Die Erfindung betrifft eine Überspannungsbegrenzungsvorrichtung für eine Wechselspannungserzeugungsanordnung, eine Wechselspannungser- zeugungsanordnung mit einer solchen sowie eine Überspannungsbegren- zungsvorrichtung und ein Verfahren zur Überspannungsbegrenzung einer Ausgangsspannung am Ausgang einer Wechselspannungserzeugungsan- ordnung .

Wechselspannungserzeugungsanordnungen werden vielfältig benötigt. Beispiele sind die Anregung von Plasma, Induktionserwärmung oder Netzeinspeisung. Solche Lasten werden im Folgenden auch als„Last mit dynamischer Lastimpedanz" bezeichnet. Mit dynamischer Lastimpedanz ist eine Impedanz gemeint, die die Eigenschaft besitzt, sich innerhalb einer oder weniger Perioden der erzeugten Wechselspannung zu ändern. Es sind Wechselspannungserzeugungsanordnungen bekannt, die bei hohen Leistungen größer 10 kW Frequenzen größer 10 Hz, insbesondere größer 1 kHz, insbesondere größer 10kHz erzeugen und mit der so erzeugten Leistung die oben beschriebenen Lasten mit dynamischer Lastimpedanz versorgen können. Zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer

Gleichspannung wird häufig eine als Brückenschaltung bekannte Schaltung eingesetzt. Eine solche Brückenschaltung kann durch eine Spannungsquelle, eine Stromquelle oder eine leistungsgeregelte Quelle mit gleichgerichtetem Strom und Spannung gespeist werden. Insbesondere bei Brücken- Schaltungen, die mit einer Gleichstromquelle betrieben werden, bei denen also ein vorgegebener Strom in die Brückenschaltung getrieben wird, kann es am Ausgang der Brückenschaltung zu Überspannungen kommen. Diese Überspannungen können sich auch auf die Eingangsseite der Brückenschaltung übertragen . Sie können die Wechselspannungserzeugungsan- Ordnung schädigen. Der Schutz von Wechselspannungserzeugungsanord- nungen vor Überspannungen ist vor allem bei dynamischen Lasten eine oft gestellte Aufgabe, die unterschiedliche Lösungen hervorgebracht hat. DE102008025986A1 beschreibt eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Kondensator, der über eine Entladeschaltung entladen werden muss. Die Entladeschaltung wandelt die Energie in Wärme um. Sie muss hinsichtlich der Strombelastbarkeit überwacht werden, da sie sich sonst überhitzen würde. Zudem kann diese Schaltung nur eine begrenzte Energie aufnehmen. Zu häufige Zustände der Überspannung würde diese Schaltung überlasten . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte Überspannungsbegrenzung realisieren, die auch häufigere oder länger andau- ernde Zustände einer Überspannung begrenzen kann, ohne sich zu überhitzen.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und weiterer nebengeordneter Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung und in den Unter- ansprüchen angegeben.

In einem Aspekt der Erfindung ist eine Überspannungsbegrenzungsvor- richtung vorgesehen für eine Wechselspannungserzeugungsanordnung mit einer Inverter-Schaltungseinheit, die ausgelegt ist, eine Last mit dynamischer Lastimpedanz mit Leistung zu versorgen, wobei die Überspannungs- begrenzungsvorrichtung aufweist:

- zwei Eingangsanschlüsse zum Anschluss an die Inverter- Schaltungseinheit, insbesondere an den Ausgang der Inverter- Schaltungseinheit oder an die Last ,

- zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschluss an eine Zwischenkreisspan- nungseinheit der Wechselspannungserzeugungsanordnung,

- eine Gleichrichtervorrichtung, die einen Wechselstromanschluss und einen Gleichstromanschluss aufweist, wobei der Gleichstromanschluss der Gleichrichtervorrichtung mit den Ausgangsanschlüssen verbunden ist,

- eine Wechselspannungsumsetzervorrichtung, die eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist und die Sekundärseite mit dem Wechselstromanschluss der Gleichrichtervorrichtung verbunden ist. Die Überspannungsbe- grenzungsvorrichtung ist dergestalt ausgelegt, dass sowohl bei Über- schreiten von positiven als auch bei Überschreiten von negativen Wechselspannungsspitzenwerten an den Eingangsanschlüssen über einen vorgegebenen Betrag Leistung von den Eingangsanschlüssen über die

Wechselspannungsumsetzervorrichtung und die Gleichrichtervorrichtung zu den Ausgangsanschlüssen transportiert wird . Auf diese Weise kann die Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen auf einen weiteren vorgebbaren Betrag begrenzt werden. Auf diese Weise kann die Energie, die bei der Spannungsbegrenzung lastseitig abgezogen wird, in die Wechsel- spannungserzeugungsanordnung zur Versorgung der Last zurückgespeist werden. Eine herkömmliche Überspannungsbegrenzungsvorrichtung hätte die abgezogene Energie vollständig in Wärme umgewandelt. Die erfindungsgemäße Überspannungsbegrenzungsvorrichtung erlaubt so eine deutlich effizientere Begrenzung der Überspannung. Zudem kann sie während längerer Zeitintervalle die Überspannung begrenzen. Eine herkömm- liehe Überspannungsbegrenzungsvorrichtung müsste bei Überschreitung einer Obertemperatur deaktiviert werden, um ein Überhitzen zu vermeiden. Die Überspannung kann dann die zu schützenden Bauteile schädigen. Die erfindungsgemäße Überspannungsbegrenzungsvorrichtung macht den Betrieb demzufolge deutlich sicherer.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zur Überspannungsbegrenzung einer Ausgangsspannung am Ausgang einer Wechselspannungserzeugungsanordnung mit einer Inverter- Schaltungseinheit mittels einer Überspannungsbegrenzungsvorrichtung, die aufweist:

