AT504948B1 - Kombinierter sperr-durchflusswandler ohne entmagnetisierungswicklung - Google Patents

Description

2 AT 504 948 B1

Die Erfindung betrifft kombinierte Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (111) angeschlossen wird, und an das Wicklungsende (b) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Kathode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Anode die Anode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zugehörige zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsanfang (a) und der Kathode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist, oder an den Wicklungsanfang (a) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Anode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Kathode die Kathode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zugehörige zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsende (b) und der Anode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist, oder an den Wicklungsanfang (a) einer der Sekundärwicklungen die Anode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Kathode die Kathode einer zweiten Diode (D2) und ein Anschluss einer Spule (L) angeschlossen sind, wobei der zweite Anschluss der Spule mit einem ersten Kondensator (C1) und der ersten Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zweite Ausgangsklemme des Konverters, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1), die Anode der zweiten Diode (D2) mit dem Wicklungsende (b) zusammengeschaltet sind, oder an das Wicklungsende (b) einer der Sekundärwicklungen die Kathode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Anode die Anode einer zweiten Diode (D2) und ein Anschluss einer Spule (L) angeschlossen ist, deren zweiter Anschluss mit einem ersten Kondensator (C1) und der ersten Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zweite Ausgangsklemme des Konverters, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1), die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem Wicklungsanfang (a) zusammengeschaltet sind.

Die Erfindung betrifft, vereinfacht ausgedrückt, Vorrichtungen zur Entmagnetisierung von Transformatoren in leistungselektronischen Konvertern bei gleichzeitiger Erzeugung einer weiteren Spannung. Beim Durchflusswandler werden üblicherweise zwei verschiedene Maßnahmen zur Entmagnetisierung des Transformators je nach zu übertragender Leistung verwendet. Für den Bereich zwischen 100 W und 1 kW wird eine, meist zur Primärwicklung bifilare, eigene Entmagnetisierungswicklung verwendet, die zusammen mit dieser einen Sperrwandler bildet, mit dem der Magnetisierungsstrom periodisch wieder abgebaut wird. Bei größeren Leistungen wird eine aus zwei aktiven und zwei passiven Schaltern bestehende Topologie verwendet.

Bei der hier dargestellten Erfindung wird im Gegensatz zur klassischen Durchflusswandlerschaltung auf eine eigene Entmagnetisierungswicklung verzichtet. Dies erleichtert die Herstellung des Wandlertransformators. Zusätzlich gewinnt man ohne besonderen Aufwand eine weitere potentialgetrennte Ausgangsspannung, die mit einem eigenen zweiten Kondensator gepuffert wird. Man benötigt je nach geforderter Polarität keine oder eine zusätzliche Diode. Die zur Magnetisierung erforderliche Energie wird wie bei einem Sperrwandler in der Entmagnetisierungsphase an den zusätzlichen Ausgang abgegeben. Die Sekundärwicklung wird daher während der Einschaltzeit des aktiven Schalters als Durchflusswandlerwicklung und während der Ausschaltzeit des aktiven Schalters als Sperrwandlerwicklung verwendet.

Zum Stand der Technik werden im Recherchenbericht SU 1676032 A1 und DE 195 06 009 A1 angeführt. SU 1676032 A1 zeigt einen Durchflusswandler ohne Entmagnetisierungswicklung, bei dem zwischen der positiven Ausgangsklemme und dem Wicklungsanfang der Sekundärwicklung eine Serienschaltung einer dritten Diode mit einem zweiten Kondensator geschaltet ist, wobei die Anode dieser dritten Diode mit der Ausgangsklemme verbunden ist. Zusätzlich ist die dritte Diode durch einen (bipolaren) Hilfstransistor überbrückt. Die Entmagnetisierung des Trafos erfolgt wie bei der gegenständlichen Erfindung über die Sekundärwicklung. Zum 3 AT 504 948 B1

Entmagnetisieren steht die Summe von Ausgangsspannung und Spannung am zweiten Kondensator zur Verfügung. Beim Entmagnetisieren verringert sich die Ausgangsspannung bei entsprechender Dimensionierung nur leicht, die Spannung am zweiten Kondensator erhöht sich. Die Entmagnetisierungsenergie (plus ein Teil der Energie des Ausgangskondensators) wird in den zweiten Kondensator übertragen, dessen Spannung dadurch ansteigt. Durch Einschalten des Hilfstransistors kann Energie aus dem zweiten Kondensator in den Ausgangskreis übertragen werden. Der Stromkreis schließt sich dabei über die Sekundärwicklung. Die Schaltung unterscheidet sich deutlich gegenüber der gegenständlichen Erfindung, bei der die Magnetisierungsenergie zur Erzeugung einer Hilfsspannung verwendet wird. Es ist dabei kein Hilfstransistor erforderlich, der zusätzlich eine potentialfreie Ansteuerung erfordert. Zusätzlich sei angemerkt, dass bei entsprechender Polung der Hilfsausgangsspannung keine dritte Diode erforderlich ist. Trotzdem stellt die Schaltung nach SU 1676032 A1 ein interessantes Konzept dar.

