Die Erfindung befasst sich mit der verlustarmen Ableitung von Überspannungen und beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen.

Im Stand der Technik sind so genannte Entlastungsnetzwerke zur Ableitung von selbstinduzierten Überspannungen bekannt. In der Schrift DE 38 22 493 Al wird ein Konzept beschrieben, welches zurückgewonnene Energie in die Versorgungsquelle speist. Die Primärwicklung des Übertragers liegt hier im Laststromkreis des zu entlastenden Halbleiterschalters und die Energieröckführung erfolgt galvanisch getrennt mittels des Übertragers nach dem Sperrwandlerprinzip.

Die Patentschrift DE 32 41 086 Al zeigt ebenfalls ein Entlastungsnetzwerk. In den in Figur 2 bis Figur 14 gezeigten Lösungen wird die Abschaltenergie über ein ohmsches Bauteil abgeführt und damit in Wärme umgewandelt. Die Figuren 17 bis 19 zeigen Schaltungsanordnungen, bei denen die Selbstinduktionsenergie zurückgewonnen wird. Diese Rückgewinnung erfolgt mittels eines kostspieligen Übertragers nach dem Flusswandlerprinzip. Der Übertrager muss nach jedem Schaltzyklus über eine ohmsche Komponente entmagnetisiert werden. Dadurch erschwert sich der Einsatz in Schaltungen mit veränderlichem Puls- zu Pausenverhältnis, besonders bei kurzen Ausschaltzeiten.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht diese Nachteile des Standes der Technik möglichst zu vermeiden und Energieverluste zu reduzieren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens für den verlustarmen Abbau einer Selbstinduktionsspannung an einem steuerbaren Schaltelement mittels eines Entlastungsnetzwerkes, welches zumindest ein Stromventil, eine Induktivität und eine Kapazität umfasst. wobei in einem ersten Schritt die Kapazität geladen wird und in emem zweiten Schritt die in der Kapazität. gespeicherte Energie auf eine Induktivität übertragen wird und in einem dritten Schritt die in der Induktivität gespeicherte Energie einem anschließbaren Verbraucher zugeführt werden kann.

Während der Stand der Technik die durch die Selbstmduktionsspannung bei den Abschaltvorgängen des in der Regel mittels eines Taktsignals angesteuerten Schaltelementes entstehende Energie mittels eines ohmschen Widerstandes (RC- oder RCD-Netzwerk) in Wärme umwandelt, führt die Erfindung die überschüssige Energie in mehreren Schritten einem anschließbaren Verbraucher zu. Die produzierte Verlustwärme im Schaltelement wird damit erheblich reduziert und die Energie sinnvoll genutzt. Dies wirkt sich positiv auf die Energiebilanz bzw. den Wirkungsgrad der Gesamtschaltung aus, in die das Entlastungsnetzwerk eingefügt ist. Außerdem kann das Bauvolumen wesentlich verringert werden, da temperaturempfindliche Bauteile mit wesentlich verminderter Umgebungstemperatur belastet werden. Als steuerbare Schaltelemente kommen in erster Linie Halbleiterbauelemente wie Transistoren (FET, MOSFET, IGBT, etc. ) in Frage.

Vorteilhafterweise erfolgt der erste Schritt bei abgeschaltetem Schaltelement, der zweite Schritt bei eingeschaltetem Schaltelement und der dritte Schritt wieder bei abgeschaltetem Schaltelement. Der die Selbstinduktion verursachende Strom kann damit beeinflusst und dem kapazitiven bzw. induktiven Bauteil zugeführt werden. Dies bewirkt eine Verlagerung der im System vorhandenen elektrischen Energie in Richtung des anschließbaren Verbrauchers, der in der Regel eine Eingangskapazität aufweist, so dass die Energie letztlich dieser Eingangskapazität zugeführt wird.

Besonders vorteilhaft beginnt der erste Schritt bei Einleitung der Abschaltphase des Schaltelementes, der zweite Schritt bei Einleitung der Einschaltphase des

Schaltelementes'und der dritte Schritt nach Abschluss der Einschaltphase. Insbesondere bilden sich im Abschaltmoment die induzierten Spannungsspitzen maximal aus und es steht annähernd die gesamte Ausschaltzeit für den Umladevorgang zur Verfügung.

Ein verlustarmes Entlastungsnetzwerk zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche wird liier als Dreipol realisiert, welcher einen ersten und einen zweiten Zweig umfasst, wobei der erste Zweig eine Reihenschaltung aus einem kapazitiven Bauelement und einem Stromventil umfasst und der zweite Zweig eine

Reihenschaltung aus einem induktiven Bauelement und einem Stromventil umfasst und der zweite Zweig zwischen den Bauelementen des ersten Zweiges mit dem ersten Zweig elektrisch leitend verbunden ist. Die Anzahl der Bauteile kann mit diesem Konzept stark reduziert werden, auch auf eine galvanische Entkopplung kann verzichtet werden.

