DE10218455A1

DE10218455A1 - Sperrwandleranordnung

Info

Publication number: DE10218455A1
Application number: DE2002118455
Authority: DE
Inventors: Andreas Kreitz; Andreas Nagel; Jochen Mast
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-11-06
Also published as: WO2003092147A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sperrwandleranordnung, die mehrere Übertrager (T1 bis TN) enthält, wobei die Primärwicklungen (P1 bis PN) der Übertrager (T1 bis TN) elektrisch in Reihe geschaltet und über einen gesteuerten Schalter (S) mit einer Gleichspannungsquelle (GQ) verbunden sind, und an Sekundärwicklungen (S1 bis SN) der Übertrager (T1 bis TN) jeweils ein Gleichrichter (D1 bis DN) mit Ausgangskondensatoren (C1 bis CN) sowie ein Ausgangsspannungsregler (SR1 bis SRN) angeschlossen sind. Vorzugsweise enthalten die Übertrager (T1 bis TN) jeweils einen Ferrit-Ringkern (RK1 bis RKN), der die jeweilige Sekundärwicklung (S1 bis SN) trägt, wobei die Reihenschaltung der Primärwicklungen (P1 bis PN) als eine durch alle Ferrit-Ringkerne (RK1 bis RKN) geführte hochspannungsisolierte Leiterschleife (SL) ausgeführt ist.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Sperrwandleranordnung, die insbesondere geeignet ist zur Stromversorgung von sogenannten Gate-Units, also Ansteuereinheiten zur Steuerung von Leistungs-Halbleiterschaltern in Hochspannungs-Schaltern oder Konvertern, in denen mehrere Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind. Neben der Stromrichtertechnik sind auch beispielsweise Staubabscheider zur Rauchgasreinigung oder Hochspannungspulsanwendungen in der Lebensmittel- und Medizintechnik potentielle Anwendungsgebiete. Dabei sind in solchen Hochspannungsanordnungen MOSFETs und IGBTs die typischen verwendeten, elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter, wobei für die Stromversorgung der Ansteuereinheiten eine Potentialtrennung bei großen Spannungsunterschieden benötigt wird.
Stand der Technik ist die Versorgung der Ansteuereinheiten durch jeweils einzelne Stromversorgungseinrichtungen mit hoher Potentialtrennung, entweder

a) mittels an einen Niederspannungs-AC-Bus parallel angeschlossenen hochisolierenden Transformatoren, meistens in 50 Hz-Technik, oder
b) mittels an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossenen, eingangsspannungsseitig parallelgeschalteten separaten hochisolierenden DC/DC-Wandlern.

Nachteile der bekannten Anordnungen sind im Fall der Variante a), daß Transformatoren in der typischen 50 Hz-Technik voluminös, schwer und teuer sind, und der Montageaufwand erheblich ist.
Bei den Varianten a) und b) ergeben sich Probleme mit Isolation/Kriechstrecken, da der Versorgungs-AC- respektive DC-Bus bis zu jeder Schalterstufe geführt und dort angezapft werden muß.
In der Hochleistungs-Stromrichtertechnik, insbesondere wenn eine Reihenschaltung von Leitungsschaltelementen zum Einsatz kommt, bestehen erhöhte Anforderungen an die Isolation verwendeter Transformatoren in den jeweiligen Ansteuerungen und insbesondere auch an deren parasitäre kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis. Diese Kopplung muß unbedingt sehr niedrig sein, um Beeinflussungen der Elektronik auf den Gate-Units durch Lade-/Entladeströme der parasitären Koppelkapazitäten zu vermeiden. Nach dem Stand der Technik werden deshalb vergossene Übertrager eingesetzt, um den Isolationsanforderungen gerecht zu werden. Diese besitzen in der Regel aber eine unerwünscht hohe parasitäre Koppelkapazität, insbesondere wenn es sich um Transformatoren in 50 Hz-Technik handelt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zur Stromversorgung von auf unterschiedlichem Hochspannungspotential befindlichen Verbrauchern geeignete Anordnung anzugeben, mit der sowohl hohen Anforderungen an die Potentialtrennung, als auch an eine kleine Koppelkapazität entsprochen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Sperrwandleranordnung gelöst, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird demnach eine Sperrwandleranordnung vorgeschlagen, die mehrere Übertrager enthält, wobei ein Primärkreis mit einer Reihenschaltung der Primärwicklungen der Übertrager, einem gesteuerten Schalter und einer Gleichspannungsquelle gebildet ist. An die Sekundärwicklungen der Übertrager sind jeweils Gleichrichter, Ausgangskondensatoren und ein Ausgangsspannungsregler angeschlossen.