- zwei Eingangsanschlüsse zum Anschluss an die Inverter- Schaltungseinheit, insbesondere an den Ausgang der Inverter- Schaltungseinheit, oder an die Last,

- zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschluss an eine Zwischenkreisspan- nungseinheit der Wechselspannungserzeugungsanordnung,

- eine Gleichrichtervorrichtung, die einen Wechselstromanschluss und einen Gleichstromanschluss aufweist, wobei der Gleichstromanschluss der Gleichrichtervorrichtung mit den Ausgangsanschlüssen verbunden ist, - eine Wechselspannungsumsetzervorrichtung, die eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist und die Sekundärseite mit dem Wechselstroman- schluss der Gleichrichtervorrichtung verbunden ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, das sowohl bei Überschreiten von positiven als auch bei Überschreiten von negativen Wechselspannungsspitzenwerten über einen vorgegebenen Betrag an den Eingangsanschlüssen Leistung von den Eingangsanschlüssen über die Wechselspannungsumsetzervorrichtung und die Gleichrichtervorrichtung zu den Ausgangsanschlüssen transportiert wird und so die Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen auf einen weiteren vorgebbaren Betrag begrenzt wird.

Der vorgebbare Betrag und der weitere vorgebbare Betrag können voneinander abhängen und insbesondere gleich groß sein.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung ist so ausgestaltet, dass Leistung nur in die Richtung von ihren Eingangsanschlüssen zu ihren Ausgangsanschlüssen transportiert wird und ein Leistungstransport von Ausgangsanschlüssen zu Eingangsanschlüssen in der Überspannungsbegren- zungsvorrichtung unterbunden wird. Dadurch ist ein besonders sicherer Betrieb bei der Versorgung der Last mit Wechselspannung möglich.

Die von den Eingangsanschlüssen über die

Wechselspannungsumsetzervorrichtung und die Gleichrichtervorrichtung zu den Ausgangsanschlüssen transportierte Leistung kann dabei einer in der Wechselspannungserzeugungsanordnung angeordneten Wechselspan- nungserzeugungsvorrichtung zumindest teilweise zugeführt werden. So wird die Versorgung der Last mit Wechselspannung auch bei Überspannung deutlich effizienter. Außerdem kann mehr Leistung abgezogen werden, das bedeutet, mehr Überspannungszustände können begrenzt werden, als mit herkömmlichen Systemen, die auf Grund der Wärmeentwicklung auf eine relativ niedrige maximale Leistung pro Zeit begrenzt waren. Die Induktivität der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung gemessen an den Eingangsanschlüssen kann weniger als 600 nH insbesondere weniger als 450 nH betragen. So beeinflusst die Überspannungsbegrenzungs- vorrichtung die Wechselspannungserzeugungsanordnung im Normalbe- trieb bei Wechselspannungsspitzenwerten kleiner dem vorgegebenen Betrag nur minimal und ist gleichzeitig bei Überschreiten über den vorgegebenen Betrag sehr effizient und schnell.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann dergestalt ausgelegt sein, dass der vorgebbare Betrag und/oder der weitere vorgebbare Betrag mittels der Spannung an den Ausgangsanschlüssen eingestellt werden kann oder wird . So kann der vorgebbare Betrag und/oder der weitere vorgebbare Betrag besonders einfach und sicher eingestellt werden.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann dergestalt ausgelegt sein, dass bei einer Wechselspannung mit Spitzenwerten unterhalb des vorgebbaren Betrags kein Strom durch die Gleichrichtervorrichtung fließt. Das macht die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung und damit auch den Betrieb der Wechselspannungserzeugungsanordnung besonders sicher.

Am Gleichstromanschluss kann ein impulsfester Kondensator angeschlossen sein. Damit wird die Induktivität der Überspannungsbegren- zungsvorrichtung gemessen an den Eingangsanschlüssen besonders niedrig. Außerdem reagiert die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung so auf Überspannungen besonders schnell. Zusätzlich wird die Lebensdauer der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung so erhöht. Mit impulsfester Kondensator ist ein Kondensator gemeint, der eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

- ausgelegt für Strompulse mit Spitzenströmen größer 10A.

- ausgelegt für Spannungspulse mit Spitzenspannungen größer 100V. - ausgelegt für Spannungsanstiegsgeschwindigkeit größer 500 V/ps.

- ausgelegt für bei Stromanstiegsgeschwindigkeit größer 500 A/ps.

- aufweisend eine Anschlussinduktivität kleiner 100 nH.

