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1. WO2020114758 - SWITCHED-MODE POWER SUPPLY HAVING COUPLED STEP-DOWN CONVERTER STAGES

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Schaltnetzteil mit gekoppelten Tiefsetzerstufen

Die Erfindung betrifft ein galvanisch getrenntes Schaltnetzteil mit zwei gekoppelten Tiefsetzerstufen zur Herabsetzung der Isolationsanforderungen zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung.

Im Bereich der sicheren Trennung haben Stromversorgungen die Aufgabe, die Spannung an den jeweiligen Verbraucher anzupassen. Je nach speisender Quelle ist die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120VAC oder 230VAC bzw. Niederspannung bis 1000VAC / 1500VDC gespeist. Hierzu sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit wie Isolationsabstände oder -materialien oder einen Berührschutz einzuhalten. Die Verbraucher in dem Schaltschrank, wie z.B. eine Steuerung (SPS) oder Sensoren oder Aktoren, werden von einer berührbaren Sicherheits-Kleinspannung (SELV = safety extra low voltage) gespeist, damit diese keine besonderen Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umsetzen müssen.

Aufgabe einer Stromversorgung ist es daher auch, die berührgefährliche Eingangsspannung von der berührbaren Ausgangsspannung sicher zu trennen.

Hierzu werden innerhalb einer Stromversorgung entsprechend der jeweiligen Anwendung normative Anforderungen an minimale Luft- und Kriechstrecken (LuK) zur Trennung zwischen der berührgefährlichen Eingangsspannung und der berührbaren Ausgangsspannung gestellt. Grundsätzliche Anforderungen an die Luft-und Kriechstrecken sind z.B. in der Normenreihe IEC 60664:„Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ definiert. Entsprechend dem Produkt und der Anwendung sind die jeweiligen Produktnormen wie IEC 62109: „Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen“,

IEC 60950: „Einrichtungen der Informationstechnik - Sicherheit“ oder IEC 61010: „Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte“ oder IEC62368: „Einrichtungen für Audio/Video-, Informations- und

Kommunikationstechnik - Teil 1 : Sicherheitsanforderungen“ maßgeblich.

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Isolation in einer galvanisch getrennten Stromversorgung 100 und verdeutlicht die auftretenden Isolationsspannungen Visi , V is2 und V is3 über der galvanischen Trennstrecke 103. Dazu werden die Schalter S1 und S2 geschlossen und die Eingangsspannung VIN und die Ausgangsspannung Vorn an jeweils einem Punkt geerdet. Über den Trennstrecken IS1 ... IS5 wird die höchste auftretende Spannung üblicherweise bei maximaler Eingangsspannung VIN gemessen.

Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der Isolation in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 200. Im Wesentlichen ergeben sich Isolationsanforderungen über dem Trafo Tr1 sowie über der Rückkopplung, d.h. Fehlerregelung der Ausgangsgrößen über den Optokoppler OC1. Die Ausgangsgrößen können u.a. die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom sein, ggf. auch für mehrere Ausgangsspannungen.

Hier nicht dargestellt ist ggf. eine eingangsseitige Gleichrichtung und Glättung für ein Schaltnetzteil mit Wechselspannungsspeisung sondern nur der eigentlich galvanisch trennende DC/DC-Wandler. Ebenso ist das Prinzipschaltbild unabhängig von der Funktionsweise des DC/DC-Wandlers. Dieser kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert werden, z.B. als Sperrwandler oder Flusswandler oder Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler realisiert werden. Insbesondere bei hohen Eingangsspannungen werden auch Schaltungsgrundkonzepte wie 2-Transistor-Wandler oder eine Reihenschaltung aus obigen Konzepten verwendet. Das verwendete Ansteuerprinzip des Leistungsschalters S3 kann z.B. hartschaltend mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder resonant mit Frequenzmodulation (PFM) erfolgen.

Ebenso kann der Leistungsschalter S3 unabhängig von der verwendeten Technologie als beliebig ein- und ausschaltbarer Leistungsschalter realisiert sein und kann z.B. als MOSFET oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET oder SiC-FET realisiert werden.

Die Figuren 3a und 3b zeigen Prinzipschaltbilder des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung und des Optokopplers OC1 in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 300a, 300b. Die primärseitige Ansteuerung des Leistungsschalters S3 und des Rückkopplungsoptokopplers OC1 besitzen als Bezugspotential üblicherweise die negative Eingangsspannung -VIN. Hierdurch kann der Leistungsschalter S3 direkt angesteuert werden.

