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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von getakteten Stromversorgungsgeräten mit in Serie angeordneten, ausschaltenden und anschaltenden Halbleiterschaltern, insbesondere zur Verringerung der Schaltverluste der Halbleiterschalter.
Aufgabe der Erfindung bei Schaltungsanordnungen dieser Art ist es, nicht nur die dem Eingang zur Verfügung gestellte Energie für die Versorgung von an den Ausgang eines solchen Stromversorgungsgerätes angeschlossenen Lasten besser auszunutzen, sondern auch eine geringere thermische Belastung der verwendeten Halbleiterbauelemente und übrigen passiven Bauelementen zu ermöglichen, wodurch insbesondere eine wesentlich erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Gerätes erreicht werden soll.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der obigen Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in an sich bekannter Weise mit der Serienschaltung der Halbleiterschalter eine Drossel verbunden ist, welche während des Schaltvorganges die an die Serienschaltung angelegte Spannung aufnimmt und dass mit der Drossel eine Entmagnetisierungsschaltung gekoppelt ist, welche die Drossel nach dem Schaltvorgang wenigstens teilweise entmagnetisiert. Hiedurch wird der Vorteil erreicht, dass während des Einschaltvorganges an dem einschaltenden Halbleiterschalter Spannung und Strom nicht gleichzeitig vorhanden sind und somit die Verlustleistung klein gehalten werden kann.
Der Anschluss einer Drossel bzw. einer Induktivität an eine Serienschaltung von Halbleiterschaltern an sich ist aus einer Reihe von Druckschriften bekannt. So ist es z. B. aus der DE-OS 1638024 bekannt bei einer Serienschaltung einer Diode und eines Transistors deren Hauptstrom Diodenstrecken entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen, eine Induktivität parallel zur Diode zu schalten, die bei Unterbrechung des Stromflusses über den Transistor als Leuchtdiode zur Dämpfung der entstehenden Induktionsspannung führt.
Weiters ist es durch die DE-OS 3237220 bekannt bei einem Inverter zum Umrichten einer Bezugsspannung zu jedem Schalter einer Serienschaltung von Halbleiterschaltern Begrenzungsmittel in Serie zu schalten, wobei eine aus einer Diode und einem Widerstand gebildete Reihenschaltung parallel zu einer Serie zum andern Halbleiterschalter geschalteten Induktivität geschaltet ist, die als Begrenzungsmittel dient. In beiden Fällen wirkt aber die Diode praktisch lediglich zur Dämpfung der Spitzen der beim Abschalten durch den gesteuerten Halbleiterschalter entstehenden Spitzen der Induktionsspannung.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Entmagnetisierungsschaltung in vorteilhafter Art und Weise dadurch realisiert werden, dass die Drossel mit einer Entmagnetisierungswicklung ausgebildet ist, welcher eine Diode in Serie geschaltet ist, und wobei dieser Drossel-Dioden-Serienschaltung ein Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator, parallelgeschaltet ist. Durch Entmagnetisierungswicklung ergibt sich der Vorteil, dass die Magnetisierungsenergie verlustarm abgeführt und in einen Energiespeicher abgespeichert werden kann.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Drossel der Serienschaltung der Halbleiterschalter zu dieser in Serie geschaltet ist und dass die Entmagnetisierungsschaltung zumindest an das halbleiterschalterseitige Ende der Drossel angeschlossen ist und durch eine Diode und einen zu dieser in Serie geschalteten Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator gebildet ist. Bei dieser erfindungsgemässen Ausführungsform stellt die Drossel selbst die Entmagnetisierungswicklung dar, es erübrigt sich daher eine gesonderte Wicklung vorzusehen.
Als besonders zweckmässig hat es sich herausgestellt, wenn an den Energiespeicher eine Entladeschaltung angeschlossen ist, die insbesondere durch eine Serienschaltung aus einer Diode und einer weiteren Drossel gebildet ist, und welche zweckmässig die im Energiespeicher gespeicherte Magnetisierungsenergie verlustleistungsarm dem Stromversorgungsgerät zuführt. Hiedurch wird einerseits die Möglichkeit geschaffen, Energiespeicher mit kleinerer Speicherkapazität zu verwenden bzw. wird anderseits verhindert, dass zufolge einer übermässig grossen gespeicherten Energie und somit zufolge Überlastung des Energiespeichers zu dessen Zerstörung kommt.
