. Des Weiteren ist eine Vorladeschaltung für den ersten Kondensator Cl vorgesehen, die die der ersten Diode Dl zugewandten Seite des ersten Kondensators Cl positiv auflädt, während die erste Diode Dl in Sperrichtung geschalten ist. Der erste Kondensator Cl ist ferner parallel zu einer zweiten Diode D2, die in Gleichrichtung mit der ersten Diode Dl verbunden ist, geschalten.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfasst die Vorladeschaltung einen parallel zur ersten Diode Dl geschaltenen, zweiten Kondensator C2, sowie eine dritte Diode D3, wobei die dritte Diode D3 anodenseitig mit dem zweiten Kondensator C2, und ka-thodenseitig mit der der ersten Diode Dl zugewandten Seite des ersten Kondensators Cl verbunden ist.

Des Weiteren ist die Parallelschaltung von erster Diode Dl und zweitem Kondensator C2 in Serie mit einer Parallelschal-tung eines dritten Kondensators C3 und einer Zener-Diode geschalten. Diese Schaltelemente sind lediglich optional und illustrieren lediglich eine Möglichkeit, zum Schutz des
Schaltelements Sl eine Gegengleichspannung aufzubauen, die das Schaltelement Sl schützt, aber den normalen Betrieb des Transformators T nicht stört.

In der Praxis wird man allerdings im Gegensatz zur Aus-fürhungsform gemäß der Fig. 1 versuchen, die Streuenergie im Primärkreis des Transformators T nach Öffnen des Schaltele-ments Sl zu nutzen, etwa mithilfe einer Schaltung, bei der die Streuenergie in einen Spannungszwischenkreis zurückgespeist wird. Ein Beispiel hierfür ist in der Fig. 2 gezeigt. Die Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der ein weiteres Schaltelement Sl' in Serie mit der Primärwicklung Wl ge-schalten ist. Beiden Schaltelementen Sl, Sl' ist jeweils ein Zwischenkreis mit den Entlastungsdioden Dl und Dl' zugeordnet. Bei beiden Entlastungsdioden Dl, Dl' findet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Anwendung, allerdings in Form zweier unterschiedlicher Ausführungsbeispiele, nämlich mit einer anodenseitigen Anordnung des ersten Kondensators Cl in Bezug auf die erste Diode Dl, und mit einer kathodenseitigen Anordnung des ersten Kondensators Cl' in Bezug auf die erste Diode Dl' . Im letzteren Fall umfasst entsprechend die Vorladeschaltung einen parallel zur ersten Diode Dl' geschaltenen, zweiten Kondensator C2', sowie eine dritte Diode D3' , wobei die dritte Diode D3' kathodenseitig mit dem zweiten Kondensa- tor C2', und anodenseitig mit der der ersten Diode Dl' zugewandten Seite des ersten Kondensators Cl' verbunden ist.

Die schaltungstechnischen Zustände der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können in vier Phasen unterteilt werden, und werden anhand der Fig. 1 erläutert.

In einer ersten Phase ist das Schaltelement Sl geschlossen, und die erste Diode Dl ist in Sperrrichtung geschalten. Wäh-rend der Sperrphase wird der erste Kondensator Cl über die aus dem zweiten Kondensator C2 und der dritten Diode D3 bestehenden Vorladeschaltung mit einer Spannung vorgeladen, die vorteilhafter Weise ein Bruchteil der Sperrspannung an der ersten Diode Dl beträgt. Dabei wird die der ersten Diode Dl zugewandte Seite des ersten Kondensators Cl positiv aufgeladen .

In einer zweiten Phase wird das Schaltelement S2 geöffnet, und die Spannung am Schaltelement Sl wird so lange positiver, bis die Summe der Spannung am Schaltelement Sl und jener am ersten Kondensator Cl positiver wird, als die Summe der Spannungen UE und Uz (siehe Fig. 1) .

In einer dritten Phase wird nun die erste Diode Dl leitend, und es kommt zur eingangs beschriebenen Spannungsüberhöhung. Bei geeigneter Dimensionierung ist diese Spannungsüberhöhung geringer als die Spannun am ersten Kondensator Cl, sodass die Spannung am Schaltelement Sl in dieser Phase stets unterhalb der Summe der Spannungen UE und Uz bleibt. Nach der Ein-schaltverzögerung der ersten Diode Dl liegt das Potential an der Anode der ersten Diode Dl nur um eine Diodenschwelle über dem Potential an ihrer Kathode. Die dritte Phase endet, nachdem die Spannung am ersten Kondensator Cl negativ wird, und die zweite Diode D2 leitend wird. Dabei ist zu bemerken, dass Spannungsüberhöhungen an der zweiten Diode D2 in der Praxis vernachlässigbar sind, weil der Spannungsanstieg an der zweiten Diode D2 geringer ist, und sie mit kleineren Sperrspan- nungen dimensioniert werden kann. Somit verhält sich die zweite Diode D2 bezüglich ihrer Vorwärtsverzögerungszeit unkritisch .

In einer vierten Phase übernimmt die zweite Diode D2 den Strom, der zuvor durch den ersten Kondensator Cl geflossen ist. Die Spannung am Schaltelement Sl beträgt nun der Summe aus den Spannungen UE und Uz sowie zweier Diodenschwellen.

Somit werden mithilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Spannungsüberhöhungen aufgrund der Vorwärtsverzögerungszeit bei der ersten Diode Dl begrenzt, was insbesondere bei sehr schnellen Schaltvorgängen von Vorteil ist.