Auch kann der Optokoppler OC1 sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch magnetischer Koppler realisiert werden.

Die Isolationsspannungen ergeben sich bei maximaler Eingangsspannung. Ist z.B. die speisende Spannung eine Gleichspannung, wird diese entweder an +VIN oder -V IN geerdet. Bei kleiner Ausgangsspannung spielt es nur untergeordnet eine Rolle, ob +VOUT oder -VouT als geerdet betrachtet wird. Über die Trennstrecke am Trafo Tr1 mit Visi und Vis2 ergeben sich die höchsten Isolationsspannungen, wenn -VIN geerdet wird. Da der Optokoppler OC1 meistens Bezug zu -VIN hat, ergibt sich die höchste Isolationsspannung Vis3, wenn +VIN geerdet betrachtet wird. Die Isolationsspannung V is2 ist effektiv kleiner als die Eingangsspannung VIN, kann jedoch je nach Schaltnetzteilprinzip als Spitzenwert deutlich über VIN liegen.

Soll das Schaltnetzteil universell verwendet werden, kann es entweder an positiver oder negativer Eingangsspannung geerdet werden. Durch die verschiedenen Erdungsmöglichkeiten ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Isolationen über der Trennstrecke.

Daraus resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltnetzteil mit herabgesetzten Isolationsanforderungen bereitzustellen.

Durch eine Erweiterung des Schaltungsgrundkonzeptes sollen die Isolationsanforderungen über der Trennstrecke deutlich herabgesetzt werden. Die Isolationsspannungen über den Bauteilen der Trennstrecke sollen unabhängig von der Erdung der Ein- und Ausgangsspannungen verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.

Ein Grundkonzept der Erfindung besteht darin, dem galvanisch trennenden DC/DC-Wandler sowohl in positiver als auch negativer Eingangsspannung jeweils einen Tiefsetzer vorzuschalten. Über den beiden Tiefsetzerstufen ergibt sich ein Spannungsabfall Vn und V 12 (siehe Figur 4), wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke Visi unabhängig von der Erdung herabsetzt. Vorteilhaft ist es, die Spulen der beiden Tiefsetzerschaltungen zu kombinieren bzw. zu koppeln und auf einen Ferritkern zu wickeln, wodurch sich beide Tiefsetzerstufen automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen. Hierzu ist eine gleichzeitige Ansteuerung der Leistungsschalter der beiden Tiefsetzer notwendig.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Schaltnetzteil, mit: einem von einer Eingangsspannung gespeisten Eingangsschaltkreis; einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung; und einem galvanischen Trennelement zwischen dem Eingangsschaltkreis und dem Ausgangsschaltkreis, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung einzuhalten, wobei der Eingangsschaltkreis zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen umfasst, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung dem galvanischen Trennelement vorgeschaltet sind.

Mit einem solchen Schaltnetzteil wird der technische Vorteil erreicht, dass sich über den beiden Tiefsetzerstufen ein Spannungsabfall ergibt, wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke unabhängig von der Erdung herabsetzt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen ausgebildet, einen Spannungsabfall der Eingangsspannung zu bewirken und damit eine Isolationsspannung über dem galvanischen Trennelement herabzusetzen.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die vorgegebenen Sicherheitsanforderungen bezüglich Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung leichter einhalten lassen, d.h. die Anforderungen an das galvanische Trennelement können reduziert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfassen die beiden Tiefsetzerstufen jeweils eine Spule, welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die beiden Tiefsetzerstufen automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfassen die beiden Tiefsetzerstufen jeweils einen Leistungsschalter, eine Freilaufdiode und die über den gemeinsamen Kern gekoppelten Spulen. Die Freilaufdioden können auch als Leistungsschalter realisiert sein.

Durch die gleichartige Struktur der beiden Tiefsetzerstufen wird der technische Vorteil erzielt, dass der Spannungsabfall über beide Tiefsetzerstufen gleich ist und die Isolationsanforderungen über dem galvanischen Trennelement immer um den entsprechenden Spannungsabfall herabgesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen über ein Ansteuersignal gemeinsam ansteuerbar.

