AT413908B - Schaltwandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltwandler mit einem Übertrager, der zumindest eine Primärwicklung und zumindest eine Sekundärwicklung aufweist, mit zumindest einem gesteuerten Primärschalter über welchen eine Eingangsgleichspannung periodisch und mit vorgebbaren Tastverhältnis und/oder vorgebbarer Frequenz an die zumindest eine Primärwicklung legbar ist, 5 und mit zumindest einem, der zumindest einen Sekundärwicklung zugeordneten gesteuerten Synchronschalter zur Synchrongleichrichtung.

Ein Schaltwandler dieser Art geht beispielsweise aus der EP 1 148 624 A1 hervor. Die in diesem Dokument geoffenbarten Schaltwandler sind als Fluss- oder Sperrwandler ausgebildet, io wobei der oder die primärseitigen gesteuerten Schalter von einer üblichen Ansteuerschaltung mit Pulsbreitenmodulation angesteuert werden.

Synchrongleichrichtung an der Sekundärseite von Schaltwandlern, meist unter Verwendung von Mosfets, bringt den Vorteil geringerer Verluste, da die Vorwärtsflusswiderstände beispielsweise 15 von Mosfets geringer sind als bei üblichen Dioden. Allerdings ergeben sich andere Probleme, die mit den Schalt- und Schaltverzugszeiten gesteuerter Schalter Zusammenhängen, welche vor allem bei höheren Spannungen ins Gewicht fallen.

Bei Schaltnetzteilen mit z.B. 24 V Ausgangsspannung muss die Spannungsfertigkeit der Gleich-20 richterdioden oder -schaltelemente in der Praxis zwischen 150 200 V betragen, was vor allem durch das Übersetzungsverhältnis des Übertragers und den Eingangs(Netz)spannungsbereich, ganz allgemein durch Spannungsspitzen und/oder Überspannungen bedingt ist. Die einem Mosfet inhärenten Bodydioden sind jedoch bei Mosfets mit Sperrspannungen von 150 bis 200 V deutlich langsamer als bei Mosfets mit lediglich 50 V Sperrspannung; genauer gesagt betragen 25 die Sperrverzugszeiten im ersten Fall mindestens 200 ns, im zweiten Fall mindestens 80 ns. Dem gegenüber erreichen konventionelle Gleichrichterdioden mit 200 V Sperrspannung Sperrverzugszeiten von 35 ns.

Ein Problem liegt nun darin, dass es während der Sperrverzugszeit zu einem Kurzschluss auf 30 der Sekundärseite des Übertragers kommt, da, beispielsweise bei einem Flusswandler mit zwei sekundären Dioden oder Schaltern, bei der Stromkommutierung eine Diode noch leitet, während die andere bereits zu leiten begonnen hat. Der daraus folgende Kurzschlussstrom magnetisiert die Streuinduktivität des Transformators auf und erzeugt nach dem Abschluss des Kommutierungsvorganges einen energiereichen Überspannungsimpuls, der entweder in einem 35 besonderen spannungsbegrenzenden Netzwerk oder in den Wicklungskapazitäten der Übertragerwicklungen gespeichert und beim Einschalten des Primärtransistors oder der Primärtransistoren in Wärme umgesetzt wird. Überdies können die Überspannungsspitzen über elektrische und Kernverluste wegen ihrer hohen Frequenzanteile zu einer weiteren Erwärmung des Wickelgutes führen. 40

Die Ansteuerung sekundärseitiger Synchrongleichrichter, deren Schalter Mosfets sind, nach der obengenannten EP 1 148 624 A1, verwendet einen sekundärseitigen digitalen Signalprozessor zur Ansteuerung des oder der Synchronschalter, wobei die für den Signalprozessor benötigten Ansteuerimpulse aus der Sekundärspannung des Übertragers abgeleitet werden. 45

Wenngleich die Ansteuerung der sekundären Synchronschalter mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors unbestreitbare Vorteile hinsichtlich der Flexibilität bietet, ist die Ableitung des Ansteuerungstaktes aus der Sekundärspannung des Übertragers als ausgesprochen nachteilig zu bezeichnen, da hierdurch eine starre Bindung an den Takt der primären Pulsbreitenmodulati-50 onsimpulse erfolgt, überdies beeinträchtigt durch die Verzögerung der Impulse über den Übertrager. Die Vorteile, die der Einsatz eines digitalen Signalprozessors bringt, werden durch diesen Umstand weitgehend beeinträchtigt.