In DE 195 06 009 A1 wird ein Eintaktdurchflusswandler mit einem Transformator, der auch ohne Entmagnetisierungswicklung auskommt, dargestellt. Die Entmagnetisierung erfolgt hier über die Primärwicklung.

In AT 412.827 B (HIMMELSTOSS) wird ebenfalls ein kombinierter Sperr-Durchflusswandler behandelt, bei dem die Entmagnetisierung ohne zusätzliche Entmagnetisierungswicklung erfolgt. Hierbei wird die Magnetisierungsenergie in den selben Ausgangskreis gespeist wie die durch den Durchflusswandler übertragene Energie. Der stationäre Betrieb der Schaltung erfordert einen diskontinuierlichen Betrieb des Durchflusswandlers. In WO 96/08071 (PHILIPS) wird ebenfalls auf eine Entmagnetisierung durch eine eigene Wicklung verzichtet und die Sekundärwicklung nach Art eines Sperrwandlers zur Entmagnetisierung in den Ausgangskreis verwendet. Es bestehen jedoch einige Unterschiede zu AT 412.827 B. So benötigt die Schaltung immer (mindestens) vier Dioden, die in der Art einer Graetzbrücke angeordnet sind. Ein gravierender Nachteil von WO 96/08071 ist auch die Tatsache, dass der Freilauf der Induktivität L immer über zwei Diodenstrecken erfolgt, dadurch also höhere Verluste auftreten und damit ein schlechterer Wirkungsgrad erzielt wird. Dies kann nur durch Einbau einer fünften Diode verhindert werden, die aber natürlich den Aufwand der Schaltung steigert.

Mit der gegenständlichen Erfindung kann mit minimalem Aufwand eine weitere Spannung erzeugt werden und auch die Entmagnetisierungswicklung vermieden werden.

Die Aufgabe, den Transformator zu entmagnetisieren und eine weitere Ausgangsspannung zu erzeugen, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige negative Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Anode der ersten Diode (D1) mit der Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind. Weiter ist es jedoch auch möglich, an das Wicklungsende (b) die Anode einer dritten Diode (D3) anzuschließen, deren Kathode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist. (Anspruch 1 und 2, Fig. 2.b).

Eine weitere Lösung besteht darin, dass der Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige positive Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Kathode der ersten Diode (D1) mit der Kathode der zweiten Diode (D2) geschalten sind. Weiter ist es jedoch auch möglich, an den Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) die Kathode einer dritten Diode (D3) zu schalten und deren Anode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters zu verbinden. (Anspruch 3 und 4, Fig. 2.d)

Claims (8)