Durch die gemeinsame Ansteuerung der beiden Tiefsetzerstufen wird der technische Vorteil erzielt, dass der Spannungsabfall über beide Tiefsetzerstufen gleich ist und die Isolationsanforderungen über dem galvanischen Trennelement immer um den entsprechenden Spannungsabfall herabgesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis einen Impulsübertrager oder eine Treiberschaltung, welche ausgebildet sind, das Ansteuersignal der beiden Tiefsetzerstufen an ein Bezugspotential der beiden Leistungsschalter anzupassen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis eine Ansteuerschaltung, welche ausgebildet ist, das Ansteuersignal zu erzeugen, wobei ein Bezugspotential der Ansteuerschaltung mit einem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden ist.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die Eingangsspannung an der Ansteuerschaltung halbiert, wodurch die Isolationsspannung unabhängig von der Erdung in etwa auf die Hälfte herabgesetzt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden

Tiefsetzerstufen eingangsseitig über zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren miteinander gekoppelt, deren Mittelabgriff den Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen bildet.

Durch die Tiefsetzer wird die Eingangsspannung halbiert, die Kondensatoren glätten den AC-Anteil.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden

Eingangskondensatoren zwischen der positiven Eingangsspannung und der negativen Eingangsspannung in Reihe geschaltet.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die beiden Eingangskondensatoren einen Spannungsteiler realisieren, dessen Mittenabgriff leicht zugänglich ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden

Tiefsetzerstufen ausgangsseitig über einen einzelnen Ausgangskondensator miteinander gekoppelt.

Damit wird der technische Vorteil einer leichteren Realisierung der Tiefsetzerstufen erreicht, da ausgangsseitig kein Mittenabgriff benötigt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst das galvanische Trennelement einen Transformator, der über einen Leistungsschalter durch die Ansteuerschaltung ansteuerbar ist.

Durch die Ansteuerung des Transformators über die Ansteuerschaltung, deren Bezugspotential mit einem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden ist, wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die Isolationsspannung über dem Transformator bei Erdung an der positiven Eingangsspannung auf die Hälfte der positiven Eingangsspannung reduziert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis einen zwischen die Ansteuerschaltung und den Leistungsschalter geschalteten Transformator, welcher die Ansteuerschaltung von dem Leistungsschalter galvanisch trennt.

Durch einen Übertrager wird das Ansteuersignal an das Bezugspotential des Leistungsschalters angepasst.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst das galvanische Trennelement ein Rückkopplungselement zur Regelung des Eingangsschaltkreises, insbesondere einen Optokoppler oder einen magnetischen Koppler. Der Optokoppler wird von der sekundärseitigen Regelung 202 angesteuert (siehe Fig. 2).

Der Ausgang des Rückkopplungselements in die primärseitige Ansteuerschaltung und dessen Bezugspotential ist mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden, wodurch der technische Vorteil erreicht, dass sich die Isolationsspannung über dem Rückkopplungselement in etwa auf die Hälfte reduziert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schaltnetzteil an der der positiven Eingangsspannung oder an der negativen Eingangsspannung geerdet.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herabsetzen der Isolationsanforderung an ein Schaltnetzteil mit einem von einer Eingangsspannung gespeisten Eingangsschaltkreis; einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung; und einem galvanischen Trennelement zwischen dem Eingangsschaltkreis und dem Ausgangsschaltkreis, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung einzuhalten, mit den folgenden Schritten: Schalten zweier gekoppelter Tiefsetzerstufen in den Eingangsschaltkreis des Schaltnetzteils, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung dem galvanischen Trennelement vorgeschaltet wird.

Mit einem solchen Verfahren wird der technische Vorteil erreicht, dass sich über den beiden Tiefsetzerstufen ein Spannungsabfall ergibt, wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke, d.h. dem galvanischen Trennelement, unabhängig von der Erdung herabsetzt.

Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines derartigen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Die Regelung des Netzteils kann analog oder digital realisiert werden.

Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Isolation in einer galvanisch getrennten

Stromversorgung 100;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Isolation in einem galvanisch getrennten

Schaltnetzteil 200;

Fig. 3a/b/c Prinzipschaltbilder des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung und des Optokopplers OC1 in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 300a, 300b sowie eines Tiefsetzers 300c;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 400 mit herabgesetzten

Isolationsanforderungen gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 500 mit geringerer

Spannungsbelastung am Optokoppler durch Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 600 mit gekoppelten

Tiefsetzerstufen gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zum Herabsetzen der Isolationsanforderungen an ein Schaltnetzteil gemäß einer Ausführungsform.