Besonders zweckmässig ist es, wenn die im Energiespeicher gespeicherten Magnetisierungsenergie verlustleistungsarm dem Stromversorgungsgerät wieder zugeführt wird, so dass sie direkt für den an das Stromversorgungsgerät angeschlossenen Verbraucher nutzbar wird. Die Entladung des
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Energiespeichers und die verlustleistungsarme Zuführung der Magnetisierungsenergie zum Stromversorgungsgerät kann dann in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden, wenn in Weiterbildung der Erfindung so vorgegangen wird, dass der Energiespeicher ein Energiespeicher der Stromversorgungsschaltung ist.
Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. l eine herkömmliche Gleichstromstellerschaltung wie sie häufig in getakteten Stromversorgungsgeräten verwendet wird, Fig. 2 den Zeitverlauf der wichtigsten in der Schaltung nach Fig. l auftretenden Ströme und Spannungen, Fig. 3 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, Fig. 4 die Zeitverläufe der wichtigsten Grössen der Schaltung gemäss Fig. 3, Fig. 5 eine andere beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung und Fig. 6 schliesslich eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung bei einem stromgeführten Gegentaktsteller.
Bei getakteten Stromversorgungsgeräten können im wesentlichen zwei Verlustmechanismen unterschieden werden. Ohm'schen Verluste bzw. Durchlassverluste und Schaltverluste. Dabei entstehen
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sistoren, usw. Diese Verluste können im wesentlichen nur durch Überdimensionierung der Bauelemente verringert werden.
Schaltverluste treten dann auf, wenn einer der für diese Schaltungen grundsätzlich immer vorhandenen Halbleiterschalter ein-bzw. ausgeschaltet wird. Durch die ähnliche Einschalt- bzw.
Ausschaltzeit der Halbleiterbauelemente treten an diesen Bauelementen kurzzeitig sowohl hohe Spannungen als auch relativ hohe Ströme auf. Dies führt zu grossen Momentanverlustleistungen welche insbesondere zu schädlichen thermischen Wechselbelastungen der Halbleiterbauelemente führen.
Die Fig. l zeigt eine typische Schaltung für eine Gleichstromstelleranordnung bestehend aus einem Schalttransistor --1--, einer Leistungsdiode --2--, einer Speicherdrossel --3-- und einem Speicherkondensator --4--, an dessen Klemmen eine (ohm'sche) Last --5-- angeschlossen ist.
Durch das periodische Ein- bzw. Ausschalten des Transistors --1-- über eine (nicht gezeigte) Pulsweitenmodulatorschaltung und eine Steuerschaltung leiten abwechselnd der Transistor-1-und die Diode --2--. Dabei wird über die an den Klemmen-A, B- anliegende Versorgungsspannung Uc die Speicherdrossel --3-- während der Leitendphase des Transistors --1-- aufmagnetisiert und während der Sperrphase des Transistors --1-- über die Diode --2-- entmagnetisiert. Über das Verhältnis der Einschaltdauer zur Ausschaltdauer des Transistors kann die an den Speicherkon- densator --4-- abgegebene Energie in weiten Grenzen eingestellt werden.
Die Fig. 2 zeigt das Zeitdiagramm der Vorgänge während des Einschaltens des Transistors - -1--. Der Beginn des Einschaltvorganges ist mit to bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt leitet die Diode --2-- und führt den Strom--1.V2-. Am Schalttransistor--1--liegt die Spannung U vil die Summe aus Eingangsspannung Uc und Flussspannung der Diode --2--.
Da der Transistor-l-zum Zeitpunkt to eingeschaltet wird, beginnt der Transistorstrom - I .-zu fliessen. Der Strom durch die Diode --2-- wird jedoch noch eine gewisse Zeitspanne (Sperrverzugszeit der Diode : ts) weiterfliessen, wobei die Diodenspannung noch klein bleibt. Daher liegt an dem stromdurchflossenen Transistor-l-während der Zeitdauer t eine hohe Spannung uvi an, welche in Verbindung mit dem Strom-I--zu einer sehr hohen momentanen Verlustleistung führt.
Diese Schaltverlustleistung wird bei einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 3 minimalisiert.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist in Serie zu der Serienschaltung aus der Diode --2-- und dem Schalttransistor --1-- eine Drossel --6-- eingefügt. Ausserdem ist zur Entmagnetisierung dieser Drossel eine magnetisch gekoppelte Entmagnetisierungsinduktivität --7-- vorgesehen, welche über eine in Serie geschaltete Diode --8-- an die Klemmen des Speicherkondensators --4-- angeschlossen ist.