Die Übertrager enthalten vorzugsweise jeweils einen Ferrit-Ringkern, der die jeweilige Sekundärwicklung trägt, wobei die Reihenschaltung der Primärwicklungen als eine durch alle Ferrit-Ringkerne geführte hochspannungsisolierte Leiterschleife ausgeführt ist.

Vorteilhaft ist der zur Realisierung der Sperrwandleranordnung erforderliche geringe Aufwand. Die Sperrwandleranordnung ist dadurch insbesondere für Hochspannungs- Stromrichter mit einer großen Anzahl in Reihe geschalteter Einzelelemente geeignet, da die Anzahl der den einzelnen Gate-Units zugeordneten Bauelemente der Sperrwandleranordnung minimal ist. Die Übertrager sind kleinvolumig und können direkt auf die übliche Leiterplatte der Gate-Units montiert werden.

Einer der Vorteile besteht weiterhin darin, daß Probleme mit Kriechstrecken nicht auftreten, da der Primärkreis nicht aufgetrennt und angezapft werden muß. Durch eine besonders günstige Ausführung des Primärkreises und der Übertrager wird auch eine sehr geringe parasitäre Koppelkapazität erzielt.

Zur Versorgung von Ansteuerschaltungen werden in der Regel stabilisierte positive und negative Spannungen benötigt. Mit der vorgeschlagenen Anordnung ist die Erzeugung solcher Versorgungsspannungen auf besonders einfache Weise möglich. Durch sekundärseitig unterschiedliche Windungszahlen oder Zusatzwicklungen können auch unterschiedlich hohe Ausgangsspannungen erzeugt werden.

Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipschaltung der Schaltnetzteilanordnung,
Fig. 2 eine bevorzugte Anordnung der Schaltnetzteilübertrager mit Ringkernen und einer primärseitigen Leiterschleife,
Fig. 3 Schaltungsdetails einer ersten Variante der Sperrwandleranordnung,
Fig. 4 Schaltungsdetails einer zweiten Variante der Sperrwandleranordnung, und
Fig. 5 Schaltungsdetails einer dritten Variante der Sperrwandleranordnung.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung der vorgeschlagenen Sperrwandleranordnung. Die Anordnung enthält mehrere Übertrager T1, T2 bis TN, mit jeweiligen Primärwicklungen P1, P2 bis PN, Sekundärwicklungen S1, S2 bis SN und Übertragerkernen ÜK1, ÜK2 bis ÜKN. Eine Reihenschaltung der Primärwicklungen P1, P2 bis PN bildet einen Primärkreis, in dem ein Primärstrom i_pri fließt, den eine Gleichspannungsquelle GQ mit der Gleichspannung V_DC liefert.
Die Sekundärseiten enthalten jeweils Gleichrichterdioden D1, D2 bis DN (Dx), sowie jeweils einen Spannungsregler SR1, SR2 bis SRN (SRx).
Der primärseitige Schalter S wird über eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert (also nicht geregelt), vorzugsweise mit einer hohen Schaltfrequenz. Die Anordnung stellt einen im Lückbetrieb (discontinuous conduction mode DCM) arbeitenden current-mode Flyback-Konverter dar. Bei einem solchen Konverter sind die Vorgänge Energiespeicherung und -übertragung vollkommen getrennt, d. h. ein neuer Schaltzyklus wird erst eingeleitet, wenn alle Speicherübertrager vollständig abmagnetisiert sind und damit die sekundärseitigen Ströme auf Null abgefallen sind. Die Philosophie hinter diesem Konzept ist, den für alle Übertrager gleichen Primärstrom ipri auf einen bestimmten, festen Wert ansteigen zu lassen und damit bei jedem Schaltzyklus in jedem der Übertrager eine konstante Energie