Die im Folgenden vorgestellten Schaltnetzteile umfassen Tiefsetzer mit gekoppelten Tiefsetzerstufen.

Ein Tiefsetzer entsprechend Fig 3c bzw. Tiefsetzsteller, Abwärtswandler, Abwärtsregler (englisch step-down Converter oder buck Converter) bezeichnet einen schaltenden Gleichspannungswandler, bei dem die Ausgangsspannung VOUT stets kleiner ist als der Betrag der Eingangsspannung VIN.

Der Tiefsetzer umfasst einen Schalter S, der in Reihe mit einer Diode D zwischen die positive +VIN und negative Eingangsspannung -VIN geschaltet ist. Der Schalter S ist ferner in Reihe mit einer Spule L zwischen die positive Eingangsspannung +VIN und die positive Ausgangsspannung +VOUT geschaltet. Ferner ist ein Kondensator C zwischen die positive +VOUT und die negative Ausgangsspannung -VOUT geschaltet.

Der Schalter S (meist ein Transistor) wird von einer Steuerung regelmäßig ein- und ausgeschaltet; üblicherweise werden einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der eingangsseitig angeschlossenen Spannungsquelle VIN zur ausgangsseitig angeschlossenen Last transferiert. Der Tiefsetzer umfasst zwei Energiespeicher, nämlich die Spule L und den Kondensator C, welche die Versorgung der Last in den Phasen ermöglichen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule L hält die höhere Eingangsspannung von der Last fern. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt üblicherweise durch einen Regler, um Ausgangsspannung oder -ström auf einem gewünschten Wert zu halten.

Während der Einschaltzeit fließt der Laststrom durch die Spule und durch den Verbraucher; die Diode D sperrt. Während der Ausschaltphase wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D und aus dem Kondensator C.

Die Spule L und der Kondensator C bilden einen Tiefpass zweiter Ordnung. Effektiv wird die Abwärtswandlung dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Wie hoch dieser übrigbleibende Gleichanteil ist, kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden.

Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 400 mit herabgesetzten Isolationsanforderungen gemäß einer Ausführungsform.

Das Schaltnetzteil 400 umfasst einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 401 ; einen mit dem Eingangsschaltkreis 401 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 402 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 401 und dem Ausgangsschaltkreis 402, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten. Der Eingangsschaltkreis 401 umfasst zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 403, von denen eine erste Tiefsetzerstufe 404 in der positiven Eingangsspannung +VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe 405 in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet sind.

Die beiden Tiefsetzerstufen 403 bewirken einen Spannungsabfall der Eingangsspannung VIN und setzen damit eine Isolationsspannung Visi , Vis2, Vis3 über dem galvanischen Trennelement 103 herab.

Das galvanische Trennelement 103 umfasst einen Transformator Tr1 , der einen Leistungspfad 406 des Eingangsschaltkreises 401 von dem Ausgangsschaltkreis 402 des Schaltnetzteils 400 entkoppelt. Über dem Transformator Tr1 fallen die Isolationsspannungen Visi und Vis2 zwischen Eingangsschaltkreis 401 und Ausgangsschaltkreis 402 ab. Das galvanische Trennelement 103 umfasst ferner einen Optokoppler OC1 , der eine Regelung 407 des Eingangsschaltkreises 401 von dem Ausgangsschaltkreis 402 des Schaltnetzteils 400 entkoppelt. Über dem Optokoppler OC1 fällt die Isolationsspannung Vis3 zwischen Eingangsschaltkreis 401 und Ausgangsschaltkreis 402 ab.

Über den beiden Tiefsetzerstufen 404, 405 ergibt sich ein jeweiliger Spannungsabfall von V11 und V12, wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke Visi unabhängig von der Erdung herabsetzt. Vorteilhaft ist es, die Spulen der beiden Tiefsetzerschaltungen 404, 405 zu kombinieren bzw. zu koppeln und auf einen Ferritkern zu wickeln, wodurch sich beide Tiefsetzerstufen 404, 405 automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen. Hierzu ist eine gleichzeitige Ansteuerung der Leistungsschalter der beiden Tiefsetzer 404, 405 notwendig.

Ein Bezugspotential der Regelung 407 des Eingangsschaltkreises 401 ist mit einem Mittelabgriff 409 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 404, 405 verbunden. Damit ergibt sich eine Halbierung der Isolationsspannung Vis3 über dem Optokoppler OC1 auf etwa die halbe Eingangsspannung VIN/2.

Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 500 mit geringerer Spannungsbelastung am Optokoppler durch Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung gemäß einer Ausführungsform. In dem Schaltnetzteil 500 sind die beiden Tiefsetzerstufen nicht dargestellt, es dient lediglich der vereinfachten Darstellung des Prinzips der Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung.

Die Regelung des Eingangsschaltkreises 501 wird anstatt mit dem negativen Eingangsspannungspotential -VIN mit dem Mittelpunkt 509 zwischen beiden Tiefsetzerstufen verbunden, welche dem Mittelabgriff der zwei Eingangskondensatoren C1 1 und C12 entspricht, wodurch die Eingangsspannung VIN halbiert wird auf VIN / 2 und die Isolationsspannung Vis3 unabhängig von der Erdung auf etwa die Hälfte herabgesetzt wird.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 600 mit gekoppelten Tiefsetzerstufen gemäß einer Ausführungsform.

Das Schaltnetzteil 600 umfasst einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 601 ; einen mit dem Eingangsschaltkreis 601 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 602 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 601 und dem Ausgangsschaltkreis 602, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten. Das galvanische Trennelement 103 entspricht dem zu Figur 4 beschriebenen galvanischen Trennelement 103. Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 603, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung +VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet sind.

Die beiden Tiefsetzerstufen bewirken einen Spannungsabfall der Eingangsspannung VIN und setzen damit eine Isolationsspannung Visi , Vis2, Vis3 über dem galvanischen Trennelement 103 herab.

Die beiden Tiefsetzerstufen 603 umfassen jeweils eine Spule L1 1 , welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 umfassen jeweils einen Leistungsschalter S1 1 , S12, eine Freilaufdiode D1 1 , D12 und die über den

gemeinsamen Kern gekoppelten Spulen L1 1. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind über ein Ansteuersignal 604 gemeinsam ansteuerbar. Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst einen Impulsübertrager Tr1 1 oder alternative eine Treiberschaltung (nicht dargestellt), welche ausgebildet sind, das Ansteuersignal 604 der beiden Tiefsetzerstufen 603 an ein Bezugspotential der beiden Leistungsschalter S1 1 , S12 anzupassen.

Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst eine Ansteuerschaltung 201 , welche ausgebildet ist, das Ansteuersignal 604 zu erzeugen. Ein Bezugspotential 605 der Ansteuerschaltung 201 ist mit einem Mittelabgriff 606 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 603 verbunden. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind eingangsseitig über zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren C1 1 , C12 miteinander gekoppelt, deren Mittelabgriff 606 den Mittelabgriff 606 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 603 bildet. Die beiden Eingangskondensatoren C1 1 , C12 sind zwischen der positiven Eingangsspannung +VIN und der negativen Eingangsspannung -VIN in Reihe geschaltet. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind ferner ausgangsseitig über einen einzelnen Ausgangskondensator C13 miteinander gekoppelt.

Der Transformator Tr1 des galvanischen Trennelements 103 ist über einen Leistungsschalter S3 durch die Ansteuerschaltung 201 ansteuerbar.

Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst einen zwischen die Ansteuerschaltung 201 und den Leistungsschalter S3 geschalteten Transformator Tr2 oder eine nicht gezeigte Treiberstufe, welcher die Ansteuerschaltung 201 an das Bezugspotential des Leistungsschalter S3 anpasst.

Das galvanische Trennelement 103 umfasst ferner ein Rückkopplungselement OC1 zur Regelung des Eingangsschaltkreises 601 , welches als Optokoppler OC1 (wie in Fig. 6 dargestellt) oder als magnetischer Koppler (nicht in Fig. 6 gezeigt) realisiert sein kann. Das Rückkopplungselement ist durch die sekundärseitige Regelung 202 ansteuerbar.

Das Schaltnetzteil 600 kann an der der positiven Eingangsspannung +VIN oder an der negativen Eingangsspannung -VIN geerdet sein.

