Schaltungsanordnung zur Doteπtialgetrennten Übertragung von Impulsen beliebiger Länge und Frequenz für das Ansteuern von Transistorschaltern

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik und ihre Anwendung ist in Informationsteilen von elektroni¬ schen Geräten, beispielsweise in Stromversorgungseinheiten unc Transistorpulsstellern, möglich und zweckmäßig.

Charakteristik Des bekannten Stanαεs αer Tecnnik

In elektronischen Geräten zur Stromversorgung, beispielswei¬ se Schaltnetzteilen, und zur Antriebssteuerung, beispiels¬ weise Transistorpulsstellern, ist aus Sicherheitsgründen eine Potentialtrennung zwischen αem Informationsteil auf Hochspannung oder Netzniveau erforderlich und deshalb nach¬ zuweisen. Zur Übertragung einer Regelinformation in Form von puisweitenmodulierten Impulsen können beispielsweise Opto¬ koppler benutzt werαen. Da aber ODtokoDOlεr, genügenoer Dy¬ namik (T - 50 Hz? T. - 50 ns) und Isoiationsfähigkeit nicr-. zur Verfügung stehen, wird zur Vermeidung dieser Nachteile, wie in Application note "Optimum Basis Drive and Protection of Switching Transistors using the UAA 4002" , Philipp aigε, Laborative d ' application, Tho son-Efcis integrated Circuits, March 1983, beschrieben, ein differenzierender Impulsüber- trager verwendet. Bei dieser Anordnung für eine optimale Basis-Erregung und für einen Schutz von Schalttransistoren unter Verwendung eines Schaltkreises UAA 4002 wird ein "Pe- gei-mode" durch Anlegen eines "high"Logik-Pegels an einer ersten Eingang der Eingangsanpassungseinheit des Scnaltkrei- ses UAA 4002 (B 4002 D) ausαewählt. Dazu kann dieser Einαanc

potentialfrei gelassen oder über einen Widerstand mit einem Mindestwert an die positive Stromversorgungsspannuπg ange¬ schlossen werden. Ein weiterer Eingang der Eingangsspannungs¬ einheit des Schaltkreises UAA 4002 (B 4002 D) ist TTL- und CMOS-kompatibel und bei logisch "I" aktiv. In Hinsicht auf die Fortpflanzungszeit innerhalb der Schaltung wird das Aus¬ gangssignal um annähernd 300 ns relativ zum Eingangssignal verzögert. Wenn der Steuerschaltkreis galvanisch isoliert sein muß, wird als Betriebsart "Puls mode" verwendet. Dabei wird der Schaltkreis UAA 4002 durch alternative Impulse ge¬ steuert, indem ein logischer "low"-Pegel an den ersten Ein¬ gang der Eingangsspannungseinheit des Schaltkreises UAA 4002 (B 4002 D) durch direktes Verbinden mit der Masse angelegt wird. Die am zweiten Eingang der Eingangsspannungseinheit angepaßten Steuersignale müssen eine Amplitude mit einer Min¬ destspannung von - 2 V haben, und auch unter den Stromversor¬ gungsspannungen des Schaltkreises sein. Insbesondere bedeutet das, daß die negative Stromversorgungsspannung einen absolu¬ ten Wert über 2,5 V für diese Opεrationsart aufweisen muß. Wenn durch eine Störung oder als Ergebnis eines Fehlers bei der Schaltung eine der negativen Stromversorgungsspannungen einen absoluten Wert von weniger als 2 V haben sollte, werden die negativen Sperrimpulse ignoriert, und es ergibt sich eine dauernde Stromführung. Diese besonders gefährliche Situation kann durch ein Überwachen der negativen Stromversorgungsspaπ- nung vermieden werden. Negative Impulse mit einer Amplitude größer als die Amplitude der negativen Versorgungsspannung müssen zur Vermeidung von Störungen außerhalb des Schaltkrei¬ ses mittels einer Diode unterdrückt werden. Trotzdem ist in allen Fällen ein genügend hoher Wert von - 4 V bis - 5 V für die Versorgungsspannung und eine Impulsdauer von 100 ns er¬ forderlich. Wie beim "Pegelmode" hat die Fortpflanzungszeit des Signals in der Schaltung eine Verzögerung von annähernd 300 ns zwischen den Schaltkreisausgangssignalen und den ent- sprechenden Steuerimpulsen. Häufig ist eine galvanische