Der impulsfeste Kondensator kann aus einer oder mehreren

Kondensatoreinheiten aufgebaut sein, die zusammen eine Kapazität grö- ßer 20 pF aufweisen.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung kann ein durch Stromfluss magnetisierbares Element aufweisen. Das kann vorzugsweise aus eisenhaltigem, besonders bevorzugt aus ferritischem Material bestehen. Damit wird die Kopplung von Primärseite zu Sekundärseite verbessert und die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung reagiert schneller.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann dergestalt ausgelegt sein, dass bei einer Wechselspannung mit Spitzenwerten unterhalb des vorgebbaren Betrags ausschließlich ein Strom zur Magnetisierung des magnetisierbaren Elements fließt. Damit wird die Beeinflussung der Wech- selspannungserzeugungsanordnung im Normalbetrieb weiter verringert.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann dergestalt ausgelegt sein, dass die Wechselspannungsumsetzervorrichtung direkt, insbesonde- re ohne Zwischenschaltung von Dioden, Schaltern oder gleichrichtenden Elementen mit der Inverter-Schaltungseinheit verbunden werden kann insbesondere wird. Damit reagiert die Überspannungsbegrenzungsvorrich- tung nochmals schneller.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung kann so ausgelegt sein, dass die Primärseite von der Sekundärseite galvanisch getrennt ist. Damit kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung noch sicherer arbeiten.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung kann einen Transformator aufweisen. So kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung besonders kostengünstig und effizient aufgebaut werden.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung, insbesondere der Transformator kann eine Streuinduktivität kleiner 300 nH aufweisen. So beein- flusst die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung die Wechselspannungs- erzeugungsanordnung im Normalbetrieb bei Wechselspannungsspitzenwerten kleiner dem vorgegebenen Betrag nur minimal und ist gleichzeitig bei Überschreiten über den vorgegebenen Betrag sehr effizient und schnell.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung, insbesondere der Transformator kann ausgelegt sein, Spitzenströme größer 30 A zu führen. Damit kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung sehr viel Leistung innerhalb sehr kurzer Zeit transportieren und kann so die Wechselspannung besser begrenzen, auch wenn viel Energie von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen transportiert werden muss. Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung, insbesondere der Transformator kann so ausgelegt sein, dass das Produkt aus seiner Streuinduktivität und einem Spitzenstrom, für den sie/er ausgelegt ist, weniger als 1 mHA (Milli-Henry * Ampere) beträgt, so kann die Überspannungsbe- grenzungsvorrichtung noch schneller und effizienter arbeiten.

Der Wechselspannungsumsetzervorrichtung insbesondere die gesamte Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann einen Gleichstromwiderstand aufweisen, der einen Wert kleiner 0,05 Ω aufweist. So wird die Überspan- nungsbegrenzungsvorrichtung zum einen effizienter aber auch deutlich schneller und erzeugt weniger Verluste und wird damit zuverlässiger.

Der Transformator kann eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweisen. Die Primär- und die Sekundärwicklung kann insbesondere bifilar geführte Leitungen aufweisen, insbesondere aus solchen bestehen. Dadurch wird die parasitäre Induktivität der Überspannungsbegrenzungsvor- richtung weiter reduziert.

Die Primär- und die Sekundärwicklung kann insbesondere jeweils bandförmige Leitungen aufweisen, insbesondere aus solchen bestehen. Die bandförmigen Leitungen können insbesondere mindestens 10 mm breit sein und mindestens 0,05 mm dick sein. Die bandförmigen Leitungen können insbesondere aufeinander liegend aufgewickelt sein. Sie können dabei durch Isolationsfolien isoliert sein, die dünner sind als 0,2 mm. Dadurch wird die parasitäre Induktivität der Überspannungsbegrenzungsvor- richtung noch weiter reduziert.

Die Verbindungsleitungen zwischen Gleichrichtervorrichtung und

Wechselspannungsumsetzervorrichtung können bandförmige und insbesondere bifilar, besonders bevorzugt aufeinander liegende und nur durch Isolierung dünner als 0,2 mm getrennte Leiterbahnen aufweisen, insbesondere aus solchen bestehen. Sie können insbesondere zumindest abschnittsweise mindestens 10 mm breit sein und mindestens 0,05 mm dick sein. Sie können insbesondere jeweils kürzer als 10 cm sein. Dadurch wird die parasitäre Induktivität der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung weiter reduziert. Der Transformator kann ausgestaltet sein, dass sich die Windungszahl der Primärwicklung und die Windungszahl der Sekundärwicklung um maximal eine Windung unterscheiden. Dadurch wird die parasitäre Induktivität der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung weiter reduziert.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann zusätzlich zumindest eine stromflussrichtende Einrichtung, insbesondere eine Diode aufweisen.

Diese stromflussrichtende Einrichtung kann in Serie zwischen einem Gleichstromanschluss und einem Ausgangsanschluss angeschlossen sein.

Eine weitere stromflussrichtende Einrichtung kann in Serie zwischen einem Gleichstromanschluss und einem weiteren Ausgangsanschluss angeschlossen sein. So kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung mit Wechselspannungserzeugungsanordnung mit mehreren Zwischenkreis- spannungseinheiten verwendet werden.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann ein

Kondensatorvorladungselement zur Vorladung des impulsfesten Kondensators aufweisen. Dieses Kondensatorvorladungselement kann insbesondere ein Widerstandselement sein. Dieses Kondensatorvorladungselement kann insbesondere parallel zu einer stromflussrichtenden Einrichtung geschaltet sein. Dann kann der impulsfeste Kondensator vorgeladen werden. Das ist vorteilhaft, wenn der Ausgang der Inverter-Schaltungseinheit nicht durch das Aufladen des impulsfesten Kondensators belastet werden soll.