Schaltnetzteile mit gesteuerten Schaltern an der Primär- und Sekundärseite eines Übertragers 55 gehören ganz allgemein dem Stand der Technik an. So zeigt die EP 0 180 967 A2 ein Schalt- 3

AT 413 908 B netzteil, bei welchem primärseitig mit hoher Frequenz getaktet wird und sekundärseitig ein in Abhängigkeit von einer Referenzspannung gesteuerter Schalter vorgesehen ist, der eine größere oder kleinere Anzahl von Impulsen durchlässt, sodass ausgangsseitig eine niederfrequente Wechselspannung erhalten wird. Gemeinsame Schaltimpulse für die Primär- und Sekundärseite 5 liegen hier nicht vor. Der JP 06327244 A so wie der JP 07075332 A sind Schaltwandler zu entnehmen, bei welchen Primär- und Sekundärschalter synchron angesteuert werden. Hier ist weder ein gemeinsamer Taktgeber noch ein digitaler Signalprozessor vorgesehen und die eingangs genannten Probleme können nicht beseitigt werden. Aus der JP 06327249 A geht eine Schutzschaltung für an der Sekundärseite eines Transformators gelegenen Gleichrichter-io diode hervor, welche bei einem sekundärseitigen Kurzschluss über einen Optokoppler in die Primärseite zur Leistungsverminderung eingreift.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen möglichst idealen Betrieb ohne unerwünschte Kurzschlusszustände oder Überspannungen zu ermöglichen. 15

Diese Aufgabe wird mit einem Schaltwandler der eingangs angegebenen Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß eine für die Primär- und die Sekundärseite gemeinsame Ansteuerung mit einem digitalen Signalprozessor vorgesehen ist, welche, abgeleitet von einem gemeinsamen Taktgeber, sowohl die Schaltimpulse für den zumindest einen Primärschalter als auch jene 20 für den zumindest einen Synchronschalter erzeugt.

Dank der Erfindung ist eine völlig unabhängige Ansteuerung der primärseitigen und sekundärseitigen Schalter möglich, wobei eine Optimierung des Betriebes durch geeignetes Versetzen der Einschalt- und Ausschaltzeiten der gesteuerten Schalter erreicht werden kann. 25

Besondere Vorteile zeigt die Erfindung, falls der zumindest eine sekundärseitige Synchronschalter als Mosfet ausgebildet ist, da hier das Vorhandensein der Bodydioden besonders gut berücksichtigt werden kann. 30 Bei einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass in dem Primärkreis ein Stromsensor zur Lieferung einer Information über den Primärstrom an die Ansteuerschaltung vorgesehen ist.

In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn er als Flusswandler ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, die sekundären Schalter vor den 35 primären Schaltern zu schließen. Dies ermöglicht ein spannungsloses Schalten, schützt die gesteuerten Schalter vor gefährlichen Überspannungen und erlaubt die Verwendung von Schaltern geringerer Spannungsfestigkeit.

Zweckmäßig ist es weiters, wenn einer Sekundärwicklung des Übertragers ein Längs-40 Synchronschalter und ein vor einer Längsinduktivität liegender Querschaltemachgeschaltet ist, und die Ansteuerschaltung dazu eingereichtet ist, die primären und sekundären Schalter durch Änderung der zeitlichen Folge ihres Schaltens im Sinne einer Energierückspeisung von der Sekundärseite auf die Primärseite anzusteuern. 45 Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, die primären und sekundären Schalter im Sinne eines Pendelns der Leistung zwischen der Primär- und der Sekundärseite zur Aufrechterhaltung von Hilfsversorgungsspannungen anzusteuern. Dadurch lässt sich insbesondere im Leerlauf, der bei Schaltwandlern immer einen kritischen Betriebszustand darstellt, eine Versorgung der Ansteuerschaltung oder so anderer Hilfsschaltungen gewährleisten.

