DE2640354A1 - Dynamische strombegrenzungsschaltung - Google Patents

Description

5600159 Ge 6. September 1976

HONEYWELL INFORMATION SYSTEMS ITALIA S.p.A.

Caluso

Dynamische Strombegrenzungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine dynamische Strombegrenzungsschaltung für ein Netzgerät mit einem Leistungs-Schalttransistor, einer Freilaufdiode und einem aus Kondensator und Spule bestehenden, die geregelte Gleichspannung abgebenden Filter.

Es sind geregelte Spannungsversorgungsschaltungen bekannt, bei denen ein Halbleiterelement in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen den Stromkreis öffnet und schließt, wobei das Öffnungs/Schließungsverhältnis des Schalters die pro Zeiteinheit übertragene Energiemenge festlegt. Aus einer nicht stabilisierten Gleichspannungsquelle wird auf diese Weise am Ausgang der Schaltung eine geregelte Gleichspannung gewonnen. Die übliche Leistungsstufe einer stabilisierten Spannungsversorgungsschaltung benutzt üblicherweise wenigstens einen Leistungstransistor als Schalteinrichtung. Dieser Transistor, der vom npn-Typ sein mag, ist mit seinem Kollektor an die positive Klemme einer nicht regulierten Spannung und mit seinem Emitter an die Kathode einer Kommutierungsdiode angeschlossen, die auch als Freilaufdiode bezeichnet wird, während die Anode dieserDiode an die negative Klemme der ungeregel- · ten Gleichspannung angeschlossen ist. Parallel zu der Freilaufdiode ist ein Filter angeordnet, das aus einer Spule und einem

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Kondensator besteht und an dessen Ausgang die mit der geregelten Spannung zu versorgende Last angeschlossen ist. Die Basis des Leistungstransistors wird von einem geeigneten Treiberschaltkreis angesteuert. In der zuvor erwähnten bekannten Schaltungsanordnung wird der Schalttransistor durch das Ausgangssignal des Treiberschaltkreises , welcher periodisch auftretende Ansteuerimpulse liefert, abwechselnd in den stromführenden und den nicht leitenden Zustand gesteuert. Hierdurch wird abwechselnd ein Strom durch die Spule des Filters geschickt. Die Freilaufdiode hat hierbei die Aufgabe, einen Strom durch die Spule während der Zeit zu erzeugen, in der der Schalttransistor ausgeschaltet ist, d.h. den Strom zwischen dem Transistor und der Freilaufdiode zu kommutieren, wobei der Wert des Stromes als mittlerer Wert zwischen dem minimalen durch die Spule entsprechend der Anstiegsflanke des Treiberimpulses fließenden Strom und dem maximalen aufgrund der Hinterflanke des Treiberimpulses durch die Spule fließenden Strom gegeben ist. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung können jedoch Stromspitzen mit großer Amplitude auftreten, wenn der Schalttransistor vom nicht leitenden Zustand in den stromführenden Zustand umgeschaltet wird. Diese Stromspitzen werden durch die Tatsache verursacht, daß die Freilaufdiode hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit kein ideales Element darstellt. In Wirklichkeit tritt bei der Diode ein Phänomen auf, das als Minoritätsträgeraustrag bezeichnet wird und bedeutet, daß nach einer Stromführung in Durchlaßrichtung die nunmehr umgekehrt gepolte Diode für eine kurze Zeitspanne TR, die als Erholzeit bezeichnet wird, nahezu kurzgeschlossen ist. Daraus folgt, daß während dieser Erholzeit Stromspitzen mit hoher Amplitude in dem Schalttransistor auftreten und dem von dem Transistor gelieferten Gleichstrom überlagert werden. Diese Stromspitzen, die während der Erholzeit der Freilaufdiode auftreten, können sehr hohe Werte, beispielsweise bis zum fünffachen mittleren Strom durch den Transistor, erreichen. Es liegt auf der Hand, daß solche hohen Ströme den Schalttransistor der geregelten' Spannungsversorgungsschaltung überlasten und diesen zerstören können.

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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dynamische Strombegrenzungsschaltung für ein geregeltes Netzgerät mit einem Schalttransistor anzugeben, bei dem der Schalttransistor in jedem Fall gegenÜberlastung geschützt ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein dynamischer Strombegrenzungsschaltkreis vorgesehen, der einen Rückkopplungstransistor und eine Rückkopplungsspule von geeignetem Wert aufweist. Diese Komponenten sind in geeigneter Weise zwischen dem Leistungstransistor und der Freilaufdiode angeordnet. Der Rückkopplungstransistor steuert den Basisstrom des Schalttransistors in einer solchen Weise, daß jedesmal, wenn der Schalttransistor von dem "Aus"-Zustand in den "Ein"-Zustand geschaltet wird und normalerweise die hohen Stromspitzen auftreten würden, ein Teil des Basisansteuerstromes abgezweigt wird. Der Rückkopplungstransistor wird hierbei durch die über der Rückkopplungsspule abfallende Spannung gesteuert, wobei diese Spannung außer durch die Induktivität der Spule durch den zeitlichen Strpmanstieg festgelegt ist.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestell-

■ ten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers,

Figur 2 ein Diagramm von an verschiedenen Punkten der Schaltung gemessenen Strömen und
Figur 3 das Kennlinienbild eines Leistungstransistors.

Gemäß Figur 1 dient ein Leistungs-Schalttransistor 1 der Span- · nungsregelung. Dieser Transistor, beispielsweise vom npn-Typ ist mit seinem Kollektor an die positive Klemme der nicht geregelten

■ Spannungsquelle +V und mit seinem Emitter mit der Basis eines Rückkopplungstransistors 2, der ebenfalls vom npn-Typ sein mag,

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verbunden. Der Rückkopplungstransistor 2 ist ferner mit seinem Kollektor an die Basis des Schalttransistors 1 angeschlossen und ist somit parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors 1 geschaltet. Weiterhin ist zwischen der Basis und dem Emitter des Rückkopplungstransistors 2 eine Spule 3 angeordnet, die einen geeigneten Wert aufweist und zusammen mit dem Transistor 2 die dynamische Strombegrenzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bildet. Der Emitter des Rückkopplungstransistors 2 ist mit der Kathode einer Freilaufdiode 4 verbunden, während die Anode dieser Diode 4 mit der negativen Klemme der Spannungsversorgung V verbunden ist. Der Schaltkreis wird durch ein Filter 5 vervollständigt, das aus einer Spule und einem Kondensator besteht und das parallel zur Freilaufdiode 4 angeordnet ist. An den Ausgang des Filters 5 ist eine Last 6 angeschlossen. Der Leistungsschalttransistor 1 wird von geeigneten Stromimpulsen angesteuert, die über die Klemme I an die Basis des Schalttransistors 1 angelegt werden.

Gemäß Figur 2 ist in dem Diagramm(a) der Treiberstrom I dargestellt, der von einem nicht dargestellten Impulsgenerator an die Eingangsklemme I abgegeben wird. Mit "Ein" und "Aus" wird der Auftritt und das NichtVorhandensein dieser Impulse bezeichnet, wobei diesen Zuständen die stromführende und die nicht leitende Periode des Schalttransistors 1 zugeordnet ist.

In dem Diagramm (b) gemäß Figur 2 ist das Verhalten des durch die Freilaufdiode 4 fließenden Stromes I_n dargestellt. Der Wert dieses Stromes variiert zwischen einem Maximalwert I_DM und einem Minimalwert I_Dm· Der Maximalwert I_ßM tritt jeweils in den Zeitpunkten t_Q auf, die am Ende der Stromführungsperiode des Schalttransistors 1 liegen. Der Minimalwert I_D tritt jeweils zu den Zeitpunkten t₁ auf, die dem Ende der Stromführung der Freilaufdiode 4 und dem Beginn der Stromführung des Transistors 1 zugeordnet sind.

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Im Diagramm (c) gemäß Figur 2 ist der Verlauf des Stromes I_ durch den Leistungstransistor 1 dargestellt. Der Wert dieses Stromes variiert zwischen einem Minimalwert I_T zum Zeitpunkt t.. und einem Maximalwert I„_M zum Zeitpunkt t_Q.

Das Diagramm (d) gemäß Figur 2 zeigt den Verlauf des Stromes Ι_ durch die Spule des Filters. Der Wert dieses Stromes variiert zwischen einem Minimalwert I_ im Zeitpunkt t.. und einem Maximalwert I__M zum Zeitpunkt t_Q. Weiterhin stellt I_Q den Wert des Ausgangsstromes dar, der sich als Mittelwert zwischen den

Strömen I_T., und l_Tm ergibt.
LM Lm ^

Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ergibt sich folgende Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung: An die Basis des Leistungs-Schalttransistors 1 werden die Stromimpulse I angelegt, die in Form von Rechteckimpulsen einer Quelle entnommen werden. Das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit dieser Stromimpulse an der Basis des Transistors 1 bestimmt den stromführenden bzw. nicht leitenden Zustand dieses Transistors. Es sei angenommen, daß zum Zeitpunkt t_Q der Stromimpuls an der Basis des Transistors 1 gerade verschwindet. Der Transistor 1 ist somit gesperrt und es fließt kein Strom I,- durch diesen Transistor und dementsprechend auch kein Strom aus diesem Teil des Schaltkreises über das Filter 5 und die Last 6. Die Freilaufdiode 4 ist jedoch stromführend und gestattet der Spule des Filters 5, ihre gespeicherte Energie abzugeben, so daß ein Strom I_D durch das Filter 5 jeweils während der Zeit fließt, in der der Transistor 1 ausgeschaltet ist. Wenn in einem unmittelbar .auf den Zeitpunkt t_Q folgenden Zeitpunkt t- ein Stromimpuls an die Basis des Transistors 1 angelegt wird, so gelangt dieser Transistor in den Sättigungszustand, in welchem er Strom zieht. Die Anstiegsflanke dieses durch den Transistor fließenden Stromes I₁-, wird durch den Rückkopplungsschaltkreis, bestehend aus dem Nebenschalttransistor 2 und der Hilfsspule 3 dynamisch gesteuert. Diese Steuerung wirkt in der Weise, daß die während der Erholzeit TR der Freilaufdiode auftretende Stromspitze begrenzt wird. Es wird verhindert, daß die Entfernung der Minoritätsträger abrupt stattfindet, indem, bezogen auf

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die Zeit, dieses Phänomen in gradueller Weise gesteuert wird.· Tatsächlich arbeitet der Transistor 2 als Steuerelement für den impulsförmigen, an die Basis des Transistors 1 gelegten Strom, indem er diesen Strom auf einen Wert begrenzt, der von dem Wert der über der Spule 3 abfallenden Spannung abhängt, was im folgenden unter Bezugnahme auf Figur 3 näher erläutert werden soll.

In Figur 3 sind die Kennlinien eines Transistors dargestellt, d.h. eine Beziehung zwischen dem Kollektorstrom,der Kollektor-Emitter-Spannung und dem Basisstrom. Die tatsächlichen Betriebsverhältnisse werden in bekannter Weise bei einem vorgegebenen Basisstrom durch den Schnittpunkt der Widerstandskennlinie mit dem dem entsprechenden Basisstrom zugeordneten Kurvenzug festgelegt. Im Falle eines ohm"sehen Widerstandes als Last ist die Lastkennlinie beispielsweise durch die geneigte Linie 7 gegeben. Die Neigung dieser Linie ist umso größer je kleiner der Lastwiderstand ist. Weist der Lastwiderstand den Wert O auf, so geht die Kennlinie in die aufrecht gezeichnete Linie 8 über.

Betrachtet man nunmehr den Schaltkreis gemäß Figur 1, so ist festzustellen, daß sich ein niedriger Lastwiderstand ergibt, wenn der an die Basis der Transistors 1 gelegte Stromimpuls diesen in den stromführenden Zustand steuert und die Freilaufdiode 4 weiterhin leitend ist. Die Lastkennlinie entspricht in diesem Fall im wesentlichen der Linie 8 gemäß Figur 3. Der angelegte Steuerstromimpuls I kann daher zu einem sehr hohen Kollektorstrom und dementsprechend auch zu einem sehr hohen Emitterstrom I- führen. Jede Veränderung des Stromes I„ führt jedoch zu einem induktiven Spannungsabfall an der Spule 3, der

durch die Beziehung V = L^ gegeben ist, wobei L die Indukti-

Cl "C

vität der Spule 3 und ^ die Änderung des Stromes mit der Zeit

darstellt. Diese Spannung V.wird zwischen Basis und Emitter des Transistors 2 erzeugt. Wenn diese Spannung die erforderliche .Steuerspannung für den Transistor 2 erreicht (bei Siliziumtransistoren beträgt dieser Wert ungefähr 0,7 bis 0,8 V), so gelangt der Transistor 2 in den stromführenden Zustand und

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der Ansteuerstrom I wird über den Transistor 2 und die Freilaufdiode 4 in einer solchen Weise abgeleitet, daß der Basisstrom des Transistors 1 wesentlich reduziert wird und dementsprechend der Kollektorstrom auf einem begrenzten Wert gehalten wird. Läßt man den vernachlässigbaren Basisstrom außer acht, so entspricht der Kollektorstrom im wesentlichen dem Strom, der durch die Spule 3 fließt.

Aus diesem Grund kann zum Zeitpunkt t* der Strom I_T mit einer Anstiegsflanke ansteigen, die den Wert T _ ^VBES nicht übersteigen kann, wobei V_ßES die Dürchbrucnspannung aer Basis-Emitter-Strecke darstellt, die erforderlich ist, um den Transistor 2 in den leitenden Zustand zu bringen. Der Maximalwert des Stromes I_T ist daher durch das Produkt der Sperrzeit der Diode 4 und der Gesamtheit der Anstiegsflanke vorgegeben.

Durch geeignete Bemessung der Spule -3 ist es daher möglich, die zu Beginn auftretende Stromspitze so zu steuern, daß sie die normalen Betriebswerte des Transistors 1 nicht übersteigt.

Als Beispiel,das keine Einschränkung darstellen soll, sei angenommen, daß die Leistungsstufe der Stromversorgungseinheit 5 A liefern soll und daß die Anstiegsflanke beim Einschalten des Transistors 500 ns betragen soll. Bekannte Spannungsversorgungsschaltungen, die einen Strom von 5 A liefern sollen, weisen bei einer Anstiegsflanke von ungefähr 100 ns einen Spitzenstrom von ungefähr 20 A auf.

Es liegt auf der Hand, daß verschiedene Änderungen hinsichtlich der Schaltung vorgenommen werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können die Transistoren ebensogut als pnp-rTransistoren ausgeführt sein.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Dynamische Strombegrenzungsschaltung für ein geregeltes Netzgerät mit einem Leistungs-Schalttransistor, einer Freilaufdiode und einem aus Kondensator und Spule bestehenden t die geregelte Gleichspannung abgebenden Filter, gekennzeichnet durch ein den Stromanstieg des Schalttransistors (1) erfassendes Element (3) und einen Stromzweig (2) zur teilweisen Ableitung des Basis-Ansteuerstromes des Schalttransistors (1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Stromanstieg.

2. Dynamische Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rückkopplungstransistor (2), dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors (1) , dessen Emitter mit der Kathode der Freilaufdiode (4) und dessen Basis mit dem Emitter des Schalttransistors (1) verbunden ist und durch eine Rückkopplungsspule (3) zwischen Basis und Emitter des Rückkopplungstransistors (2).

3. Dynmaische Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (1) und der Rückkopplungstransistor (2) vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.

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