Die Gleichrichtervorrichtung kann einen Brückengleichrichter aufweisen. Der Brückengleichrichter kann ausgelegt sein, Ströme größer 30 A zu führen. Der Brückengleichrichter kann vier Dioden in Brückenschaltung auf- weisen, die jeweils ausgelegt sind, Ströme größer 30 A zu führen. Damit kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung sehr viel Leistung innerhalb sehr kurzer Zeit transportieren und kann so die Wechselspannung besser begrenzen, auch wenn viel Energie von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen transportiert werden muss.

Die Verbindungsleitungen zwischen impulsfestem Kondensator und Gleichrichtervorrichtung können Längen jeweils kürzer als 2 cm aufweisen. Dadurch wird die parasitäre Induktivität der Überspannungsbegren- zungsvorrichtung weiter reduziert. Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung kann ausgelegt sein, eine mittlere Leistung größer 100W und Spitzenleistungen größer 50 kW zu übertragen. Damit kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung sehr viel Leistung innerhalb sehr kurzer Zeit transportieren und kann so die Wechselspannung besser begrenzen, auch wenn viel Energie von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen transportiert werden muss.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Wechselspannungser- zeugungsanordnung vorgesehen, die ausgelegt ist, eine Last mit dynami- scher Lastimpedanz mit Leistung, insbesondere mit Wechselspannungsleistung, zu versorgen, wobei die Wechselspannungserzeugungsanord- nung eine der zuvor beschriebenen Überspannungsbegrenzungsvorrich- tungen aufweist.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann mit ihren Eingangsan- Schlüssen an den Ausgang der Wechselspannungserzeugungsanordnung angeschlossen sein.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann mit ihren Ausgangsanschlüssen an eine Zwischenkreisspannungseinheit der Wechselspan- nungserzeugungsanordnung angeschlossen sein.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung kann mit ihren Ausgangsanschlüssen an mehrere Zwischenkreisspannungseinheiten der Wechsel- spannungserzeugungsanordnung, insbesondere über jeweils eine der stromflussrichtenden Einrichtungen, angeschlossen sein.

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann eine vorzugsweise als Brückenschaltung ausgestaltete Inverter-Schaltungseinheit zur Erzeugung von Leistung, insbesondere von Wechselspannungsleistung, aufweisen.

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann eine Gleichstromquelle zur Versorgung der Brückenschaltung aufweisen. Die Gleichstrom- quelle kann ausgelegt sein, einen geregelten oder gesteuerten Strom an die Brückenschaltung zu liefern.

Die Gleichstromquelle kann einen Aufwärtswandler aufweisen. Die Gleichstromquelle kann einen Abwärtswandler aufweisen.

Die Gleichstromquelle kann eine Kombination von Abwärts- und Aufwärtswandler aufweisen.

Die Gleichstromquelle kann eine Induktivität aufweisen, die eine Strom- änderung auf Werte kleiner 10 A/ps begrenzt.

Die Gleichstromquelle kann an den Anschlusspunkt der Zwischenkreis- spannungseinheit angeschlossen sein. Die am Anschlusspunkt der Zwi- schenkreisspannungseinheit anliegende Gleichspannung kann der Brückenschaltung einen geregelten oder gesteuerten Gleichstrom zur Verfü- gung stellen.

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann einen Resonanzkreis insbesondere am Ausgang der Brückenschaltung aufweisen.

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann ausgelegt sein, dass die Frequenz im Betrieb der Wechselspannungserzeugungsanordnung veränderbar ist und insbesondere bei Veränderungen der Impedanz der Last verändert wird .

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann zur Erzeugung von Leistung, insbesondere von Wechselspannungsleistung mit einer Frequenz größer 1 kHz, insbesondere größer 10 KHz ausgelegt sein.

Die Wechselspannungserzeugungsanordnung kann zur Erzeugung von Leistung, insbesondere von Wechselspannungsleistung, zur Versorgung von Plasmaprozessen oder Induktionsprozessen ausgelegt sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig . 1 ein Schaltbild eines Leistungsversorgungssystems mit einer

Überspannungsbegrenzungsvorrichtung; Fig . 2 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Überspannungsbegren- zungsvorrichtung; ein Schaltbild eines Leistungsversorgungssystems mit einer weiteren Überspannungsbegrenzungsvorrichtung.

In Fig . 1 und 3 ist jeweils ein Schaltbild eines Leistungsversorgungssys- tems 100, 100a gezeigt. Das Leistungsversorgungssystem 100, 100a weist eine Last 15 mit dynamischer Lastimpedanz auf. Die Last 15 kann als Plasmaprozess ausgestaltet sein. Dann ist das Leistungsversorgungssystem 100, 100a ein Plasmaleistungsversorgungssystem. Das Leistungsversorgungssystem 100, 100a weist eine Wechselspannungserzeugungs- anordnung 131, 131a auf, die ihrerseits eine Wechselspannungserzeu- gungsvorrichtung 13, 13a und eine Überspannungsbegrenzungsvorrich- tung 1, la aufweist.