Die Vorteile der Erfindung kommen auch dann besonders zum Tragen, wenn die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Verzögerungszeiten zwischen ihren Schaltbefehlen und dem Schalten der jeweiligen gesteuerten Schalter abzuspeichern und beim Steuerungsablauf zu 55 berücksichtigen. 4

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Falls die Ansteuerschaltung auf einer einzigen Potenzialebene liegt, wobei die primären und/oder sekundären Schalter potential getrennt angesteuert sind, kann die Ansteuerschaltung einfacher aufgebaut werden. Beispielsweise ist bei Verwendung mehrerer Prozessoren kein Opto-Bus zu deren Kommunikation nötig.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand beispielsweise Ausgangsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen 10 15

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Schaltwandlers nach der Erfindung,

Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Schaltsignale für die Schalter der Ausführung nach Fig. 1,

Fig. 3 in vereinfachter Darstellung das Prinzipschaltbild einer als Sperrwandler ausgeführten Erfindungsvariante,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Variante der Erfindung in Gegentaktschaltung,

Fig. 5 in einem Blockschaltbild eine Möglichkeit der potentialgetrennten Ansteuerung der Leistungsschalter, und

Fig. 6 ein logisches Ablaufdiagramm der Schaltersteuerung. 20 Bei der Schaltung nach Fig. 1, welche einen Flusswandler mit sekundärseitigen Synchrongleichrichtung darstellt, wird eine Eingangsgleichspannung Ue, die hier an einem Kondensator CZk liegt, über zwei gesteuerte Primärschalter SP1, SP2 symmetrisch der Primärwicklung WP eines Übertragers UET zugeführt. Die Eingangsgleichspannung UA kann beispielsweise bei Schaltnetzteilen eine durch Gleichrichtung einer 230/400 V-Netzspannung gewonnene Zwi-25 schenkreisspannung sein.

Die gesteuerten Primärschalter SP1, SP2 sind hier Mosfets mit integrierten Bodydioden, wobei die doppelte und symmetrische Annordnung dieser Schalter die benötigten Sperrspannungswerte - verglichen mit der Verwendung nur eines Primärschalters - halbiert. In bekannter Weise 30 sind zwei Abmagnetisierungsdioden D1, D2 vorgesehen, welche die Strecke WP-SP1 bzw. WP-SP2 überbrücken. Wie üblich ist in dem Primärstromkreis ein primärer Sensorwiderstand RP oder ein anderer Stromfühler angeordnet, welcher Information über den primären Stromverlauf liefert. 35 Sekundärseitig sind zwei gesteuerte Synchronschalter SS1, SS2 vorgesehen, nämlich ein erster Synchronschalter SS1 nach der Sekundärwicklung WS im Längszweig und ein zweiter Synchronschalter SS2 darauffolgend im Querzweig. Der erste Synchronschalter SS1, der ebenso im positiven Zweig liegen könnte, arbeitet als Synchrongleichrichter, der zweite gesteuerte Schalter als Freilaufschalter. Eine Längsinduktivität LS, auf welche ein Kondensator Cs folgt, an 40 dem die Ausgangsspannung UA liegt, vervollständigen den Flusswandler. Falls die Streuinduktivität des Übertragers nicht zu groß ist, kann auch über die Wicklungskapazität abmagnetisiert werden und die Abmagnetisierungsdioden D1, D2 können entfallen. In diesem Fall ist eine längere Einschaltzeit als 50 % der Periode möglich. Im negativen Zweig der Sekundärseite ist als Stromfühler ein Längswiderstand Rs vorgesehen. Gegebenenfalls könnte der Stromfühler 45 auch primärseitig liegen.

Zur Ansteuerung sämtlicher gesteuerter Schalter ist eine Ansteuerschaltung AST vorgesehen, welche als Kernstück einen digitalen Prozessor DSP enthält, aber auch die für die unmittelbare Ansteuerung der Schalter erforderlichen Treiberstufen etc. Der Ansteuerschaltung werden auch so die Istwerte des Eingangsstroms lE, des Ausgangsstroms lA und der Ausgangsspannung UA zugeführt, um mit abgespeicherten bzw. vorgegebenen Sollwerten verglichen zu werden. Abhängig unter anderem von diesem Vergleich wird das Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der primären Schalter SP1, SP2 bestimmt. Dieses Tastverhältnis bleibt wegen des für das Abmagnetisieren erforderlichen Zeitbedarfs immer kleiner als 1 : 1. Die Spannungsver-55 sorgung der Ansteuerschaltung AST ist nicht näher gezeigt, sie kann von der Zwischenkreis- 5

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Spannung aus erfolgen oder während des Betriebes über eine Hilfswicklung des Übertragers. Dem Fachmann sind hierfür eine Anzahl von Varianten bekannt.

