DE102004038534A1

DE102004038534A1 - Verlustarmer Spannungsteiler, insbesondere für Zwischenkreise

Info

Publication number: DE102004038534A1
Application number: DE102004038534A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Lamparter
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-03-16
Also published as: WO2006015713A1

Abstract

Spannungsteiler 1 mit einer zwischen den Potentialen P1, P2 einer Betriebsspannungsquelle angeordneten Reihenschaltung von Kapazitäten C1, C2, der eine verlustarme und kostengünstige Realisierung herbei führt, wobei zwischen den Potentialen P1, P2 der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren T1, T2 entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen G angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen T1, T2 ein Mittelabgriff M2 befindet und jeweils parallel zu einem Leitungstyp T1, T2 eine Kapazität C1, C2 geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Mittelabgriff M2 der Leitungstypen T1, T2 und dem Mittelabgriff M3 der Kapazitäten C1, C2 besteht, wobei die Leitungstypen T1, T2 so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp T1 den parallel zum zweiten Leitungstyp T2 geschalteten Kondensator C2 lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp T2 den parallel zum ersten Leitungstyp T1 geschalteten Kondensator C1 lädt und die Steuereingänge G mittels des Steuerpotentials P angesteuert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsteiler, insbesondere zur Kompensation von Leckstrom bei Kondensatoren in Zwischenkreisen für Antriebssysteme, der eine verlustarme Dimensionierung aufweist.
Es ist bekannt Spannungsteiler, beispielsweise mittels einer Reihenschaltung von ohmschen Widerständen zu realisieren. Der Mittelabgriff zwischen den Widerständen liefert relativ zum Bezugspotential eine Spannung, welche je nach Dimensionierung und Anzahl der Widerstände der halben Betriebsspannung entsprechen kann. Dieser Anordnung könnten Kondensatoren parallel geschaltet werden, um diese mit einer symmetrischen Spannung zu versorgen und Leckströme auszugleichen. Dies wird in Verbindung mit Zwischenkreiskondensatoren zur Spannungssymmetrierung und zum Ausgleich von Leckströmen bereits so praktiziert.
Aufgrund der zu wählenden und relativ niederohmigen Widerstände tritt bei dieser Anordnung jedoch ein nicht mehr vernachlässigbarer Querstrom auf, was zu einer erhöhten Verlustleistung und einer großen Anzahl von Bauteilen führt, um die Verlustleistung zu verteilen. Dies erhöht ebenfalls ggf. den Kühlaufwand und die Fertigungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine wenig störanfällige symmetrische Spannungsversorgung für zwischen den Potentialen einer Betriebsspannungsquelle angeordnete Kapazitäten zu schaffen, welche die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine verlustarme und kostengünstige Realisierung ermöglicht

Eine sehr einfache und billige, insbesondere für die Massenfertigung geeignete Lösung, lässt sich nach dem Vorschlag der Erfindung dadurch erzielen, dass zwischen den Potentialen der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen ein Mittelabgriff befindet und dass jeweils parallel zu einem Leitungstyp eine Kapazität geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Mittelabgriff der Leitungstypen und dem Mittelabgriff der Kapazitäten besteht, wobei die Leitungstypen so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp den parallel zum zweiten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp den parallel zum ersten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und die Steuereingänge mittels des Steuerpotentials angesteuert sind.

Durch den Einsatz von aktiven Bauelementen -also Transistoren- kann die Erfindung preisgünstig realisiert und in großen Stückzahlen einfach hergestellt werden, da es sich hier um Standardkomponenten der Schaltungstechnik handelt. Wegen des gemeinsamen Steuereinganges der zueinander komplementären Transistoren können beide unter Verwendung einer einzigen Steuerspannung alternierend leitend geschaltet werden, was den Bauteileaufwand reduziert und einen permanenten Querstrom zwischen den Betriebsspannungspotentialen vermeidet, da nur noch der Leckstrom der nachgeschalteten Kondensatoranordnung kompensiert wird. Eine geringe Störanfälligkeit ist durch die Auswahl qualitativ hochwertiger Bauteile und wegen der geringen Komplexität der Schaltung einfach realisierbar ohne nennenswerte Einbußen bzgl. der Kostenersparnis herstellbar.

Eine einfache Möglichkeit weiter Kosten einzusparen ist dadurch erreichbar, dass das Steuerpotential aus der Betriebsspannungsquelle abgeleitet wird. Eine zusätzliche Spannungsquelle wird damit überflüssig.

Besonders preiswert lässt sich das Steuerpotential mittels eines aus hochohmigen Widerständen realisierten Spannungsteilers realisieren, wobei zumindest zwei in Reihe geschaltete, hochohmige Widerstände mit Mittelabgriff zwischen den zwei Widerständen, zwischen dem Potential der Betriebsspannung angeordnet sind und am Mittelabgriff das Steuerpotential liefern.