Vorzugsweise wird das kapazitive Bauelement mittels eines Kondensators, das induktive Bauelement mittels einer Drossel und das Stromventil mittels einer Diode realisiert. Die Abmessungen dieser Bauteile sind, abhängig von ihren charakteristischen Werten (Kapazität, Spannungsfestigkeit, Induktivität), sehr klein wählbar. Dies wirkt sich positiv auf das gesamte Bauvolumen der Schaltung und der Peripherie aus. Die Erfindung lässt sich aufgrund der verwendeten Bauteile auch als DLC-Netzwerk bezeichnen, wobei D für Diode, L für Induktivität und C für Kapazität steht. ^•

Besonders bevorzugt wird die Induktivität der Drossel so gewählt, dass sie während der maximal auftretenden Zeitdauer, in der das Steuerelement leitend geschaltet ist, nicht in Sättigung gerät. Nur unter dieser Vorraussetzung kann die ganze in dem Kondensator zwischengespeicherte Energie auf die Induktivität übertragen, und die Wirkung des Entlastungsnetzwerkes voll ausgenutzt werden.

Empfohlen wird es, die Spannungsfestigkeit der Dioden so zu wählen, dass diese wenigstens der Betriebsspannung der zu entlastenden Schaltung plus der maximal möglichen Spannung an dem Entlastungskondensator entspricht. Außerdem sollten schnell schaltende Dioden zum Einsatz kommen, um deren Schaltverluste zu minimieren, ^' was eine Steigerung der Effizienz des Entlastungsnetzwerkes zur Folge hat.

Weiter wird empfohlen, dass die Kapazität des Kondensator so gewählt wird, dass sich bei Ausbildung einer Selbstinduktionsspitze am Kondensator eine Spannungsänderung von maximal etwa 10% der Versorgungsspannung der zu entlastenden Schaltung einstellt.

Vorteilhafter weise wird der Dreipol so an einem steuerbaren Schaltelement angeordnet, dass die an dem Schaltelement entstehende Überspannungsspitzen, verursacht von einer geschalteten Induktivität , abgeleitet werden. Der Schalter erfährt dadurch einen optimalen Schutz vor Überspannungen.

Prinzipiell ist der Einsatz des Entlastungsnetzwerkes an jeder periodisch geschalteten Einzelinduktivität möglich, um die Selbstindulctionsspannungen abzubauen.

Ganz besonders eignet sich das erfϊndungsgemäße dreipolige Entlastungsnetzwerk zum Einsatz in Verbindung mit einem Schaltnetzteil, insbesondere einem Schaltnetzteil nach dem Sperrwandlerprinzip, so dass am schaltenden Bauteil des Schaltnetzteils entstehende Überspannungsspitzen verlustarm abgeleitet werden können. Erneut sind das reduzierte Bauvolumen und die reduzierte Abgabe von Verlustwärme hier als wesentlicher Vorteil zu nennen. Durch die reduzierte Überspannung an dem Schalter kann eventuell auf ein Bauteil geringerer Spannungsfestigkeit zurückgegriffen werden, was die Kosten vermindert. Besonders wird auch empfohlen ein solches Schaltnetzteil im Antriebsregler eines Servomotors einzusetzen, da hier im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung auf immer kleinere Bauformen zurückgegriffen wird.

Bezugszeichenliste

1 Schaltnetzteil (Teilschaltung)

2 ^■ Energieversorgung

3 Entlastungsnetzwerk (Dreipol)

4 Strompfad

5 Verbindungspunlct

L2 Übertrager

Ll Drossel

Cl ₅ C3 Kondensatoren

C2 Eingangskapazität eines angeschlossenen Verbrauchers

D1-D3 Dioden

Tl Transistor

Rm ohmscher Widerstand

Im Folgenden soll die Funktionsweise der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert werden. Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils eine identische

Schaltung, wobei abhängig vom Schaltzustand des Schalters Tl eine unterschiedliche

Strombahn realisiert wird. Diese Strombahn ist mittels des in den drei Zweigen der

Schaltung eingezeichneten Pfades 4 angedeutet.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Dreipol-Entlastungsnetzwerk 3 ohne ohmschen Anteil zur Begrenzung von Schaltspitzen an Halbleiterschaltern. Zur Anwendung kommen Entlastungsnetzwerke in der Leistungselektronik überall dort, wo sich bedingt durch das schnelle Abschalten der Halbleiterschalter (MOS-Fet, IGBT etc.) Selbstinduktiqnsspitzen ausbilden. Die Selbstinduktionsspitzen werden verursacht durch die Streuinduktivität des Schaltungsaufbaus oder der zu schaltenden Induktivitäten. Um die Halbleiterschalter vor ihrer Zerstörung durch Überspannung zu schützen, muss der Energieinhalt der Selbstinduktionsspitze in einem geeigneten Entlastungsnetzwerk abgeleitet werden. Für gewöhnlich geschieht dies in einem RC oder RCD Netzwerk, mit dem Nachteil, dass die abgeleitete Energie in Wärme umgesetzt wird. Dies wirkt sich in eine zusätzliche Erwärmung und Herabsetzung des Gesamtwirkungsgrades der Schaltung aus. Die Figuren zeigen eine Teilschaltung für ein Schaltnetzteil 1. Es ist gezeigt, die zentrale Energieversorgung 2 mit einem Übertrager L2, welcher auf seiner Sekundärseite eine Diode D3 und einen Kondensator C3 aufweist, und dessen Primärteil in Reihe mit einem MOSFET-Schalttransistor Tl, einem ohmschen Widerstand Rm und der Eingangskapazität C2 eines Verbrauchers geschaltet ist. Das eigentliche erfindungsgemäße Entlastungsήetzwerk 3 wird gebildet, durch den Kondensator Cl ₅ die Dioden Dl und D2 und die Drossel Ll. Wie diese Bauteile miteinander verschaltet sind, ist dem schematischen Schaltbild entnehmbar. Der Dreipol wird aufgrund seiner Zusammensetzung als DLC-Netzwerk bezeichnet.