Die Fig. 4 zeigt zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemässen Schaltung den Zeitverlauf von Dioden- und Transistorstrom, Transistorspannung und Spannung an der Seriendrossel - -6--, während des Einschaltens des Transistors --1--. Die Zeitverläufe des Stromes durch den
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Transistor-l-und durch die Diode --2-- sind gleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Schaltvorgang bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1.
Die Spannung am Transistor - sinkt jedoch sofort zu Beginn des Einschaltvorganges des Transistors-l-auf einen sehr kleinen Wert ab, da nahezu die gesamte Eingangsspannung Uc an der Seriendrossel --6-- abfällt. Es wird dadurch die Einschaltverlustleistung des Transistors --1-- als Produkt aus Transistorspannung und Transistorstrom auf äusserst niedrige Werte verringert.
Die Entmagnetisierungsdrossel --7-- mit der in Serie geschalteten Diode --8-- gibt nach dem Einschaltvorgang des Transistors die im Kern der Seriendrossel gespeicherte magnetische Energie an den Speicherkondensator --5-- ab. Es ist dazu der Wicklungssinn der beiden Wicklungen der Seriendrossel so gewählt, dass während des Einschaltvorganges des Transistors-l-die Diode --8-- in Sperrichtung vorgespannt wird.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass die Drossel zwischen Schalttransistor --1-- und Diode --2-- eingefügt ist. Die Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung, bei der die Drossel --20-- zwischen den Eingangsklemmen der Gleich- stromstellerschaltung-A, B-- und dem Schalttransistor --1-- eingefügt ist. Die Entmagnetisierungsschaltung besteht gemäss Fig. 5 aus der Serienschaltung einer Diode --21-- und eines weiteren Spei- cherkondensators --22--, welche Serienschaltung zwischen Verbindungspunkt von Seriendrossel - mit dem Schalttransistor-l-und Bezugspotential angeordnet ist.
Diese Schaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die an dem zweiten Speicherkondensator --22-- anliegende Spannung, die höher als die Versorgungsspannung Uc an den Eingangsklemmen der Stellerschaltung ist, weiterverwendet wird ; ein diesbezüglicher Abgriff ist mit T bezeichnet. Dem Kondensator-22kann bei dieser Schaltung im Mittel die in der Drossel --20-- jeweils gespeicherte magnetische Energie entnommen werden.
Die Fig. 6 schliesslich zeigt eine weitere erfindungsgemässe Schaltungsanordnung bei einem stromgeführten Gegentaktsteller. Der Transistor-l-bildet gemeinsam mit der Diode --2-- und der Speicherdrossel --3-- eine steuerbare, getaktete Stromquelle für die Versorgung des Gegentaktwandlers, bestehend aus den Gegentakttransistoren --10, 11-- und dem mitten angezapften Transformator --12--, von dem nur die Primärwicklung dargestellt ist, und bei dem die Sekundärwicklung den Ausgang der Schaltung bildet. Eine Seriendrossel --6-- vom Verbindungspunkt der Speicherdrossel --3-- und der Diode --2-- zum Transistor --1-- angeordnet, dient zur Verringerung der Einschaltverluste des Transistors --1--.
Die in der Drossel --6-- gespeicherte magnetische Energie, wird über die Entmagnetisierungswicklung --7--, über eine Seriendiode --8-- an den Speicherkondensator --9-- abgegeben, von dem sie über eine Serienschaltung bestehend aus einer Induktivität --15-- und einer Diode --16-- dem Gegentaktwandler zugeführt wird. Ein RC-Glied aus einem Kondensator --13-- und einem Widerstand --14-- dämpft während des Schaltvorganges auftretende Schwingungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von getakteten Stromversorgungsgeräten mit in Serie angeordneten, ausschaltenden und anschaltenden Halbleiterschaltern, insbesondere zur Verringerung der Schaltverluste der Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise mit der Serienschaltung der Halbleiterschalter (1, 2) eine Drossel (6, 20) verbunden ist, welche während des Schaltvorganges die an die Serienschaltung (1, 2) angelegte Spannung aufnimmt und dass mit der Drossel (6, 20) eine Entmagnetisierungsschaltung (7, 8, 21, 22) gekoppelt ist, welche die Drossel (6, 20) nach dem Schaltvorgang wenigstens teilweise entmagnetisiert.