zu speichern. In der Flybackphase werden die Übertrager über deren Sekundärseiten alle vollständig abmagnetisiert und die Energie in die jeweiligen Ausgangskondensatoren C1, C2 bis CN (Cx) übertragen. Da ein Flyback-Übertrager Energie speichern muß, ist hier normalerweise ein Kern mit Luftspalt zu verwenden; dieser Luftspalt reduziert gleichzeitig die Toleranz der Primärinduktivität L_pri, so daß man von nahezu gleichen Impedanzen an den Klemmen der Primärwicklung ausgehen kann. Das ist für die korrekte Funktion der Anordnung wichtig, denn nur damit wird garantiert, daß auch wirklich auf jeder Stufe die gewünschte Energie gespeichert werden kann.
Es versteht sich, daß ein solches Konzept impliziert, daß die gesamte pro Schaltzyklus übertragene Energie auch während dieser Zeitdauer verbraucht wird, ansonsten würde die Ausgangsspannung ansteigen. Als Spannungsregler SRx werden daher Querregler (Shuntregler) eingesetzt, die die überschüssige, von der am jeweiligen Ausgang angeschlossenen Last nicht benötigte Leistung in Wärme umsetzen. Eine solche Anordnung ist deshalb besonders vorteilhaft zur Speisung der Gate-Units in Hochspannungs-Halbleiterschaltern geeignet, die aus einer größeren Anzahl in Reihe geschalteter Einzelschaltelemente aufgebaut sind: Der Leistungsbedarf der einzelnen Gate-Units ist hierbei nämlich, bis auf unvermeidliche Toleranzen, gleich. Wesentlich für die in den Spannungsreglern SRx anfallende Verlustleistung sind daher die Toleranzen der Primärinduktivität Lpri; Diese Toleranzen sind nach Möglichkeit zu minimieren.
Die Erzeugung mehrerer positiver oder negativer Ausgangsspannungen ist, wie aus der Literatur bekannt ist, durch das Flyback-Prinzip besonders einfach möglich. Dabei ist pro Übertrager nur an einer einzigen Wicklung ein Spannungsregler notwendig.
Die Übertrager Tx können besonders vorteilhaft als Stapel ausgeführt werden, wie in Fig. 2 schematisiert dargestellt ist. Dabei sind die Übertragerkerne ÜK1, ÜK2 bis ÜKN als Ferrit-Ringkerne RK1 bis RKN ausgeführt, die jeweils eine Sekundärwicklung S1 bis SN tragen. Die erforderliche Reihenschaltung von Primärwicklungen ist als Leiterschleife SL ausgeführt, die durch alle Kernöffnungen geführt und über einen - in Fig. 2 nicht dargestellten - Schalter an die - in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellte - Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Die nötige Potentialtrennung kann durch den Ringkerninnendurchmesser, die Isolationsbeschaffenheit, z. B. durch Wahl von Material, Dicke und halbleitende Beschichtung des für die Bildung der Primärwicklung als Leiterschleife SL verwendeten Kabels eingestellt werden.
Eine erste Ausführungsvariante ist in Fig. 3 dargestellt. Im Primärkreis steuert dabei ein Standard-PWM-Schaltkreis einen Leistungsschalter S (vorzugsweise MOSFET oder IGBT) mit einem PWM-Signal an. Beim Erreichen des hier beispielhaft mit einem Potentiometer R eingestellten Spitzenstromes Imax im Primärkreis schaltet der Leistungsschalter S ab. Die Strommessung ist hier beispielhaft mittels eines Shuntwiderstandes R_cs ausgeführt. Die sekundärseitigen Spannungsregler SRx sind hier auf einfachste Weise als Zener-Dioden DZ1, DZ2 bis DZN ausgeführt. Es ist auch jede andere Art von Querregler, wie sie in der Literatur in großer Vielfalt beschrieben sind, einsetzbar. Beispielhaft sind hier außerdem Mittel Z1 bis ZN, D1- bis DN-, sowie C1- bis CN- für die Erzeugung einer zusätzlichen negativen Ausgangsspannung pro Übertrager Tx dargestellt; wesentlich ist, daß nur an jeweils einer einzigen Ausgangsspannung pro Kern ÜK1 bis ÜKN ein Spannungsregler eingesetzt ist.
Eine zweite Ausführungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt. Mit dieser Variante läßt sich vermeiden, daß bei Einsatz der Übertrageranordnung nach Fig. 2 in die Ringkerne ein Luftspalt eingebracht werden muß (ein produktionstechnisch eher aufwendiger Vorgang). Vielmehr können preisgünstige Standard-Ferritkerne mit hoher Permeabilität eingesetzt werden; die Energiespeicherung erfolgt bei diesem Prinzip in den sekundärseitigen Drosselspulen L1 bis LN (Lx), die jeweils den Sekundärwicklungen S1 bis SN parallel geschaltet sind. Neben zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Dimensionierung (in der ersten Variante können sich, bedingt durch die feste Primärwindungszahl von Npri = 1, schlecht realisierbare Luftspaltmaße ergeben) lassen sich solche Drosseln Lx auch sehr leicht mit den geforderten Induktivitätstoleranzen herstellen.
Eine dritte Ausführungsvariante zeigt Fig. 5. Dabei sind die Übertrager Tx jeweils mit mehreren, z. B. drei Sekundärwicklungen, z. B. S1a, S1b und S1c, angeordnet. Mit dieser dritten Variante können zwei oder mehrere Gate-Units mittels einem Übertrager, z. B. T1 gespeist werden. Ein Vorteil dieser Anordnung ist somit die reduzierte Zahl der Übertrager (die allerdings entsprechend mehr Sekundärwicklungen besitzen müssen) sowie der nur eine Spannungsregler SRx pro Übertrager, da pro Übertrager überhaupt nur ein Regler eingesetzt werden darf. Die nicht direkt geregelten Ausgänge werden durch das Flyback-Prinzip mitgeregelt. Interessant ist außerdem eine Kombination der Ausführungen gemäß der Fig. 4 und 5, da auch nur eine Drossel Lx pro Übertrager Tx benötigt wird.