Um die Leistungsverluste der Anordnung weiter zu reduzieren verwendet man vorzugsweise Feldeffekttransistoren, insbesondere selbstsperrende N- und P-MOSFETs, die praktisch leistungslos angesteuert werden können.

Durch die Verwendung von Transistoren mit Sperrspannungen in einer Größenordnung um 400 Volt lässt sich die Schaltungsanordnung auch in der Leistungselektronik verwenden und damit beispielsweise auf das Anwendungsfeld Antriebstechnik ausweiten. Selbstverständlich ist die Schaltung auch für Zwecke geeignet, wo wesentlich geringere Ströme und Spannungen auftreten. Die 400 Volt stellen hier eher eine Obergrenze des zur Zeit Machbaren dar. Bei geeignetem Halbleitermaterial mit entsprechend höheren Sperrspannungen ließen sich aber auch Anwendungsfelder mit wesentlich höheren Strömungen und Spannungen abdecken.

Zweckmäßig verwendet man integrierte Transistoren mit gemeinsamen Substrat zur Einsparung von Bauteilen und Platz, der sich durch zusätzliche Integration des zuvor genannten hochohmigen Spannungsteilers aus Widerstandsanordnung noch weiter optimieren ließe.

Besonders in der Antriebstechnik herrscht im Rahmen der Miniaturisierung und Zusammenfassung von Komponenten häufig Bedarf an möglichst geringen Abmessungen, um auch noch letzte Hohlräume beispielsweise innerhalb von Antriebskomponenten ausnutzen zu können. Daher käme die Erfindung vorteilhaft zur Anwendung innerhalb eines Frequenzumrichters, eines elektrischen Antriebssystems (Motor, Antriebsregler, Antriebssteuerung), oder eines Wechselrichters. Hierbei insbesondere zur Stabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises.

Der Freiheitsgrad beim Design und der Konstruktion von Gehäusen für elektrische Geräte/Maschinen ist oftmals wegen der physikalischen Eigenschaften elektronischer Schaltungen bzw. der erforderlichen Wärmeabfuhr stark eingeschränkt. Ordnet man den Spannungsteiler innerhalb eines Gehäuses so an, dass er nicht oder nur teilweise von der Gehäuseinnenraumkühlung erfasst ist – was aufgrund der erfindungsgemäßen geringen Leistungsverluste nun ohne Weiteres möglich ist – so kann man den Freiheitsgrad in erheblichem Maße erhöhen und den gekühlten Innenraum zur Unterbringung von Platinen mit höheren Leistungsverlusten verwenden.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung 1 erläutert. 1 zeigt einen Gleichspannungszwischenkreis zur Sicherstellung einer symmetrischen Spannung mittels der erfindungsgemäßen Lösung. Die erfindungsrelevanten elektrischen Bauteile sind hier nur schematisch ohne Dimensionierung gezeigt. Für eine konkrete Anwendung muss dann eine entsprechende Dimensionierung, die z.B. von der Höhe der Betriebsspannung abhängig ist, gewählt werden.
Es sind gezeigt ein erster, sehr hochohmiger und rein ohmscher Widerstand R1, ein zweiter identischer Widerstand R2, ein erster selbstsperrender n-MOSFET T1 und ein zweiter selbstsperrender p-MOSFET T2 mit jeweils Gate G, Drain D und Source S, zwei baugleiche und von ihrer Kapazität her identische Elektrolytkondensatoren Cl und C2, die Mittelabgriffe M1 bis M3, die Betriebsspannungspotentiale P1, P2 und das Steuerpotential P. Alle Bauteile zusammen bilden den Spannungsteiler 1.
Die Widerstände R1 und R2 bilden einen hochohmigen Spannungsteiler zur Erzeugung des Steuerpotentials an ihrem Mittelabgriff M1. Die beiden Transistoren T1 und T2 bilden einen einstufigen, komplementären Impedanzwandler, welcher sein Eingangspotential an M1 hochohmig auf den Ausgang M2 abbildet. Die MOSFETS können leistungslos angesteuert werden, d.h. ein Steuerstrom ist im Prinzip nicht erforderlich und es genügt eine einfache Steuerspannung. Dies ist ein besonders nützlicher Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung, weil hierdurch -wie in der Aufgabenstellung auch gefordert- die Leistungsverluste deutlich minimiert werden können.
Damit die Kondensatoren C1, C2 abhängig von der Steuerspannung geladen werden, muss der Drainanschluß des n-MOSFETs an das Potential P1 und der Drain-Anschluß des p-MOSFETS an das Potential P2 angeschlossen werden. Die Source-Anschlüsse von T1 und T2 sind miteinander gekoppelt und bilden den Mittelabgriff M2 zwischen dem n- und p-Kanal von T1 bzw. T2. Die beiden Gate-Anschlüsse sind ebenfalls miteinander verbunden und bilden den Steuereingang des Impedanzwandlers.
Die Reihenschaltung aus den Kapazitäten C1 und C2 stellt ebenfalls einen Spannungsteiler mit Mittelabgriff M3 zwischen den Verbindungsstellen zwischen C1 und C2 dar. In der erfindungsgemäßen Schaltung sind M1, M2 und M3 miteinander verbunden, wobei alle Komponenten zwischen den Potentialen P1 und P2 einer identischen Betriebsspannung angeordnet sind. Die Schaltung besteht demnach aus der parallelen Anordnung von in Reihe geschalteten aktiven und passiven Bauteilen.
Die Schaltung arbeitet wie folgt. Sobald sich das Potential an M2 gegenüber M1 aufgrund von Leckströmen ändert (verringert oder erhöht) wird entweder T2 oder T1 leitend und es kann ein Ladestrom durch einen der Transistoren den Leckstrom ausgleichen. Wegen der nahezu leistungslosen Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 über den hochohmigen Spannungsteiler R1 und R2 verringert sich die Verlustleistung im System deutlich im Vergleich mit der ursprünglichen Lösung, welche keine aktiven Bauteile umfasste. Bei der Verwendung in 800 Volt – Gleichspannungszwischenkreisen lassen sich die Verluste reduzieren. Bei derart hohen Gleichspannungen müssen allerdings Feldeffekttransistoren mit hoher Spannungsfestigkeit von mindestens 400 Volt pro FET gewählt werden. Allgemein formuliert reduzieren sich die Verluste um den Faktor, um den der sonst übliche Querstrom durch die vormals niederohmige Anordnung von R1 und R2 reduziert wurde. Dieser Faktor liegt abhängig vom Kondensatortyp bei 5 bis 10.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die komplementäre Transistorstufe auch durch mehrstufige Anordnungen ersetzt werden kann, so dass anstelle von zwei Transistoren T1, T2 weitere Transistoren zum Einsatz kommen. Ob dies erforderlich ist wird letztlich durch die Last, hier die nachfolgenden Kapazitäten, bestimmt.
Geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für alle Anordnungen, wo eine symmetrische Gleichspannung erzeugt werden muss und nur ein geringer Platzbedarf bei wenig Verlusten gefordert ist.