Isolierung zwischen dem Steuerschaltkreis zum Erzeugen der stromführenden Impulse und dem Schutzschaltkreis für Schalt¬ kreistransistoren notwendig. Für die Übertragung niedriger Frequenzen ist dafür ein Optokoppler verwendbar. Bei höheren Frequenzen wird deshalb ein Impuls-Wandler mit Ferritkern verwendet. Vorteilhaft ist es, anstelle der Übertragung der stromführenden Impulse in ihrer Gesamtheit die Sättigung des Magnetkreises zur Realisierung eines Differenz-Wandlers zu benutzen. Die Größe der magnetischen Komponenten wird dabei reduziert, weil ein kleiner Ferritkern mit nur wenigen Win¬ dungen ausreicht. Durch entsprechende Programmierung wird die Verträglichkeit des Schutzschaltkreises für Schalttran¬ sistoren und von alternativen Impulsen gewährleistet.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei sehr kurzen AnSteuerimpulsen wegen des Ausbleibens der negativen Nadel die differenzierende Wirkung des Impulsübertragers verlorengeht, so daß die angeschlossene Ansteuerschaltung für den Leistungstransistor ständig eingeschaltet bleibt und dessen Zerstörung bewirkt.

In der DE-OS 28 21 812 (H 01 F 19/04) ist eine Schaltuπgsan- ordnung zur potentialgetrennten Übertragung digitaler und analoger Signale beschrieben, die aus einer Reihenschaltung eines HF-Oszillators, eines bistabilen Kippgliedes zur Sy - metrierung und eines Pufferspeichers primärseitig und einer Gleichrichterbrücke als De odulator mit anschließendem Fil¬ ter sekundärseitig besteht. Die zu übertragenden Signale werden in den Pufferspeicher eingegeben und modulieren dort das Ausgangssignal des Kippgliedes. Das erzeugte Signal wird dann potentialgetrennt mittels des Übertragers der Demodula- toreinheit mit Filtern zugeführt. Damit wird eine potential¬ getrennte Übertragung von Signalen nach dem Differenzverfah¬ ren mit einem vor allem primärseitig sehr großem Aufwand realisiert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung zur potentialgetrennten Übertragung von Impulsen beliebiger Länge und Frequenz für das Ansteuern von Transistorschaltern die Funktionssicherheit in einem erweiterten Funktionsbereich zu gewährleisten und eine Zerstörung von Transistoren während der Betriebsdauer der Anordnung zu verhindern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur potentialgetrenπten Übertragung von Impulsen beliebiger Länge und Frequenz für das Ansteuern von Transistorschaltern zu schaffen, die, bestehend aus einer Kleinspannungsseite mit einer pulsweitenmodulierte Ausgangssignale erzeugenden Reg¬ lereinheit, aus einer Hochspannungsseite mit einer De odu- latoreinheit, mit einer Ansteuereinheit und mit einer Tran¬ sistorschaltereinheit und aus einer magnetischen Impulsüber- tragereinheit zum Koppeln von Klein- und Hochspannungsseite eine Übertragung auf Hochfrequenzniveau mit hoher Dynamik und Isolationsfestigkeit ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwischen dem Ausgang der Reglereinheit und der Demodulator- einheit in Reihe auf der Kleinspannungsseite eine mit hoher Modulationsfrequenz arbeitende Zusatzmodulatoreinheit und eine die Klein- und die Hochspannungsseite verbindende mag¬ netische Übertragereinheit befinden. Diese Übertragereinheit ist auf eine einzelne Hochspaπnungskabelwindung als Primär¬ wicklung und eine oder mehrere Schaltdrahtwindungen als Se¬ kundärwicklung reduziert, die auf einen Doppellochkern auf¬ gebracht sind. Der gesamte Übertrager ist in einem Isolier¬ masseblock untergebracht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur po¬ tentialgetrennten Übertragung von Impulsen beliebiger Länge, Spannung und Frequenz für das Ansteuern von Transistorschal¬ tern,

Fig. 2: eine Detailschaltung der Anordnung zum Übertragen der Aπsteuerimpulse für einen Leistungstraπsistor LTR,

Fig. 3: ein Schema des mechanischen Aufbaues der magnetischen Übertragereinheit MÜTRAG zwischen der Klein- und der Hoch¬ spannungsseite.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur potentialgetrennten Übertragung von Impulsen beliebiger Länge und Frequenz für das Ansteuern von Transistorschaltern darge¬ stellt. Auf der Kleinspannungsseite KSS ist eine Reglerein¬ heit REMO über eine Zusatzmodulatoreinheit ZUMO zum Eingang einer magnetischen Impulsübertragereinheit MÜTRA geführt, deren Ausgang über eine Demodulatoreinheit DEMO und eine An- Steuereinheit AST mit einer Transistorschaltereinheit TSE auf der Hochspannungsseite HSS verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine Detailschaltung der Anordnung zum Übertra¬ gen der Ansteuerimpulse für einen Leistungstransistor LTR und eine mögliche konkrete Ausgestaltung der einzelnen Ein¬ heiten. In der Reglereinheit REMO ist ein Pulsweitenmodula¬ tor PWM angeordnet, dessen Ausgang zur Zusatzmodulatorein¬ heit ZUMO geführt ist. Diese Zusatzmodulatoreinheit ZUMO enthält einen mit sehr hoher Frequenz schwingenden Oszilla- tor OHF zur Erzeugung der Modulationsfrequenz, der aus einer