Claims

1. Sperrwandleranordnung, die mehrere Übertrager (T1 bis TN) enthält, wobei die Primärwicklungen (P1 bis PN) der Übertrager (T1 bis TN) elektrisch in Reihe geschaltet und über einen gesteuerten Schalter (S) mit einer Gleichspannungsquelle (GQ) verbunden sind, und an Sekundärwicklungen (S1 bis SN) der Übertrager (T1 bis TN) jeweils ein Gleichrichter (D1 bis DN) mit Ausgangskondensatoren (C1 bis CN), sowie ein Ausgangsspannungsregler (SR1 bis SRN) angeschlossen sind.

2. Sperrwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertrager (T1 bis TN) jeweils einen Ferrit-Ringkern (RK1 bis RKN) aufweisen, der die jeweilige Sekundärwicklung (S1 bis SN) trägt, und die Reihenschaltung der Primärwicklungen (P1 bis PN) als eine durch alle Ferrit-Ringkerne (RK1 bis RKN) geführte hochspannungsisolierte Leiterschleife (SL) ausgeführt ist.

3. Sperrwandleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Übertrager (T1 bis TN) eine sekundärseitige Zusatzwicklung zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung trägt.

4. Sperrwandleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Sekundärwicklung (S1 bis SN) der Übertrager (T1 bis TN) jeweils eine Drosselspule (L1 bis LN) parallel geschaltet ist.

5. Sperrwandleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je Übertrager (T1 bis TN) jeweils mehrere Sekundärwicklungen (z. B. S1a, S1b, S1c bis SNa, SNb, SNc) sowie zugehörige Mittel (D, C) zur Bildung mehrerer positiver oder auch negativer Ausgangsspannungen angeordnet sind.

6. Sperrwandleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur potentialgetrennten Stromversorgung der Ansteuereinrichtungen von in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterbauelementen verwendet ist.