1: Erfindungsgemäßer Spannungsteiler
R1, R2: identische, hochohmige, rein ohmsche Widerstände
T1: n-MOSFET
T2: p-MOSFET
C1, C2: identische Elektrolytkondensatoren
P1, P2: Potentiale der Betriebsspannung
P: Steuerpotential
M1, M2, M3: Mittelabgriffe der Bauteilanordnungen
G: Gate
S: Source
D: Drain

Claims

Spannungsteiler, insbesondere für Gleichspannungszwischenkreise in Antriebssystemen, mit einer zwischen den Potentialen einer Betriebsspannungsquelle angeordneten Reihenschaltung von Kapazitäten mit Mittelabgriff zwischen zwei Kapazitäten und einem Steuerpotential am Mittelabgriff, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen den Potentialen (P1, P2) der Betriebsspannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Transistoren (T1, T2) entgegengesetzten Leitungstyps mit verbundenen Steuereingängen (G) angeordnet sind, wobei sich zwischen den Leitungstypen ein Mittelabgriff (M2) befindet, – dass jeweils parallel zu einem Leitungstyp eine Kapazität (C1, C2) geschaltet ist, indem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Mittelabgriff (M2) der Leitungstypen und dem Mittelabgriff der Kapazitäten (M3) besteht, – die Leitungstypen so angeordnet sind, dass ein elektrischer Strom im ersten Leitungstyp den parallel zum zweiten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt und ein elektrischer Strom im zweiten Leitungstyp den parallel zum ersten Leitungstyp geschalteten Kondensator lädt, – die Steuereingänge (G) mittels des Steuerpotentials (P) angesteuert sind,
Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerpotential (P) aus der Betriebsspannungsquelle (P1, P2) abgeleitet ist.
Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete, hochohmige Widerstände (R1, R2) mit Mittelabgriff (M1) zwischen den Widerständen (R1, R2) zwischen dem Potential der Betriebsspannung (P1, P2) angeordnet sind und am Mittelabgriff (M1) das Steuerpotential (P) liefern.
Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1, T2) Feldeffekttransistoren sind, vorzugsweise selbstsperrende N- und P-MOSFETs.
Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1, T2) eine Sperrspannung in einer Größenordnung um 400 Volt aufweisen.
Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um integrierte Transistoren (T1, T2) mit gemeinsamen Substrat handelt.
Spannungsteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (R1, R2) gemäß Anspruch 3 zusammen mit den Transistoren integriert ist.
Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (C1, C2) eine annähernd identische Größenordnung aufweisen.
Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese von einem Frequenzumrichter oder einem elektrischen Antriebssystem, oder einem Wechselrichter umfasst ist.
Spannungsteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler innerhalb eines Gehäuses so angeordnet ist, dass er nicht oder nur teilweise von der Gehäuseinnenraumkühlung erfasst ist.