Serienschaltung von drei UND-Gliedern U 1, U 2, U 3 mit einer R-C-Beschaltuπg R 1; C 1 aufgebaut ist. Als magnetische Über¬ tragereinheit MÜTRA ist ein Treibertransformator TR einge¬ setzt, dessen Primärwicklung PW mit dem Anschluß 1 an den Ausgang des Oszillators OHF in der Zusatzmodulatoreinheit ZUMO und mit dem Anschluß 2 über einen Kondensator C 2 an Massepotential angeschlossen ist. Der Anschluß 3 der Sekun¬ därwicklung SW ist über einen Widerstand R 2 zur Basis des Demodulatortransistors DEMOT geführt, während der Emitter mit dem Anschluß 4 und der Kollektor mit einem Widerstand R 3 verbunden sind. Über ein ebenfalls am Kollektor liegen¬ des Regelanpassungsglied PAG ist der Ansteuerschaltkreis ASS angeschlossen. Das Regelanpaßglied PAG und der Ansteuerschalt¬ kreis ASS bilden zusammen die AnSteuereinheit AST, deren Aus- gang mit dem Leistungstransistor LTR verbunden ist. Am Kol¬ lektor dieses Leistungstransistors LTR ist ein Spannuπgspo- tential von 300 V vorhanden. Als Ansteuerschaltkreis ASS kann der Schaltkreis UAA 4002 bzw. der Ansteuerschaltkreis für Leistungstransistoren B 4002 D verwendet werden (Fachbereichs- Standard TGL 43 614 vom Juni 1985).

Aus Fig. 3 ist der mechanische Aufbau des verwendeten Treiber¬ transformators TR zur Impulsübertragung mit Hilfe einer Quer¬ schnittsdarstellung ersichtlich. Auf einen Doppellochkern DLK, beispielsweise innere Ferritkern, sind primärseitig als Wicklung PW eine Windung Hochspannungskabel und sekundärsei- tig ein bis vier Windungen Schaltdraht als Sekundärwicklung SW aufgebracht. Der gesamte Treibertransformator TR wird in einen evakuierten Isoliermasseblock IMB, beispielsweise aus Epoxidharz, angeordnet wodurch der Treibertransformator TR hochspannungsfest ist. Bei einem derartigen Treibertransfor¬ mator TR sind die geforderten Kriechstrecken größer als 8 mm bzw. die Prüfspannung von 4 KV _* , nachweisbar. Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise. Vom Pulsweitenmodulator PWM in der Reglereinheit REMO wird der mit einer hohen Frequenz

schwingende Oszillator OHF in der Zusatzmodulatoreinheit ZUMO getastet. Die Frequenz des Oszillators OHF ist dabei so hoch zu wählen, daß auch die kürzesten zu übertragenden Impulse durch mehrere Schwingungen des Oszillators OHF aufgelöst wer- den. Die auf diese Weise erzeugten pulsweitenmodulierten Im¬ pulse werden dem Treibertransformator TR primärseitig zuge¬ führt, der der Po.tentialtrennung zwischen der Kleinspannungs¬ seite KSS und Hochspannungsseite HSS bzw. Netzseite dient. Die Isolation dieses Transformators TR ist gemäß Fig. 3 so reali- siert, daß alle Forderungen hinsichtlich der Spannungsfestig¬ keit erfüllt sind. Auf der Hochspannungsseite HSS werden in einer dem Treibertransformator TR nachgeschalteten Demodula- toreinheit DEMO die übertragenen Impulse demoduliert und ste¬ hen nach der Regelanpassung durch das Pegelanpassungsglied PAG zur Weiterverarbeitung im Ansteuerschaltkreis ASS, z.B. UAA 4002 bzw. B 4002 D, zur Verfügung. Damit ermöglicht das Anord¬ nen eines zusätzlichen Modulators mit einer sehr hohen Modula¬ tionsfrequenz am Ausgang einer pulsweiten odulierte Impulse erzeugenden Reglereinheit REMO und einer magnetischen Über- tragereinheit MUTRA mit entsprechender Spannungsfestigkeit und mit geringer Koppelkapazität zum potentialgetrennten Übertragen von Impulsen beliebiger Länge und Frequenz zwi¬ schen Kleinspannungs- und Hochspannungsseite KSS, HSS, das Erzeugen von AnSteuerimpulsen für einen Leistungstransistor durch das Betreiben eines Ansteuerschaltkreises ASS vom Typ UAA 4002 bzw. B 4002 D in der Betriebsart "Pulse mode".