Es sollt betont werden, dass unter einem Prozessor DSP nicht notwendigerweise eine physi-5 sehe Einstückigkeit zu verstehen ist, sondern dass beispielsweise mehrere Mikroprozessoren, die über einen gemeinsamen Datenbus verbunden sind, einen solchen digitalen Prozessor realisieren können.

Unter Bezugnahme auf die Schaltung der Fig. 1 und das Zeitdiagramm nach Fig. 2 erfolgt nun io eine eingehendere Erläuterung der Erfindung.

In den einzelnen Zeilen der Fig. 2 ist eine vollständige Periode der Ansteuerung enthalten, wobei die Ansteuersignale für die gesteuerten Schalter SP1, SP2 (primär) und SS1, SS2 (sekundär) in den ersten vier Zeilen gezeigt sind, in der fünften Zeile hingegen der annähernde 15 Verlauf des Magnetisierungsstroms im. Für den Ablauf der Ansteuerung markante und wesentliche Zeitpunkte innerhalb einer Periode sind mit t1 bis t7 bezeichnet. Während der Zeitspanne (t3 -11) erfolgt eine Aufteilung des von der Längsinduktivität LS getriebenen Freilaufstroms auf die Synchronschalter SS1 und SS2. Eine vollständige Übernahme 20 des gesamten Freilaufstroms auf den Synchronschalter SS2 erfolgt dann während der Zeitspanne (t2 -11). Dabei kommutiert der Strom durch das Abschalten des MOS-Kanals wegen der hohen Flussspannung der Bodydiode des Synchronschalters SS2 und wegen der niedrigohmi-gen Sekundärwicklung WS auf den bereits eingeschalteten Synchronschalter SS1. 25 Zur Zeit t3 schalten nun beide Primärschalter SP1, SP2 gleichzeitig ein und Energie fließt von der Primärseite in die Längsinduktivität LS der Sekundärseite. An den sekundären Synchronschaltern SS1, SS2 treten keine Überspannungsimpulse auf, da deren Kommutierung bereits in an der Primärseite spannungslosen Zustand erfolgte. 30 Zu dem Zeitpunkt t4 schaltet der Primärschalter SP2 ab, wodurch der Magnetisierungsstrom und der Strom in der primären Streuinduktivität über den Primärschalter SP1 und die Diode D1 kurzgeschlossen wird. Daher bricht die Spannung an allen Wicklungen auf nahezu null Volt zusammen, wobei die Ströme aufrecht bleiben. 35 Zum Zeitpunkt t5 wird der Freilauf-Synchronschalter SS2 eingeschaltet und zwar lediglich um sicherzustellen, dass der Strom kommutieren kann. Die Sekundärwicklung WS des Übertragers verhindert wegen des primären Kurzschlusses das Weiterführen des Stromes über den Gleichrichter-Synchronschalter SS1 und der Strom kommutiert auf den Freilauf-Synchronschalter SS4. 40

Zum Zeitpunkt t6 wird der Kanal des Synchronschalters SS1 in nahezu stromlosen Zustand abgeschaltet, da der Strom, wie oben erwähnt, auf den Synchronschalter SS2 gewechselt hat.

Zum Zeitpunkt t7 wird auch der Primärschalter SP1 abgeschaltet und es erfolgt die Endmagne-45 tisierung des Übertragers UET über die Entmagnetisierungsdioden D1 und D2, wobei diese Endmagnetisierung vor dem Zeitpunkt t1 der nächsten Periode abgeschlossen sein muss.