In Fig. 2 ist eine Skizze einer Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la dargestellt. Für die gleichen Bauteile werden in Fig . 1, 2 und 3 die gleichen Referenzzeichen verwendet.

Die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13 aus Fig . 1 weist eine Zwischenkreisspannungseinheit 20 auf, in der ein Zwischenkreiskondensa- tor 19 angeordnet ist. Die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13 weist weiter eine Gleichstromquelle 16 auf, die einen Transistor 18 und eine Induktivität 17 aufweist. Die Gleichstromquelle 16 ist an die Zwischenkreisspannungseinheit 20 angeschlossen und wandelt Leistung von der Gleichspannungsquelle, die von der Zwischenkreisspannungseinheit 20 geliefert wird, in eine Leistung um, die Gleichstrom, also gesteuerten oder geregelten Strom anstatt gesteuerter oder geregelter Spannung, liefert. Die Gleichstromquelle 16 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Abwärtswandler. Sie kann in einer alternativen Ausführungsform auch als Aufwärtswandler oder als eine Kombination aus beiden Wandlern ausgestaltet sein.

Die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13, 13a weist weiter eine Inverter-Schaltungseinheit 14 auf, die im vorliegenden Fall als eine vier Transistoren 18c - 18f aufweisende Vollbrückenschaltung ausgestaltet ist. Optional kann je eine Diode den vier Transistoren 18c - 18f in Reihe geschaltet sein. Die Inverter-Schaltungseinheit 14 ist an die Gleichstrom- quelle 16 angeschlossen. Sie wird demnach mit einer Gleichstromquelle versorgt, also einer Leistungsquelle, deren Strom gesteuert oder geregelt wird . Die Inverter-Schaltungseinheit 14 erzeugt vorzugsweise einen gepulsten Wechselstrom an ihren Ausgangsanschlüssen 23, 24.

Die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13, 13a weist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen weiter einen optionalen Resonanzkreis 27 auf, der an den Ausgangsanschlüssen 23, 24 der Inverter- Schaltungseinheit 14 angeschlossen ist. Dieser Resonanzkreis 27 kann eine oder mehrere Schwingkreisinduktivitäten und einen oder mehrere Schwingkreiskondensatoren aufweisen, die parallel und/oder in Serie zu einem Schwingkreis geschaltet sind und so ausgelegt sind, dass der Schwingkreis eine Resonanz bei einer einstellbaren Frequenz der Inverter- Schaltungseinheit 14 aufweist. So kann sehr effizient eine hohe Spannung und/oder ein hoher Strom erzeugt werden. Der Resonanzkreis 27 kann auch ausgelegt sein, eine Impedanzanpassung von der Inverter- Schaltungseinheit 14 zur Last 15 vorzunehmen. Der Resonanzkreis 27 kann auch ausgelegt sein, das Wechselstromsignal am Ausgang der Inverter-Schaltungseinheit 14 zu filtern und so unerwünscht Frequenzen von der Last 15 fernzuhalten. Der Resonanzkreis 27 kann einen Übertrager aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zum Resonanzkreis 27 kann an dieser Stelle auch ein Transformator mit Gleichrichter vorgesehen sein, wie dies in bekannten Netzteilen oft der Fall ist. Dieser kann zur galvanischen Trennung zwischen Zwischenkreisspannungseinheit 20 und den Anschlüssen zur Last 15 geeignet sein.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la weist zwei Eingangsanschlüsse 11, 12 zum Anschluss an die Inverter-Schaltungseinheit 14 auf. Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1 aus Fig. 1 weist ferner zwei Ausgangsanschlüsse 21, 22 zum Anschluss an die Zwischenkreisspannungseinheit 20 der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13 auf.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la weist weiter eine Gleichrichtervorrichtung 2 auf, die einen Wechselstromanschluss 6, 7 und einen Gleichstromanschluss 4, 5 aufweist. Der Gleichstromanschluss 4,5 der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1 aus Fig. 1 ist mit den Ausgangsanschlüssen 21, 22 verbunden

In Fig. 2 ist eine Gleichrichtervorrichtung gezeigt, die zwei Halbbrückengleichrichter 2a, 2b aufweist. Diese sind mit Verbindungselementen 5d, 4d verbunden.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la weist weiter eine Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 auf, die eine Primärseite 32 und eine Sekundärseite 31 aufweist. Die Primärseite 32 ist mit den Eingangsanschlüssen 11, 12 verbunden. Die Sekundärseite 31 ist mit dem Wech- selstromanschluss 6, 7 der Gleichrichtervorrichtung 2 verbunden.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Transformator 36. Der Transformator 36 weist auf der Primärseite 32 eine Primärwicklung 34 auf. Er weist weiter auf der Sekundärseite 31 eine Sekundärwicklung 33 auf. Die Primär- und die Sekun- därwicklung 34, 33 sind bifilar geführte bandförmige Leitungen. Die bandförmigen Leitungen sind mehr als 10-mal breiter als dick, insbesondere mindestens 10 mm breit und mindestens 0,05 mm dick. Die bandförmigen Leitungen sind aufeinander liegend aufgewickelt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Transformators 36 gezeigt, in der die Sekundärwicklung 33 eine Windung mehr als die Primärwicklung 34 aufweist. Nicht gezeigt in Fig . 2 ist eine Isolierung zwischen Sekundärwicklung 33 und Primärwicklung 34, die ausgelegt ist, eine Spannung größer 1000 V (für unseren Fall) zu isolieren.

Die als Transformator 36 ausgestaltete Wechselspannungsumsetzer- Vorrichtung 3 kann auch eine Sekundärwicklung 33 mit Mittelabgriff aufweisen. Als Gleichrichtervorrichtung 2 kann dann eine Kombination aus zwei Dioden verwendet werden. Die Primär- und Sekundärwicklungen 33, 34 können dann drifilar gewickelt sein.

Die Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 weist ein magnetisierba- res Element 35 auf, das in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 als eisenhaltiger Transformatorkern ausgestaltet ist. Für Frequenzen größer 1 kHz kann ein Transformatorkern aus ferritischem Material eingesetzt werden.

Verursacht durch die Verbindungsleitungen zwischen Gleichrichtervorrichtung 2 und Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3, insbesondere wenn diese als Transformator ausgelegt ist, entsteht eine parasitäre Induktivität, die in Fig. 1 und 3 als Induktivität 9 dargestellt ist. Diese sollte möglichst niedrig sein. Durch einen induktivitätsarmen Aufbau mit hoher magnetischer Kopplung im Transformator kann die Streuinduktivität klei- ner 300 nH gehalten werden, was für die Funktion hilfreich ist.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la weist weiter einen optionalen impulsfesten Kondensator 8 auf. Er ist in unmittelbarer Nähe der Gleichrichtervorrichtung 2 mit den Gleichstromanschluss 4, 5 verbunden. Dieser impulsfeste Kondensator 8 ist nicht zwingend vorzusehen. Wenn die Abmessungen der Wechselspannungserzeugungsanordnung 131, 131a es zulassen und der Zwischenkreiskondensator 19, 19a, 19b entsprechend ausgelegt ist, kann der Zwischenkreiskondensator 19, 19a, 19b für die Funktion des impulsfesten Kondensators 8 genutzt werden. Wenn die Leitungen von der Gleichrichtervorrichtung 2 zu dem Zwischenkreiskonden- sator 19, 19a, 19b aber zu lang sind, um die niedrige Gesamtinduktivität 9 der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la zu erreichen, ist ein solcher impulsfester Kondensator 8 in unmittelbarer Nähe der Gleichrichtervorrichtung 2 vorteilhaft. Mit impulsfester Kondensator ist ein Kondensator gemeint, der eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf- weist:

- ausgelegt für Spannungsanstiegsgeschwindigkeit größer 500 V/ps,

- ausgelegt für bei Stromanstiegsgeschwindigkeit größer 500 A/ps,

- aufweisend eine Anschlussinduktivität kleiner 100 nH.

Die in Fig. 2 gezeigten Verbindungselemente 5d, 4d verbinden zum ei- nen die Halbbrückengleichrichter 2a, 2b an den Anschlüssen 5a, 5b, 4a, 4b und schließen so die Halbbrückengleichrichter 2a, 2b zu einem Vollbrü- ckengleichrichter zusammen. Sie verbinden auch die Anschlüsse 5a, 5b, 4a, 4b der Halbbrückengleichrichter 2a, 2b mit den Anschlüssen 5c, 4c des impulsfesten Kondensators 8.

Die Verbindungsleitungen zwischen Gleichrichtervorrichtung 2 und

Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 sind in Fig . 2 die direkt aus dem Transformator herausgeführten bandförmigen Leiterbahnen 33a, 33b der Sekundärwindung 33. Der erste Eingangsanschluss 11 der Überspannungsbegrenzungsvor- richtung 1, la ist über eine erste Anschlussleitung 25 an den ersten Aus- gangsanschluss 23 der Inverter-Schaltungseinheit 14 angeschlossen und ist so an die Last 15 angeschlossen. Der zweite Eingangsanschluss 12 ist über eine zweite Anschlussleitung 26 an den zweiten Ausgangsanschluss 24 der Inverter-Schaltungseinheit 14 angeschlossen und ist so an die Last 15 angeschlossen. Der optionale Resonanzkreis 27 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen den Ausgangsanschlüssen 23, 24 der Inverter-Schaltungseinheit 14 und der Last 15 angeschlossen. Alternativ können die Anschlussleitungen 25, 26 auch näher an der Last 15 angeschlossen sein, also zwischen optionalem Resonanzkreis 27 und Last 15. oder z. B. direkt an einen Schwingkreiskondensator im Resonanzkreis 27 angeschlossen sein. Die Anschlussleitungen 25, 26 sollten eine möglichst geringe Induktivität aufweisen. Sie sind vorzugsweise kürzer als 30cm, insbesondere bifilar geführt. Zudem sollten sie einen möglichst geringen Gleichstromwiderstand aufweisen, und weisen insbesondere einen möglichst großen Querschnitt, insbesondere größer 2 mm ² auf.

In Fig. 3 ist das Schaltbild des Leistungsversorgungssystems 100 aus Fig . 1 ergänzt zu einem erweiterten Leistungsversorgungssystem 100a . Die Wechselspannungserzeugungsanordnung 131a weist hier eine erweiterte Überspannungsbegrenzungsvorrichtung la und eine erweiterte Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13a auf.