1. 4 AT 504 948 B1 Eine weitere Lösung besteht darin, dass an den Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) die Kathode einer dritten Diode (D3) geschaltet ist und die Anode der dritten Diode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige positive Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) geschaltet sind. (Anspruch 5, Fig. 2.a) Eine weitere Lösung besteht schließlich darin, dass an das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) die Anode einer dritten Diode (D3) angeschlossen ist, deren Kathode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige negative Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) geschaltet sind. (Anspruch 6, Fig. 2.c) Die Figuren zeigen den Stand der Technik (Fig. 1), das neue Konzept (Fig. 2) und die Kopplung der Ausgangsspannungen mit einem DC/DC Wandler (Fig. 3). Figur 1 stellt den klassischen Durchflusswandler mit einem aktiven Schalter und dem Entmagnetisierungssperrwandler dar. Figur 2 zeigt Abwandlungen des Durchflusswandlers und die zugehörige Anordnung zur Erzeugung der zweiten Spannung mit Hilfe der Wicklung N2 als Sperrwandlerwicklung. Je nach Anordnung von Spule (L) und der ersten Diode (D1) ist der Aufwand größer oder kleiner. Bei der Variante 2.a und 2.c sind neben dem bei allen Varianten erforderlichen Pufferkondensator (C2) eine zusätzliche dritte Diode (D3) erforderlich. Diese kann aus Entstörgründen auch bei den Varianten 2.b und 2.d eingebaut werden, muss aber nicht. In diesem Fall ergibt sich eine besonders einfache Struktur. Figur 3 zeigt die Verkoppelung der beiden Ausgangsspannungen des Konverters durch einen nicht potentialgetrennten DC/DC Konverter. Diese sind beispielhaft als bidirektionale Halbbrückenkonverter gezeichnet. Die Ausgangsspannungen haben einen Anschluss gemeinsam. Wenn die Spannungen unterschiedliche Polarität haben, ergibt sich als einfache Lösung ein Buck-Boost Konverter nach Fig. 3.a. Haben beide Spannungen gleiche Polarität, dann empfiehlt sich die Schaltung Fig. 3.b. Anzumerken sei, dass die Spannung im nichtlückenden Betrieb eines Konverters nach Fig. 2 am zweiten Kondensator (C2) betragsmäßig größer ist, als am ersten Kondensator (C1). Typischerweise wird man die Spannung am zweiten Kondensator (C2) über das Tastverhältnis des primären Schalters (S) steuern bzw. regeln und die Spannung an C2 mit Hilfe des DC/DC Wandlers. Patentansprüche: 1. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an das Wicklungsende (b) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Kathode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Anode die Anode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zugehörige zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind, und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsanfang (a) und der Kathode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige negative Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss 5 AT 504 948 B1 des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Anode der ersten Diode (D1) mit der Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind. (Fig. 2.b)
2. 2. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an das Wicklungsende (b) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Kathode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Anode die Anode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zugehörige zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind, und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsanfang (a) und der Kathode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass an das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) die Anode einer dritten Diode (D3) angeschlossen ist, deren Kathode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige negative Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Anode der ersten Diode (D1) mit der Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind. (Fig. 2.b2)
3. 3. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an den Wicklungsanfang (a) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Anode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Kathode die Kathode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zugehörige zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsende (b) und der Anode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige positive Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Kathode der ersten Diode (D1) mit der Kathode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind. (Fig. 2.d)
4. 4. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an den Wicklungsanfang (a) einer der Sekundärwicklungen (N2) die Anode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Kathode die Kathode einer zweiten Diode (D2), ein Anschluss eines ersten Kondensators (C1) und die erste Ausgangsklemme des Konverters verbunden sind und die zweite Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1) mit einer Spule (L) verbunden sind und der zweite Anschluss der Spule (L) mit dem Wicklungsende (b) und der Anode der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) an die Kathode einer dritten Diode (D3) geschaltet ist und deren Anode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige positive Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an die Verbindung der Kathode der ersten Diode (D1) mit der Kathode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind. (Fig. 2.d.b)
5. 5. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit 6 AT 504 948 B1 einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an den Wicklungsanfang (a) einer der Sekundärwicklungen die Anode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Kathode die Kathode einer zweiten Diode (D2) und ein Anschluss einer Spule (L) angeschlossen sind, wobei der zweite Anschluss der Spule mit einem ersten Kondensator (C1) und der ersten Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zweite Ausgangsklemme des Konverters, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1), die Anode der zweiten Diode (D2) mit dem Wicklungsende (b) zusammengeschaltet sind dadurch gekennzeichnet, dass an den Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) die Kathode einer dritten Diode (D3) geschaltet ist und die Anode der dritten Diode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren negativen Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige positive Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) geschaltet sind. (Fig. 2.a)
6. 6. Kombinierter Sperr-Durchflusswandler mit einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) liegt und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird und an das Wicklungsende (b) einer der Sekundärwicklungen die Kathode einer ersten Diode (D1) angeschlossen ist, an deren Anode die Anode einer zweiten Diode (D2) und ein Anschluss einer Spule (L) angeschlossen ist, deren zweiter Anschluss mit einem ersten Kondensator (C1) und der ersten Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zweite Ausgangsklemme des Konverters, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C1), die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem Wicklungsanfang (a) zusammengeschaltet sind dadurch gekennzeichnet, dass an das Wicklungsende (b) derselben Sekundärwicklung (N2) die Anode einer dritten Diode (D3) angeschlossen ist, deren Kathode mit einem zweiten Kondensator (C2) und einer weiteren positiven Ausgangsklemme des Konverters verbunden ist und die zugehörige negative Ausgangsklemme des Konverters und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den Wicklungsanfang (a) derselben Sekundärwicklung (N2) geschaltet sind. (Fig. 2.c)
7. 7. Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Kondensator (C1) ein Anschlussklemmenpaar und an den zweiten Kondensator (C2) das weitere Anschlussklemmenpaar eines uni- oder bidirektionalen DC/DC Konverters geschaltet ist.
8. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spannungen mit Hilfe des DC/DC Konverters geregelt wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen