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Dokumentenidentifikation DE10116555A1 15.05.2003
Titel Schaltregler mit Schutzfunktion gegen Folgeschäden bei Bauteilefehlern
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Wolfgart, Bernd, 82515 Wolfratshausen, DE
DE-Anmeldedatum 03.04.2001
DE-Aktenzeichen 10116555
Offenlegungstag 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse H02M 3/28
IPC-Nebenklasse H02H 7/12   
Zusammenfassung In der Vermittlungstechnik und anderen Anwendungsbereichen kommen Schaltregler, z. B. DC/DC-Umrichter, zum Einsatz, die durch Kurzschluß-Ströme z. B. infolge von Bauteilefehlern gefährdet sind. Erfindungsgemäß werden Schaltrichter mit einem Sicherungswiderstand und einem Steuertransistor zum Schutz gegen Kurzschluß-Ströme vorgeschlagen. Die der Erfindung entsprechende Schaltung ist effizient, ökonomisch und hat den Vorteil, einen Schutz gegen verschiedenartige Störanfälle, z. B. primärkreisseitige und sekundärkreisseitige Schadensfälle, zu gewährleisten.

Beschreibung[de]

Schaltregler kommen routinemäßig in Schaltungen verschiedenster Anwendungsgebiete zum Einsatz. Dabei sind in den Schaltungen nicht immer Sicherungen des Schaltreglers gegen primärseitigen Überstrom im Schalttransistor vorgesehen, so zum Beispiel bei Sperrumrichtern - in der Literatur auch als Sperrwandler bezeichnet - bei Kurzschluss einer Ausgangsdiode.

Beispielsweise wird zur einwandfreien Erzeugung von Ruf- und Speisespannung in einer Anwendung der Vermittlungstechnik mittels zweier unabhängiger Sperrumrichtersysteme ein gemeinsamer Hilfsspannungsumrichter benötigt, der zur Sicherstellung von Überwachungsfunktionen vor der Sicherung der Sperrumrichtersysteme direkt an die Batteriespeisung angeschlossen werden muss.

Beim Einsatz von Sperrumrichtern, für die wie beim obigen Beispiel kein Sicherungsschutz in der Schaltung vorgesehen ist, besteht die Gefahr, dass der Umrichter durch eine Überlast, z. B. im Folge von Bauteilefehlern, geschädigt und die Funktion der Schaltung gestört wird. Dabei kann z. B. durch thermische Überlastung von Bauelementen Bauelemente-Abbrand und somit eine Beschädigung des Umrichters auftreten.

Eine Absicherung des Sperrumrichters gegen Schäden durch Kurzschlussströme wird dadurch erschwert, dass verschiedene Störfälle vorkommen können. Die Ursache der Störung kann im Primärkreis oder Sekundärkreis des Umrichters liegen. Je nachdem, welche Form die Störung hat bzw. welche Bauteile in ihrer Funktion gestört sind, ergeben sich unterschiedliche Stromverläufe und Spannungsverhältnisse in dem Umrichter und damit unterschiedliche Anforderungen an Schutzschaltungen. Bekannte Schutzvorrichtungen beschränken sich wegen dieser Komplikation auf einen Schadensfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltregler mit Schutzfunktionen gegen die verschiedenen Störfälle bei gleichzeitig niedriger Verlustleistung anzugeben.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Schaltregler gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltregler ist ein Sicherungswiderstand im Primärkreis eingeschleift. Ein Steuertransistor ist so mit dem Sicherungswiderstand verbunden, dass der Steuertransistor durch den Spannungsabfall an dem Sicherungswiderstand auf- bzw. zusteuerbar ist. Der Steuertransistor ist zudem derart mit den Schalt- und Steuerelementen zum periodischen Auf- und Zusteuern des Schalttransistors verbunden, dass ein Aufsteuern des Steuertransistors die Zeitdauer der Zeitintervalle verkürzt, während der der Schalttransistor leitend ist. Der Sicherungswiderstand löst bei hoher Gleichstrombelastung im Primärkreis aus. Zudem sind der Sicherungswiderstand und die primärseitige Schalt- und Steuerelemente so dimensioniert, dass bei sekundärseitiger Überlastung durch Erhöhung des Spannungsabfalls (höherer Strom-Mittelwert) am Sicherungswiderstand das Tastverhältnis des Schalttransistors herunterregelbar ist (Anspruch 1). Der erfindungsgemäße Schaltregler hat den Vorteil, dass Sicherungsmaßnahmen gegen verschiedene Störfälle vorgesehen sind. Bei einer Überlast im Sekundärkreis gibt es über den Steuertransistor eine Rückkopplung, durch die das Tastverhältnis des Schalttransistors heruntergeregelt wird und so Schäden vermieden werden. Die Dimensionierung des Schutzwiderstands ist so festgelegt, dass bei einem Sperrversagen des Schalttransistors - in der Fachwelt auch Durchlegieren genannt - der Schutzwiderstand auslöst. Somit sind auch primärkreisseitige Schadensfälle abgedeckt, bei denen die Schaltfunktion beeinträchtigt wird und die Schutzfunktion durch Herunterregelung des Schalttransistors nicht greifen kann. Vorteilhaft wirken sich die realisierten Schutzfunktionen bei sogenannten Current-Sense Anwendungen der Schalt- und Steuerelemente des Schaltreglers aus, die einen zusätzlichen Sense-Widerstand im Source-Kreis benötigen. Ein Durchbrennen dieses Widerstandes mit Folgeschäden an den Schalt- und Steuerungselementen ist ein häufiger Schadensfall, der durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Schutzfunktionen verhindert wird. Durch die Übernahme verschiedener Funktionen durch den Schutzwiderstand ist die erfindungsgemäße Ausbildung von Schutzfunktionen ökonomisch bezüglich des Einsatzes von Schaltelementen und folglich auch bezüglich der Verlustleistung des Schaltreglers.

Als Steuertransistor kann beispielsweise ein PNP Transistor eingesetzt werden (Anspruch 2). Dieser Steuertransistor wird bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 entsprechend einer Basisschaltung verschaltet. Dabei entspricht die Eingangsspannung der Transistor-Basisschaltung im wesentlichen der über den Sicherungswiderstand abfallenden Spannung. Ein Widerstand ist mit dem Emitter und der Basis des Steuertransistors verbunden. Zudem ist kollektorseitig ein Kondensator für einen verzögerten Anlauf vorgesehen. Im eingangseitigen Basis- Emitter-Stromkreis ist eine Diode und ein Widerstand zur Feineinstellung der zum Aufsteuern des Steuertransistors benötigten Spannung und zur Sicherung von in der Basisschaltung verwendeten Schaltelementen vorgesehen. Schließlich ist noch ein Widerstand zur Einstellung des vom Kollektor abgehenden Stromflusses zur Beeinflussung der Zeitdauer von den periodischen Zeitintervallen, während der den Stromfluss durch den Transformator steuernde Transistor geöffnet ist, eingeschleift (Anspruch 3). Diese Ausgestaltung ist eine effiziente Realisierung der erfindungsgemäßen Sicherungsfunktionen.

Ein weiterer günstiger Nebeneffekt der Erfindung ist die Verringerungen von Einschaltbelastungen des Schaltreglers. Der beim Einschalten erzeugte Ladestromstoß führt zu einem Aufsteuern des Steuertransistors und ob des kollektorseitig eingeschleiften Kondensators zu einer verzögerten Herunterregelung des Schalttransistor. Dadurch verringert sich die Einschaltbelastung. In der Fachliteratur ist in diesem Zusammenhang auch der Begriff Sanftanlauf üblich.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaltreglers sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Schaltregler anhand eines Ausführungsbeispiels und Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Teil der Schaltungselemente eines erfindungsgemäßen Schaltreglers

Fig. 2 ausgewählte Spannungs- und Stromverläufe bei Normalbetrieb und

Fig. 3 ausgewählte Spannungs- und Stromverläufe bei Kurzschluss einer Ausgangsdiode.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt einen erfindungsgemäß mit Schutzfunktionen versehenen, aus einer Gleichspannungsquelle mit niedrigem Innenwiderstand gespeisten DC/DC- Sperrumrichter, der im Eintakt-Betrieb arbeitet. Die entsprechenden Anschlüsse an die Batterie sind in Fig. 1 mit PUE und NUE bezeichnet. Zur Steuerung des Transformators T100 wird ein n-Kanal Anreicherungs-Feldeffekttransistor V132 verwendet. Der Feldeffekttransistor V132 - im folgenden Schalttransistor genannt - ist selbstsperrend, d. h. durch Erhöhung der Gate-Source-Spannung nimmt die Leitfähigkeit des Kanals und damit der primärkreisseitige Stromfluss durch den Transformator T100 zu. Das Ein- und Ausschalten des Steuertransistors V132 erfolgt durch einen Steuerschaltkreis UCC2801D. Bei der bevorzugten Ausführung wurde der Steuerschaltkreis UCC2801D aus der von der Firma Texas Instruments hergestellten Unitrode-Produktreihe verwendet. Am Steuereingang CS des Steuerschaltkreises UCC2801D liegt ein Sägezahnspannungssignal an, dessen Spannungspegel sich mithilfe der beiden kapazitiv/ohmsche Teiler bildenden Kondensator/Widerstandspaare C166 und R172 sowie C167 und R174 einstellen lässt. Über den Steuerausgang XOUT ist mittels Steuerpulsen der Schalttransistor V132 ein- bzw. ausschaltbar. Primärkreisseitig ist im positiven Zweig der Spannungsversorgung ein Schutzwiderstand R125 eingeschleift, der eine doppelte Schutzfunktion erfüllt. Er weist zum einen eine definierte Auslösecharakteristik - in der Fachwelt I2t-Wert genannt - auf, so dass er bei eingangseitiger Überlastung des Sperrumrichters, nicht aber bei Einschalt-Stromstößen, z. B. beim Hochladen der Eingangskapazitäten C169 und C142, auslöst. In dem bevorzugten Beispiel wurde das Anforderungsprofil des Widerstands R125 so gewählt, dass das Einschalten des Sperrumrichters mit Lade-Stromstößen der Eingangskapazitäten C169 und C142 von ca. 1,5 A für 4-5 ms auf keinen Fall zur Unterbrechung des Stromkreises führt; während bei einer statischen Strombelastung von 1,5 A über 10-15 ms (Störfall) die Sicherungscharakteristik wirksam wird. Sicherungswiderstände mit diesem Anforderungsprofil sind kommerziell erhältlich, beispielsweise der Sicherungswiderstand des Typs PR02/33 Ohm der Firma BC-Components. Ein Schadensfall, bei dem die erste Schutzfunktion greift, ist ein Öffnungsversagen des Schalttransistors V132, auch Durchlegieren genannt. Der Stromanstieg bei dauerhaft eingeschalteten weil durchlegierten Schalttransistor führt zum Auslösen des Schutzwiderstands R125. Bei diesem Fall würde die unten beschriebene zweite Schutzfunktion nicht greifen, bei der die Steuerung des Schalttransistors beeinflusst wird.

Eine zweite Schutzfunktion wird von dem Sicherungswiderstand im Zusammenhang mit einem Steuertransistor V138 bei sekundärseitiger Überlastung gewährleistet. Eine derartige Überlastung kann z. B. durch defekte Ausgangsdioden V123 bzw. V128 oder Ausgangskondensatoren C125 bzw. C144 verursacht werden. Ein sekundärseitiger Kurzschluss führt zu einem Ansteigen des getakteten Stromflusses im Primärkreis. Im Ausführungsbeispiel ist der Steuertransistor V138 ein entsprechend einer Basisschaltung geschalteter PNP Transistor. Die Eingangsspannung der Transistor-Basisschaltung ist im wesentlichen durch die über dem hochohmigen Sicherungswiderstand R125 abfallende Spannung gegeben. Ein Widerstand R140 ist mit dem Emitter und der Basis des Steuertransistors verbunden. Zwischen Kollektor und Basis ist ein Kondensator C173 vorgesehen, der die Anlaufzeit beim Einschalten des Steuertransistors V138 verlängert und so zu einem verzögerten Anlauf führt. Zudem sind zwischen dem Sicherungswiderstand R125 und der Basis des Steuertransistors V138 eine Diode V142 und ein Widerstand R141 zur Feineinstellung der zum Einschalten des Steuertransistors V138 benötigten Spannung und zur Sicherung von in der Basisschaltung verwendeten Schaltelementen vorgesehen. Schließlich ist ein Widerstand R137 zwischen dem Kollektor und dem Eingang CS des Steuerbausteins UCC2801D eingeschleift. Dieser Widerstand dient zur Einstellung des vom Kollektor abgehenden Stromflusses zur Beeinflussung des an dem Steuereingang CS anliegenden Spannungssignals. Die Schaltelemente sind so dimensioniert, dass bei einem sekundärseitigen Kurzschluss durch den erhöhten Spannungsabfall über dem Sicherungswiderstand R125 der Schalttransistor V138 eingeschaltet wird, und der Stromfluss über den Widerstand R137 zu einer Anhebung des Gleichspannungspegels am Steuereingang CS des Steuerbausteins UCC2801D führt. Durch diesen Gleichspannungspegel wird das Tastverhältnis des Schalttransistors, welches durch die relativen Lage des Sägezahnspannungssignals und eines Spannungsgrenzwerts einstellbar ist, reduziert. Dabei wird über den Ausgang XOUT des Steuerbausteins UCC2801D mithilfe von Steuerpulsen bzw. Einschaltpulsen das periodische Ein- bzw. Ausschalten des Schalttransistors V132 gesteuert. Die Periode des Schalttransistors wird über den zeitlichen Abstand der Einschaltpulse und das Tastverhältnis über den zeitlichen Abstand und die zeitliche Dauer der Einschaltpulse eingestellt. Periodisch werden vom den Ausgang XOUT des Steuerbausteins UCC2801D Einschaltpulse zum Gate des Schaltungstransistors ausgesandt. Während der Dauer der Einschaltpulse ist der Schalttransistor geöffnet, sonst geschlossen. Diese Einschaltpulse werden mittels des am Eingang CS anliegenden Sägezahnspannungssignals erzeugt. Ihre Dauer von ist dadurch begrenzt, dass das Sägezahnspannungssignal einen Grenzwert überschreitet. Bei sekundärseitigem Kurzschluss wird durch die Erhöhung des Gleichspannungspegels am Steuereingang CS die relative Lage das Sägezahnspannungssignals und des Spannungsgrenzwertes verschoben. Der Spannungsgrenzwert wird früher überschritten und somit das Tastverhältnis des Schalttransistors reduziert.

Dieser Mechanismus ist in den Fig. 2 und 3 anhand von Oszillographenbildern verdeutlicht. Dabei zeigt Fig. 2 die Verhältnisse bei Normalbetrieb des Hilfsspannungs-umrichters und Fig. 3 bei einem sekundärseitigen Kurzschluss einer Ausgangsdiode. In der unteren Hälfte der Fig. 2 ist das Sägezahnspannungssignal Usig zu sehen, das an dem Steuereingang CS des Steuerbausteins UCC2801D anliegt. Aus diesem Spannungssignal werden die Einschaltpulse Uon abgeleitet, die die Einschaltzeitdauer des Steuertransistors V132 festlegen. Im vorliegenden Fall wurde im Steuerbaustein UCC2801D noch eine Periodenverdoppelung durchgeführt, so dass die Einschaltpulse Uon mit der halben Frequenz des Sägezahnspannungssignals Usig erzeugt werden. Darüber ist der primärseitige Strom Idra durch den Transformator, d. h. der Drain-Strom des Steuertransistors V132 aufgetragen. Der Strom steigt beim Einschalten des Steuertransistors V132 linear an, bis das Ende des Einschaltpulses Uon erreicht ist. Oben in der Figur ist der Spannungsabfall Ur125 an dem Widerstand R125 eingezeichnet. Die entsprechenden Kurven bei dem Kurzschlussfall sind in der Fig. 3 gezeigt. Als Folge des Kurzschlusses ist die Zeitdauer der Einschaltsteuerimpulse Uon stark reduziert. Der Drain- Strom Idra steigt erheblich stärker als bei Normalbetrieb an und fällt nach Ende des Einschaltpulses auf Null ab. Im dargestellten Fall ist der Einschaltpuls Uon bzw. der Drain- Strom-Puls nur 600 ns lang. Durch die Dimensionierung der Schaltung verkürzen sich im Fall eines Kurzschlusses die Einschaltzeiten des Schalttransistors V132 so stark, dass der Schalttransistor V132 und die anderen Schaltelemente thermisch nicht gefährdet sind. Bei unveränderten Einschaltzeiten des Schalttransistors V132 würde er thermisch überlastet und durchbrennen - Störfälle, die in der Fachliteratur als Drain- Gatedurchbruch und Drain-Sourcedurchbruch bekannt sind - und der Steuerbaustein UCC2801D beschädigt werden.

Die Erfindung ist nicht auf den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Eintakt-Sperrumrichter beschränkt, sondern kann auch bei anderen Schaltreglern bzw. Umrichtertopologien, wie z. B. Zweitakt-Sperrumrichter, Durchflussumrichter etc., zum Einsatz kommen.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltregler mit Schutzfunktion gegen Folgeschäden bei Bauteilefehlern gebildet mit

    einem Transformator (T100),

    einem Schalttransistor (V132) zur Regelung des primärseitigen Spitzenstroms durch den Transformator (T100),

    Schalt- und Steuerelementen zum periodischen Ein- und Ausschalten des Schalttransistors (V132),

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der Primärkreis mit einem Sicherungswiderstand (R125), der Primärwicklung des Transformators (T100) und dem Schalttransistor (V132) gebildet ist,

    dass ein Steuertransistor (V138) so mit dem Sicherungswiderstand (R125) verbunden ist, dass der Steuertransistor (V138) durch den Spannungsabfall an dem Sicherungswiderstand (R125) auf- bzw. zusteuerbar ist,

    dass der Steuertransistor (V138) so mit den Schalt- und Steuerelementen zum periodischen Auf- und Zusteuern des Schalttransistors (V132) verbunden ist, dass das Tastverhältnis verringerbar ist,

    dass der Sicherungswiderstand (R125) so dimensioniert ist, dass er bei hoher Belastung im Primärkreis auslöst und

    dass der Sicherungswiderstand (R125) und die primärseitige Schalt- und Steuerelemente so dimensioniert sind, dass bei sekundärseitiger Überlastung durch Erhöhung des Spannungsabfalls am Sicherungswiderstand (R125) das Tastverhältnis des Schalttransistors (V132) herunterregelbar ist.
  2. 2. Schaltregler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Steuertransistor (V138) ein PNP Transistor ist.
  3. 3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Steuertransistor (V138) entsprechend einer Basisschaltung verschaltet ist,

    dass die Eingangsspannung der Transistor-Basisschaltung im wesentlichen der über den Sicherungswiderstand (R125) abfallenden Spannung entspricht,

    dass ein Widerstand (R140) mit dem Emitter und der Basis des Steuertransistors (V138) verbunden ist,

    dass kollektorseitig ein Kondensator (C173) für einen verzögerten Anlauf vorgesehen ist,

    dass im eingangseitigen Basis-Emitter-Stromkreis eine Diode (V142) und ein Widerstand (R141) zur Feineinstellung der zum Aufsteuern des Steuertransistors (V138) benötigten Spannung vorgesehen sind, und dass

    der Kollektor über einen Widerstand (R137) zur Einstellung des vom Kollektor zur Regelung des Tastverhältnisses abgehenden Stromflusses mit den Steuer- und Schaltelementen zum periodischen Ein- und Ausschalten des Steuertransistors (V132) verbunden ist.
  4. 4. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Sicherungswiderstand (R125) derart dimensioniert ist, dass er bei einem normalen Einschalt-Stromstoß nicht auslösbar ist, und

    dass der Sicherungswiderstand (R125) derart dimensioniert ist, dass er auslösbar ist, wenn über ein bestimmtes Zeitintervall ein Grenzstromwert überschritten wird.
  5. 5. Schaltregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungswiderstand (R125) derart dimensioniert ist, dass er nicht durch Einschalt-Stromstöße bei periodischem Ein- und Ausschalten des Schaltreglers auslösbar ist.
  6. 6. Schaltregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Sicherungswiderstand (R125) derart dimensioniert ist, dass er bei durch periodisches Ein- und Ausschalten des Schaltreglers erzeugten Einschalt-Stromstößen von im wesentlichen 1,5 A für 4-5 ms nicht auslösbar ist, und

    dass er bei er bei Strombelastungen von im wesentlichen 1,5 A während der zweifachen bis dreifachen Dauer der Einschalt-Stromstöße auslösbar ist.
  7. 7. Schaltregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungswiderstand (R125) ein Sicherungswiderstand des Typs PR02/33 Ohm der Firma BC-Components ist
  8. 8. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    dass das periodische Auf- und Zusteuern des Schalttransistors (V132) durch Steuerpulse steuerbar ist,

    dass das Tastverhältnis mittels eines Sägespannungssignal einstellbar ist, wobei die Dauer der Steuerpulse dadurch beschränkbar ist, dass das Sägezahnspannungssignal einen Spannungsgrenzwert überschreitet, und

    dass der Steuertransistor (V138) so mit den das Tastverhältnis generierenden Schaltungselementen verschaltet ist, dass bei leitendem Steuertransistor (V138) das Tastverhältnis durch Verschiebung der relativen Lage des Sägezahnspannungssignals und des Spannungsgrenzwerts reduzierbar ist.
  9. 9. Schaltregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Dimensionierung der Schaltelemente zur Regelung der Dauer von Steuerpulsen des Schalttransistors (V132) bei primärseitiger Überlast das Tastverhältnis so stark reduzierbar ist, dass eine Schädigung von Schaltelementen verhindert wird.






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