Die erweiterte Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13a weist nun zwei Zwischenkreisspannungseinheiten 20a, 20b und zwei als Abwärts- wandler ausgelegte Gleichstromquellen 16a, 16b auf. Die Zwischenkreis- spannungseinheiten 20a, 20b weisen jeweils einen Zwischenkreiskonden- sator 19a, 19b auf. Die Gleichstromquellen 16a, 16b weisen jeweils einen Transistor 18a, 18b und jeweils eine Induktivität 17a, 17b auf. Die Gleichstromquellen 16a, 16b sind an ihren Ausgängen verbunden. Auf diese Weise kann die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13a für unterschiedlich hohe Leistungen modular aufgebaut werden. Die Spannungen an den Zwischenkreiskondensator 19a, 19b sind nicht zwingend gleich groß. Deswegen kann die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1 aus Fig . 1 mit zusätzlicher Beschaltung verwendet werden. Die Zwischenkreis- spannungseinheiten 20a, 20b können dann unabhängig voneinander geregelt werden.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung la weist hier anstatt des einen Ausgangsanschlusses 22, nun zwei Ausgangsanschlüsse 22a, 22b auf. Diese sind mit je einer Zwischenkreisspannungseinheit 20a, 20b verbunden. Zur Entkopplung der zwei möglicherweise unterschiedlichen Zwi- schenkreisspannungen an den Zwischenkreiskondensatoren 19a, 19b sind als Dioden ausgestaltete stromflussrichtende Einrichtungen 27a, 27b in der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung la in Serie zwischen einem der Gleichstromanschlüsse 4 und je einem der Ausgangsanschlüsse 22a, 22b vorgesehen. Damit der impulsfeste Kondensator 8 nun auf die an den Zwischenkreiskondensatoren 19a, 19b anliegende Spannung aufgeladen wird, sind zusätzlich zwei als Widerstände ausgestaltete

Kondensatorvorladungselemente 28a, 28b vorgesehen. Diese sind nicht unbedingt zwingend, auch wenn stromflussrichtende Einrichtungen 27a, 27b in der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung la in Serie zwischen einem der Gleichstromanschlüsse 4 und je einem der Ausgangsanschlüsse 22a, 22b vorgesehen sind . Der impulsfeste Kondensator 8 kann auch von der Inverter-Schaltungseinheit 14 über die

Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 und die Gleichrichtervorrichtung 2 aufgeladen werden. Wenn allerdings die

Kondensatorvorladungselemente 28a, 28b vorgesehen sind, dann wird die Inverter-Schaltungseinheit 14 nicht belastet, wenn der impulsfeste Kondensator 8 aufgeladen werden muss. Auf diese Weise kann am Ausgang der Inverter-Schaltungseinheit 14 präziser und schneller die Impedanz der Last 15 ermittelt werden.

Jeder der Transistoren 18, 18a - 18f kann als IG BT, MOSFET oder in einer anderen Bauform ausgestaltet sein und zusätzlich je eine antiparallele Diode aufweisen, die in Fig . 1 und 3 nicht gezeigt ist. Anstatt der Transis- toren 18, 18a - 18f kann auch ein anderes schaltendes Bauelement eingesetzt werden, z.B. ein Thyristor, GTO oder andere Leistung schaltende Bauelemente.

Die Funktionsweise der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la ist nun wie folgt. Zunächst wird der impulsfeste Kondensator 8 auf die Span- nung aufgeladen, die an dem Zwischenkreiskondensator 19, 19a, 19b der Zwischenkreisspannungseinheit 20, 20a, 20b anliegt.

Liegen an dem Zwischenkreiskondensator 19a, 19b der Zwischenkreis- spannungseinheiten 20a, 20b unterschiedliche Spannungen, so wird der impulsfeste Kondensator 8 auf die niedrigere der beiden Spannungen aufgeladen.

Damit liegt am Gleichstromanschluss 4, 5 der Gleichrichtervorrichtung 2 eine vorgegebene Spannung an. Ist kein impulsfester Kondensator 8 vorgesehen, so liegt die Spannung des Zwischenkreiskondensators 19 oder der Zwischenkreiskondensatoren 19a, 19b am Gleichstromanschluss 4, 5 der Gleichrichtervorrichtung 2 an. An den Eingangsanschlüssen 11, 12 der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la wird die zu begrenzende Wechselspannung angeschlossen, zum Beispiel eine Spannung eines Schwingkreiskondensators eines Resonanzkreises 27 oder am Ausgang der Inverter-Schaltungseinheit 14.

Durch die Primärseite 32 der Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 bzw. die Primärwicklung 34 des Transformators 36 fließt nun ein Strom, verursacht durch die an die Eingangsanschlüsse 11, 12 angeschlossene Wechselspannung.

Verursacht durch die Wechselspannung auf der Primärseite 32 der

Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 wird eine Wechselspannung auf der Sekundärseite 31 erzeugt.

Die Spannung auf der Sekundärseite 31 wird an der Gleichrichtervorrichtung 2 an den Wechselstromanschluss 6, 7 angelegt.

Solange die Spannung an dem Wechselstromanschluss 6, 7 vom Betrag her niedriger ist als die Spannung an dem Gleichstromanschluss 4, 5, verhindert die Gleichrichtervorrichtung 2 einen Stromfluss in die Gleichrichtervorrichtung 2. Dieser Stromfluss hätte einen Einfluss auf die am Eingang anliegende zu begrenzende Wechselspannung . Da er aber unterbun- den wird, wird die am Eingang anliegende zu begrenzende Wechselspannung nicht beeinflusst.