Man erkennt aus dem obigen Ablauf, dass dank der Erfindung die Schaltzeitpunkte primär und sekundär im Prinzip völlig unabhängig voneinander gewählt werden können. Man wird diese so Wahlmöglichkeit selbstverständlich dahingehend ausnützen, dass möglichst keine ungewollten Kurzschlüsse oder Überspannungen während des gesamten Schaltablaufes auftreten. Dazu gehört beispielsweise die Maßnahme, dass die sekundären Synchronschalter innerhalb jeder Taktperiode vor den primären Schaltern eingeschaltet werden. Auch das stufenweise Aus-bzw. Umschalten der Schalter, wie in Fig. 2 gezeigt, wird problemlos dank der Erfindung reali-55 sierbar. 6

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Die Darstellung nach Fig. 2 betrifft einen stationären Betriebszustand, doch muss es klar sein, dass die Schaltzeiten bzw. die Verzögerung oder das Versetzen der Schaltzeiten an unterschiedliche Betriebsbedingungen dynamisch angepasst werden können, z.B. an Schwankungen der Eingangsspannung oder an Lastschwankungen und/oder an Temperaturschwankungen 5 etc.

Die Ansteuerschaltung kann unter Verwendung von Mikroprozessoren realisiert werden, wobei die Anmelderin guten Resultate beispielsweise mit folgenden Mikroprozessoren erzielt hat: Texas Instruments, TMS 320LF2406A, 40 Mips/40 MHz/2.5 k-RAM/32 k-Flash, 16 PWM Kanä-io le, 16 ADC oder Motorola DSP56F803, 64 k-Flash/4 k-RAM, 6 PWM Kanäle 8 ACD.

Bei den Ausführungsbeispielen ist die gesamte Ansteuerschaltung AST als ein einziger Block gezeichnet, doch sollte es dem Fachmann klar sein, dass hier auch eine Aufteilung auf verschiedene Blöcke erfolgen kann, ohne dass an dem Gesamtkonzept der unabhängigen Anis Steuerung etwas geändert wird.

Ein wesentlicher Punkt ist die galvanische Trennung von Primär- und Sekundärseite, was bei dem gezeigten Ausführungsbeispiels mittels eines Transformators, hier genannt Übertrager UET, erfolgt. Abgesehen davon, dass auch eine andere galvanische Trennung, z. B. durch 20 lichtelektrische Elemente, möglich wäre, ist es natürlich erforderlich, bei der Konzeption der Ansteuerschaltung auf die notwendige galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite zu achten. Um den benötigten Aufwand gering zu halten, können beispielsweise die Ansteuerimpulse für jeden Kanal (Schalter) über trennende Übertrager zu den gesteuerten Schaltern geführt werden. Zweckmäßigerweise werden die Ansteuerimpulse über Treiber zuvor auf 25 genügende Energie gebracht, sodass an der Sekundärseite der genannten Übertrager aus diesen Ansteuerimpulsen zusätzlich Energie für eigene Treiberstufen der gesteuerten Schalter gewonnen werden kann. Ebenso sind Lösungen mit Optokopplern möglich, wobei für jeden Einzelfall entschieden werden muss, welches Konzept der galvanischen Trennung auch kostengünstig ist. 30

Die genannte galvanische Trennung mit Hilfe eines Übertragers ist in Fig. 5 skizziert. Und ein digitaler Signalprozessor DSP der Ansteuerschaltung liefert die Ansteuerimpulse für einen gesteuerten Schalter über einen Treiber TR1 an den galvanisch trennenden Übertrager TRF. Eine Hilfsversorgung HVS kann dabei den Treiber TR1 versorgen. An der anderen, galvanisch 35 getrennten Übertragerseite erfolgt eine Trennung von Signal und Energie, dargestellt durch ein Kästchen SIG für das Signal und ein Kästchen ESP für einen Energiespeicher. Einem weiteren Treiber TR2 werden nun einerseits das Signal und andererseits die benötigte Energie zugeführt und der Treiber steuert einen gesteuerten Schalter GES an. 40 Es soll auch erwähnt sein, dass die Erfindung ohne zusätzlichen Hardwareaufwand eine Energierückspeisung von der Sekundärseite auf die Primärseite durch geeignetes Verändern der Ansteuerimpulse der Schalter ermöglicht. Zu diesem Zweck wird der sekundäre Synchronschalter SS2 eingeschaltet, wodurch sich ein negativer Strom durch die Induktivität LS einstellt. Bei Ausschalten des sekundären Synchronschalters SS2 und gleichzeitigem Einschalten des se-45 kundären Synchronschalters SS1 wird dieser Strom durch die Sekundärwicklung WS des Übertragers UET geleitet. Über die Bodydioden der nicht angesteuerten primären Schalter SP1 und SP2 wird der Kondensator CZK wieder aufgeladen, wobei die sekundäre Induktivität LS bzw. Drossel als Hochsetzer wirkt. Eine Energierückspeisung wird dann nötig und von der Ansteuerschaltung AST mit ihrem Prozessor DSP veranlasst, wenn der Pendelbetrieb zur Aufrechterhal-50 tung von Hilfsversorgungen benötigt wird oder wenn, ausgelöst durch eine geeignete Zusatzschaltung, ein Netzpufferbetrieb erforderlich wird.