Die Funktionsweise dieses DLC-Netzwerkes wird nun beschrieben:

Figur 1 zeigt den Pfad 4 des Ladestromes, der sich einstellt, sobald der Transistor Tl abschaltet. Die im Abschaltmoment, also nach Beendigung des aktiven

Einspeisevorgangs durch die in der Streuinduktivität des Übertragers L2 gespeicherte

Energie an Tl entstehende Selbstinduktionsspannung wird über den Kondensator Cl und die Diode Dl abgebaut, indem der resultierende Strom den Kondensator Cl auflädt. Die Selbstinduktionsenergie wird demnach im Kondensator Cl zwischengespeichert.

Figur 2 zeigt den Strompfad 4 während der nächsten Einschaltphase von Tl. Hier wird das an der Drain des Feldeffektransistors Tl vorhandene Potential, unter der

Vernachlässigung geringer Spannungsabfälle an Rm, auf das Anodenpotential der

Diode D2 gelegt. Dies hat zur Folge, dass nun das Drosselpotential Ll am

Verbindungspunkt 5 zum Kondensator Cl geringer ist, als an der Anode der Diode D2.

Die Diode D2 wird folglich leitend und die am Kondensator Cl anliegende Spannung verursacht einen Strom in der Drossel Ll. Die im Kondensator Cl gespeicherte Energie wird hierbei auf die Drossel Ll übertragen.

Figur 3 zeigt den Strompfad 4 bei erneuter Beendigung des Einschaltvorgangs von Tl. Der Abbau der daraus resultierenden Selbstinduktionsspitze erfolgt wie bereits weiter oben beschreiben. Nach Abbau der Selbstinduktionsspitze befindet sich das Anodenpotential der Diode Dl bedingt durch die Ladung des Kondensators Cl auf niedrigerem Niveau als ihr Kathodenpotential. Die Diode Dl ist folglich gesperrt. Da durch den ebenfalls gesperrten Transistor Tl ein Freilauf nicht erfolgen kann, steht als einziger Strompfad nur noch der Weg 4 über den Kondensator Cl, den Übertrager L2, die Drossel Ll und die Diode Dl sowie die Eingangskapazität C2 der anschließbaren Last zu Verfügung. Dies hat zur Folge, dass der Kondensator Cl weiter entladen und die Eingangskapazität C2 einer ggf. angeschlossenen Last geladen wird. Die gespeicherte Energie wird somit der Last zugeführt und nicht wie im Stand der Technik gezeigt in Wärme umgewandelt.

Das Tastverhältnis für das Ein- bzw. Ausschalten des _. Transistors spielt nur eine untergeordnete Rolle, da sich bei Änderung des Puls- zu Pausenverhältnisses sofort die Spannung über dem Kondensator Cl und damit die treibende Spannung der Drossel Ll ändert. Verändert sich z.B. die Pulsbreite von maximaler Einspeisedauer zu kleineren Werten, so wird zunächst weniger Energie in der Drossel Ll eingespeichert. Dies hat im Freilauf die Folge, dass der Kondensator Cl weniger entladen wird, die Spannung am

Kondensator Cl steigt bei der nächsten Induktionsspitze an. Beim nächsten Einschalten liegt dann eine höhere treibende Spannung an der Drossel Ll, erhöht damit die Stromanstiegsgeschwindigkeit und somit die gespeicherte Energie. Der Kondensator Cl wird ' wiederum beim nächsten Freilauf durch den höheren Drosselstrom stärker entladen, die Kondensatorspannung sinkt folglich wieder ab. Das DLC Eritlastungsnetzwerk besitzt demnach ein Eigenregelverhalten und ist somit annähernd unabhängig vom Tastverhältnis des zu entlastenden Schaltnetzteiles.

Mit folgenden Bauteildimensionierungen wurde das DLC-Netzwerk für den Einsatz in einer bestimmten Ausgestaltungsform gewählt:

- Drossel 100μH / 0,5A

- Dioden STPR 200V / IA

- Multilayer Keramikkondensator 4,7μF / 50V