Figur 6 zeigt damit eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils 600, dem zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 603 vorgeschaltet sind. Die Tiefsetzerstufen 603 bestehen jeweils aus dem in beliebiger Technologie gefertigten beliebig ein- und ausschaltbaren Leistungsschalter S1 1 bzw. S12, der Freilaufdiode D1 1 bzw. D12, die auch ein beliebig ein- und ausschaltbarer Leistungsschalter sein kann, und der gekoppelten Spule L1 1 . Hierbei werden die ausgangsseitigen Spulen der Tiefsetzer 603 auf einen Kern gewickelt. Ebenso erfolgt die Ansteuerung 201 der Tiefsetzerstufen 603 mit einem Signal. Das Ansteuersignal 604 kann über einen Impulsübertrager Tr1 1 an das Bezugspotential der beiden Leistungsschalter S1 1 bzw. S12 angepasst werden. Ebenfalls ist eine Anpassung über eine Treiberschaltung (nicht in Fig. 6 gezeigt) möglich.

Durch die gemeinsame Spule und Ansteuerung wird erreicht, dass der Spannungsabfall V1 1 und V12 über beiden Tiefsetzerstufen 603 gleich ist und die Isolationsanforderungen Visi und Vis2 über dem Trafo Tr1 je nach eingangsseitiger Erdung immer um den Spannungsabfall V1 1 oderV12 herabgesetzt werden. Dadurch verringert sich auch für das nachfolgende Schaltnetzteil die Spannungsbelastung insbesondere der Leistungshalbleiter.

Bei eingangsseitiger Erdung an +VIN ergibt sich bei üblichem Bezug der primärseitigen Ansteuerung 201 bzw. Regelung an -VIN die Isolationsspannung Vis3 über der Rückkopplung bzw. Optokoppler OC1 in Höhe der maximalen Eingangsspannung VIN. Durch Änderung des Bezugs der primärseitigen Ansteuerung 201 auf den Mittelabgriff 606, VIN / 2 zwischen beiden Tiefsetzern 603 halbiert sich bei Erdung an +VIN die Isolationsspannung Vis3 auf VIN / 2.

Der Optokoppler OC1 kann sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch magnetischer Koppler realisiert werden.

Bei dem Schaltnetzteil 600 der Figur 6 wird nur ein Ansteuersignal 604 für beide Tiefsetzerschaltungen 603 benötigt, das z.B. über einen Impulsübertrager Tr1 1 mit zwei Ausgangswicklungen an die Leistungsschalter S1 1 und S12 abgegeben werden kann.

Ein Vorteil des Schaltnetzteils 600 ist die Herabsetzung der nachfolgenden Isolationsspannungen über dem galvanischen Trennelement 103.

Der Mittelpunkt 606, VI N / 2 der beiden Tiefsetzerschaltungen bzw. Tiefsetzerstufen 603 kann zur Herabsetzung der Isolationsspannung insbesondere für die Regelung und den Rückkopplungsoptokoppler OC1 verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass anstatt zwei Kondensatoren nur ein ausgangsseitiger Kondensator C13 verwendet wird.

Ebenso ergibt sich bei real etwas unterschiedlichen Schaltzeiten der Halbleiterschalter eine größere Toleranz. Wird z.B. der Schalter S1 1 zuerst eingeschaltet, fließt der Strom durch beide Spulen von L1 1 , C13 oder Tr1 , D12 und C12 zum Netzanschluss. Aufgrund der doppelten Windungszahl N ergibt sich eine quadratisch größere Induktivität, da L = N2 * AL. Bei gleichen Kondensatoren vervierfacht sich damit die Zeitkonstante t = L * C.

Die vorgestellte Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz bei einem Schaltnetzteil mit hoher Eingangsspannung von z.B. 1500VDC bei unbekannter Erdung und damit sehr hohen Isolationsanforderungen.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zum Herabsetzen der Isolationsanforderungen an ein Schaltnetzteil gemäß einer Ausführungsform.

Das Schaltnetzteil kann ein Schaltnetzteil 400, 500, 600 sein, wie oben zu den Figuren 4 bis 6 beschrieben. Insbesondere umfasst das Schaltnetzteil einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 401 ; einen mit dem Eingangsschaltkreis 401 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 402 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 401 und dem Ausgangsschaltkreis 402, welches

ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten.

Das Verfahren 700 umfasst die folgenden Schritte: Schalten 701 zweier gekoppelter Tiefsetzerstufen 403 in den Eingangsschaltkreis 401 des Schaltnetzteils 400, 500, 600, von denen eine erste Tiefsetzerstufe 404 in der positiven Eingangsspannung

+VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe 405 in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet wird.