Dies ist z.B. bei einem Batterieladegerät der Fall, bei welchem der Pufferbetrieb in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, um weitere primäre Verbraucher zu versorgen. 55 7

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Eine solche Rückspeisung ermöglich zum Beispiel ein Aufrechterhalten einer primären und/oder sekundären Hilfsversorgung durch Hin- und Herspeisen von Energie. Dabei ist der Übertrager immer angesteuert und zusätzliche, hier nicht gezeigte, jedoch vorhin bereits erwähnte Hilfswicklungen werden weiterhin versorgt. Dies ist vor allem im Leerlauf interessant, bei welchem 5 nach Erreichen der Ausgangsspannung de facto alle Impulse gestoppt werden, wenn keine Last angeschlossen ist. Die genannte Rückspeisung kann beispielsweise auch für eine gezielte Entladung einer sekundärseitig vorgesehenen Batterie vorgesehen werden oder für eine Versorgung des Zwischenkreises (Eingangsspannung UE) im Notfall. io Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt, dass die Erfindung auch auf Sperrwandler angewendet werden kann. Dabei sind vergleichbare Teile oder Größen mit gleichen Bezugszeichen benannt, wie in Fig. 1. Bei der Schaltung nach Fig. 3 liegt lediglich ein einziger Primärschalter SP vor und nur ein einziger Synchrongleichrichter-Schalter SS an der Sekundärseite. Die Ansteuerschaltung AST erhält wieder Informationen über den Primärstrom lE und über den Ausgangsstrom lA bzw. 15 die Ausgangsspannung UA. Natürlich können andere Informationen, z.B. über die Temperatur, gleichfalls zur Ansteuerschaltung AST zugeführt werden und auch bei dieser Schaltung ist eine dynamische Anpassung an Betriebsbedingungen möglich. Da es bei einem Sperrwandler keine Überspannungen wie bei einem Flusswandler gibt, liegt hier der Hauptvorteil der Erfindung in der Kompensationsmöglichkeit der Verzögerungszeiten. Auch bei einem Sperrwandler ist eine 20 Energierückspeisung möglich.

Im Zusammenhang mit Fig. 4 soll nun einen weitere Variante der Erfindung besprochen werden. Der Übertrager UET besitzt hier eine Primärwicklung WP mit Mittelanzapfung und zwei Sekundärwicklungen WS1 und WS2. Über primäre Schalter SPA, SPB kann die obere bzw. die 25 untere Hälfte der Primärwicklung WP von dem positiven Pol der Eingangsspannung UE gegen Masse geschaltet werden. Sekundärseitig kann mit Hilfe der gesteuerten Synchronschalter SSa und SSb eine Zweiweg-Gleichrichtung erfolgen, wobei hier ein weiterer Synchronschalter SSQ als Freilaufschalter verwendet wird. Durch diesen Schalter, der ebenso wie alle übrigen Schalter, gleichfalls als Mosfet ausgebildet sein kann, wird der Freilaufstrom der sekundären Indukti-30 vität LS von dem Übertrager fern gehalten, sodass er diesen auch nicht erwärmen kann. Der Freilauf-Synchronschalter SSQ benötigt eine geringere Sperrspannung als die Gleichrichter-Synchronschalter SSA und SSB, da er nur die Sperrspannung einer der beiden Übertragerwicklungen WS1 oder WS2 sperren muss und er kann somit auch niederohmiger ausgebildet sein. Dadurch sinken auch die Kupferverluste des Transformators bzw. Übertragers, nämlich zirka 35 um ein Drittel bei völliger Übernahme des Freilaufstroms durch den Synchronschalter SSQ. Zur Vereinfachung sind in Fig. 4 die einzelnen primär- bzw. sekundärseitigen Strom- und Spannungssensoren nicht gezeigt, über welche der Ansteuerschaltung AST Informationen über den Istzustand zugeführt werden. 40 Eine nicht gezeigte Variante der Erfindung bei welcher ein eigener Freilauf-Synchronschalter SSQ wie in Fig. 4 nicht erforderlich ist, kann realisiert werden, wenn die beiden sekundären Synchronschalter SSA und SSB gezielt zum Freilaufen angesteuert werden. Der Freilaufstrom fließt dann zwar vollständig über die Sekundärwicklungen WS1 bzw. WS2 des Übertragers UET, produziert jedoch in den Schalter SSA und SSB insgesamt geringere Verluste, da es bei 45 eingeschalteten Schaltern SSA und SSB es zu einer Stromaufteilung kommt und dementsprechend zu einer Reduktion der Verlustleistung.