Wenn die zu begrenzende Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen 11, 12 der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la über einen vorgegebenen Betrag ansteigt, lässt die Gleichrichtervorrichtung 2 einen Stromfluss zu. Dieser vorgegebene Betrag kann durch die am Gleich- stromanschluss 4, 5 der Gleichrichtervorrichtung 2 anliegende Spannung eingestellt werden.

Die Spannung am Ausgang der Gleichrichtervorrichtung 2 wird begrenzt auf die am impulsfesten Kondensator 8 bzw. an dem Zwischenkreiskon- densator 19, 19a, 19b anliegende Zwischenkreisspannung. Es wird nun Leistung von den zwei Eingangsanschlüssen 11, 12 über die

Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 und die Gleichrichtervorrichtung 2 zu den Ausgangsanschlüssen 21, 22 transportiert. Dies ist in Fig. 1, 2 und 3 mit den Pfeilen 40 angedeutet. Auf diese Weise wird die Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen 11, 12 auf einen weiteren vorgebbaren Betrag begrenzt. Die Energie, die dabei in den impulsfesten Kondensator 8 bzw. in den Zwischenkreiskondensator 19, 19a, 19b geleitet wird, kann dann in der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13, 13a der Inverter-Schaltungseinheit 14 wieder zugeführt werden.

Dadurch wird nur noch ein kleiner Teil der von der zu begrenzenden Wechselspannung zur Verfügung gestellten überschüssigen Energie in Wärme umgewandelt.

Die Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la ist dabei so ausge- legt, dass keine Leistung in die entgegen dem Pfeil 40 angedeutete Richtung fließen kann. Dies wird insbesondere durch die Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung 2 sichergestellt.

Die Funktionsweise der mit der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, la ausgestatteten Wechselspannungserzeugungsanordnung 131, 131a kann nun wie folgt beschrieben werden : Die Wechselspannungserzeu- gungsanordnung 131, 131a wandelt Gleichspannungsleistung von der oder den Zwischenkreisspannungseinheit(en) 20, 20a, 20b in der Wech- selspannungserzeugungsvorrichtung 13, 13a zunächst in einen Gleichstrom um und leitet den so generierten Gleichstrom der Inverter- Schaltungseinheit 14 zu, die eine Wechselspannung und einen Wechselstrom erzeugt. So wird die Gleichspannungsleistung in eine Wechselstromleistung umgewandelt.

Die Leistung, insbesondere die Wechselstromleistung, wird der Last 15 zugeführt. Es entsteht ein Energie- bzw. Leistungsfluss in der Richtung des Pfeiles 41 von der oder den Zwischenkreisspannungseinheit(en) 20, 20a, 20b zur Inverter-Schaltungseinheit 14 und anschließend insbesondere zur Last 15. Auf Grund der dynamischen Impedanz der Last 15 kann es dabei zu Spannungsüberhöhungen kommen, die zum Beispiel die Inverter- Schaltungseinheit 14 schädigen könnten. Solche Spannungsüberhöhungen werden nun wie oben beschrieben mit der Überspannungsbegrenzungs- vorrichtung 1, la auf zulässige Werte begrenzt.

Der Pfeil 41 ist als langer durchgehender Pfeil dargestellt. Damit soll angedeutet werden, dass im Normalfall ein kontinuierlicher Leistungs- bzw. Energiefluss durch die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 13, 13a in Richtung des Pfeiles 41 fließt. Demgegenüber ist der Pfeil 40 als unterbrochener oder zerteilter Pfeil dargestellt. Damit soll angedeutet werden, dass nur im Fall bei Überschreiten der zu begrenzenden Spannung ein Leistungs- bzw. Energiefluss durch die Überspannungsbegren- zungsvorrichtung 1, la in Richtung des Pfeiles 40 fließt.

Beschrieben ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überspannungsbegrenzung einer Ausgangsspannung am Ausgang einer Wechselspannungs- erzeugungsanordnung 131 mit einer Inverter-Schaltungseinheit 14 mittels einer Überspannungsbegrenzungsvorrichtung 1, die aufweist:

- zwei Eingangsanschlüsse 11, 12 zum Anschluss an die Inverter- Schaltungseinheit,

- zwei Ausgangsanschlüsse 21, 22 zum Anschluss an eine Zwischenkreis- spannungseinheit 20 der Wechselspannungserzeugungsanordnung,

- eine Gleichrichtervorrichtung 2 verbunden mit den Ausgangsanschlüssen,

- eine Wechselspannungsumsetzervorrichtung 3 verbunden mit den Eingangsanschlüssen und der Gleichrichtervorrichtung ,

wobei sowohl bei Überschreiten von positiven als auch bei Überschreiten von negativen Wechselspannungsspitzenwerten über einen vorgegebenen Betrag an den Eingangsanschlüssen Leistung von den Eingangsanschlüssen über die Wechselspannungsumsetzervorrichtung und die Gleich- richtervorrichtung zu den Ausgangsanschlüssen transportiert wird und so die Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen auf einen weiteren vorgebbaren Betrag begrenzt wird.