Fig. 6 zeigt einen möglichen Ablauf der intelligenten Ansteuerung gemäß der Erfindung. Es wird eine Anlaufsequenz für die Primärtransistoren festgelegt und sodann erfolgt eine Übergabe der so wesentlichen Parameter, insbesondere der Schaltzeiten, für einen stabilen stationären Zustand. Darauf erfolgt der gesteuerte Periodenablauf, beispielsweise so wie in Fig. 2 dargestellt. Ein SolMstwertvergleich, der insbesondere die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, jedoch auch die Temperatur betreffen kann, schließt an und dem entsprechend können die Parameter wieder geändert werden. Mit I-Limit, eingreifend auf den gesteuerten Periodenablauf, 55 ist die festgelegte Grenze für den Primärstrom bezeichnet. In einer ersten Phase des Perioden-

Claims (9)

1. 8 AT 413 908 B ablaufes erfolgt der Aufbau der Hilfsversorgungen über ein getrenntes Netzteil oder Längsregler oder Hilfsanlaufwiderstände. In der zweiten Phase erfolgt der Start des Prozessors, d.h. seines Programms, eventuell mit einem Selbsttest. Die dritte Phase beinhaltet die Ansteuerung der Primärtransistoren. Die Sekundärtransistoren(schalter) können erst später angesteuert werden, 5 da zunächst die Gleichrichtung über die Bodydioden erfolgt, sofern solche vorhanden sind. Dadurch ist ein einfacherer Programmablauf möglich und die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Prozessoren (des Prozessors) können geringer sein. In der vierten Phase ist ein stabiler Betriebszustand mit stabiler Ausgangsspannung erreicht. Nun werden auch die sekundären Schalter (Mosfets) angesteuert und die Verluste reduziert. 10 Ein wesentlicher Vorteil, den die Erfindung bietet, ist, dass zur Sicherstellung eines optimalen Betriebs die Verzögerungszeiten jedes einzelnen Ansteuerkreises berücksichtigt werden können. Beispielsweise können diese Verzögerungen in einem Testlauf beim Abgleich der Baugruppe mit Hilfe des Mikroprozessors selbst gemessen werden, und sodann im Programm 15 Berücksichtigung finden. Auch die Höhe der Eingangsspannung UE hat einen Einfluss auf die Schaltgeschwindigkeiten der primären Transistoren, da die Rückwirkung der Drain-Gate-Kapazität bei höherer Eingangsspannung die Gate-Ansteuerung stärker belastet und die Schaltgeschwindigkeit reduziert. Somit kann die Höhe der Eingangsspannung beim Abgleich der Schaltung Berücksichtigung finden, bzw. im Betrieb berücksichtigt werden. 20 Wie bereits erwähnt können die Verzögerungszeiten zwischen der Ansteuerschaltung und dem jeweiligen gesteuerten Schalter berücksichtigt werden. Man speichert diese Verzögerungszeiten zweckmäßigerweise in der Ansteuerschaltung für jeden der einzelnen Zweige - gemäß Fig. 1, beispielsweise vier Zweige - ab. Die Verzögerungszeiten für jeden Zweig sind im allge-25 meinen unterschiedlich, was seinen Grund in den unvermeidbaren Bauteiltoleranzen hat, sowie in den Toleranzen, beispielsweise der Gate-Kapazität bei Mosfets. Man kann beispielsweise beim Abgleich durch Überbrückung der Isolationsstrecke (z. B. Optokoppler) mittels direkter Leitungen die individuellen Verzögerungen lernen und abspeichern. Die Ansteuerung bzw. der Digitalsignalprozessor kann über einen getrennten Eingang die Differenz zwischen einem aus-30 gesendeten Schaltbefehl und dem tatsächlich umgesetzten Schaltbefehlt errechnen und abspeichern. Der digitale Prozessor DSP der Ansteuerschaltung AST kann die Einschaltzeiten auch ausschließlich digital errechnen, wobei dann keine derzeit allgemein üblichen Rampengeneratoren 35 vorhanden sind, die von dem Prozessor lediglich gestartet werden. Diese Lösung bietet viel Flexibilität, jedoch muss der Prozessor ausreichend schnell takten, damit die nötige Regelfeinheit erreicht werden kann. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einer Schaltnetzteil-Taktfrequenz von 50 kHz liegen 25ns-Schritte des Prozessors vor. 40 Patentansprüche: 1. Schaltwandler mit einem Übertrager (UET), der zumindest eine Primärwicklung (WP) und zumindest eine Sekundärwicklung (WS) aufweist, 45 mit zumindest einem gesteuerten Primärschalter (SP1, SP2) über welchen eine Eingangs gleichspannung (UE) periodisch und mit vorgebbaren Tastverhältnis und/oder vorgebbarer Frequenz an die zumindest eine Primärwicklung legbar ist, und mit zumindest einem, der zumindest einen Sekundärwicklung zugeordneten gesteuerten Synchronschalter (SS1, SS2) zur Synchrongleichrichtung, so dadurch gekennzeichnet, dass eine für die Primär- und die Sekundärseite gemeinsame Ansteuerschaltung (AST) mit einem digitalen Prozessor (DSP) vorgesehen ist, welche, abgeleitet von einem gemeinsamen Taktgeber (CLK), sowohl die Schaltimpulse für den zumindest einen Primärschalter (SP1, SP2) als auch jene für den zumindest einen Synchronschalter (SS1, SS2) erzeugt. 55 9 AT 413 908 B
2. 2. Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine sekundärseitige Synchronschalter (SS1, SS2) als Mosfet ausgebildet ist.
3. 3. Schaltwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Primärkreis 5 ein Stromsensor (RP) zur Lieferung einer Information über den Primärstrom an die Ansteu erschaltung (AST) vorgesehen ist.
4. 4. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als Flusswandler ausgebildet ist. 10
5. 5. Schaltwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, die sekundären Schalter (SS1, SS2) vor den primären Schaltern (SP1, SP2) zu schließen.
6. 6. Schaltwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer Sekundär wicklung (WS) des Übertragers (UET) ein Längs-Synchronschalter (SS1) und ein vor einer Längsinduktivität (LS) liegender Querschalter (SS2) nachgeschaltet ist, und die Ansteuerschaltung (AST) dazu eingereichtet ist, die primären und sekundären Schalter (SP1, SP2, SS1, SS2) durch Änderung der zeitlichen Folge ihres Schaltens im Sinne einer Energie- 20 rückspeisung von der Sekundärseite auf die Primärseite anzusteuern.
7. 7. Schaltwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, die primären und sekundären Schalter (SP1, SP2; SS1, SS2) im Sinne eines Pendelns der Leistung zwischen der Primär- und der Sekundärseite zur 25 Aufrechterhaltung von Hilfsversorgungsspannungen anzusteuern.
8. 8. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die An steuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, die Verzögerungszeiten zwischen ihren Schaltbefehlen und dem Schalten der jeweiligen gesteuerten Schalter abzuspeichern und 30 beim Steuerungsablauf zu berücksichtigen.
9. 9. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die An steuerschaltung (AST) auf einer einzigen Potenzialebene liegt, wobei die primären und/oder sekundären Schalter (SP1, SP2, SPA, SPB, SP; SS1, SS2, SSA, SSB, SSQ, SS) 35 potential getrennt angesteuert sind. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 40 45 50 55