AT506327A4

AT506327A4 - COMBINED FLOW LOCKER

Info

Publication number: AT506327A4
Application number: AT7682008A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Helmut Votzi; Andreas Hoffelner
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-08-15
Also published as: AT506327B1

Description

       

  Kombinierter Durchfluss-Sperrwandler 

  
Die Erfindung betrifft Gleichspannungswandler bestehend aus einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (Nl) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (Ul) angeschlossen wird, aus zwei Dioden (Dl, D2) und einem Kondensator (C) parallel zu den Ausgangsklemmen (3, 4). Statt eines potentialtrennenden Zweiwicklungstrafo kann auch ein Spartransformator verwendet werden. Die Offenlegung behandelt neue Schaltungen zur Nutzung der Magnetisierungsenergie von in Durchflusswandlertransformatoren gespeicherter Energie. 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 benötigt man eine Diode, um die Magnetisierungsenergie in den Ausgangskreis abzubauen Die zur Magnetisierung erforderliche Energie wird wie mit einem Sperrwandler in der Ent agnetisierungsphase an den Ausgang abgegeben. Die Sekundärwicklung wird daher während der Einschaltzeit des aktiven Schalters als Durchflusswandlerwicklung und während der Ausschaltzeit des aktiven Schalters als Sperrwandlerwicklung verwendet. 

  
Das besonders Interessante an dieser neuen Topologie ist die Tatsache, dass nur zwei Dioden, ein Trafo mit zwei Wicklungen und ein Speicherkondensator notwendig sind. Dies stellt eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem klassischen Durchflusswandler dar. 

  
Zur Beschreibung der grundsätzlichen Funktion des Konverters werden folgende Annahmen getroffen: ideale Bauelemente, diskontinuierlicher Betrieb, eingeschwungener Zustand und konstante Eingangs- und Ausgangsspannung. Die Schaltperiode kann in drei Bereiche zerlegt werden. Ist der aktive Schalter (S) eingeschaltet, so liegt an der Primärwicklung (Nl) die volle Eingangsspannung (Ul). Auf der Sekundärseite (N2) entsteht dadurch die Spannung (N2/N1U1 . Diese Spannung treibt nun einen Strom durch die Spule  (L), der linear ansteigt und gemäss -Jf- = -j-¯ <auch durch die> Sekundärwicklung (N2) dt 

  
JV, L fliesst. Auf der Primärseite (Nl) fliesst daher ein Strom, der sich aus dem transformierten 

  
N*[tau] \ 

  
L 

  
K<N>> 

  
Sekundärstrom und dem Magnetisierungsstrom zu im 

  
't zusammensetzt. 

  
Wird der aktive Schalter (S) ausgeschaltet, so läuft sich der Spulenstrom über die beiden Dioden Dl und D2 und dem Ausgangskreis frei. Damit der Fluss im Transformator nicht springt, kommutiert der Magnetisierungsstrom in die Sekundärwicklung (N2) auf den Wert z- = - l t und baut sich linear über den Ausgangskondensator (C) und Diode D2 ab. 

  
Wenn der Magnetisierungsstrom null erreicht hat, ist der Trafo entmagnetisiert. Vor dem neuerlichen Einschalten des aktiven Schalters (S) muss der Transformator entmagnetisiert sein. Da die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung sein muss (da ideale Bauelemente 

  
angenommen werden) Pout = - U 2<2>-= f<>, , lässt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis des 

  
R Konverters einfach bestimmen. Der Strom in der Spule steigt während der Einschaltzeit (diese 

  
U N errechnet sich aus dem Tastverhältnis d) bis auf den Wert [Delta]IL =- --?-dT\md führt so zu 

  
X 1 V 1 

  
[Delta] <2> einer in der Spule (L) gespeicherten Energie von WL =- -L . Gleichzeitig steigt der 

  
Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung (N 1 ) auf b m = - -dT. Damit ist im 

  
AI<2> Transformator die Magnetisierungsenergie von Wm =-- --1^ gespeichert. Ll ist dabei die 

  
Induktivität der Primärwicklung (Nl). Während der Ausschaltzeit müssen sich im diskontinuierlichen Betrieb beide magnetischen Bauelemente (Transformator, Spule) 

  
V<2> f V vollständig entmagnetisieren. Es gilt daher mit der Schaltfrequenz f und -^- = / <> \WL + Wm .) 

  
U, f 

  
U-, [pi] a N*[tau]. \ das Spannungsübersetzungsverhältnis - = v[iota]? -+- = K--jR -d . Man 

  
U, -yss-f L JL 

  
K<N>* J erkennt, dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung, dem Tastverhältnis d, der Wurzel des Lastwiderstandes und einem vom Aufbau der magnetischen Bauelemente und der Frequenz abhängigen Faktor bestimmt ist. 

  
TO9/20090fll3//ss.&l-[mu] <2> ,-, [pi] das Spannungsübersetzungsverhältnis - = v[iota]? 

  
U U ,- 

  
U ,-, [pi] a f *[tau] \ 

  
N *[tau]. 

  
U, 

  
-yss-f 

  
K<N>*J  Die Figuren zeigen den Stand der Technik in Form des klassischen Durchflusswandlers (Fig. 1) mit einem aktiven Schalter und Entmagnetisierungssperrwandler und die neuen Konverterstrukturen Schaltungen (Fig. 2 bis 4). 

  
Das Problem, einen einfachen kombinierten Durchfluss- Sperrwandler mit einfachsten Mitteln zu realisieren geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass zwischen dem Wicklungsanfang (a) der Sekundärwicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (Dl) und der positiven Ausgangsklemme (3), die weiters mit dem Wicklungsende (b) der Sekundärwicklung (N2) verbunden ist, geschaltet ist und die negative Ausgangsklemme (4) an die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, deren Kathode mit dem Wicklungsanfang (a) der Sekundärwicklung (N2) verbunden ist.

   (Fig. 2) , oder dass bei der Lösung mit einem Spartransformator zwischen dem Wicklungsanfang (a) der zweiten Wicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (Dl) und der positiven Ausgangsklemme (3), die weiters mit dem Wicklungsende (b) der zweiten Wicklung (N2) verbunden ist, geschaltet ist und die negative Ausgangsklemme (4) mit der Anode der zweiten Diode (D2) verbunden ist, deren Kathode mit dem Wicklungsanfang (a) der zweiten Wicklung (N2) verbunden ist (Fig.

   3), oder bei einer anderen Strukturierung des Spartransformators zwischen dem Wicklungsanfang (a) der ersten Wicklung (Nl) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (Dl) und der positiven Ausgangsklemme (3), die weiters mit dem Wicklungsende (b) der zweiten Wicklung (N2) verbunden ist, geschaltet ist und die negative Ausgangsklemme (4) mit der Anode der zweiten Diode (D2) verbunden ist, deren Kathode mit dem Wicklungsanfang (a) der ersten Wicklung (Nl) verbunden ist (Fig. 4). 

  
Es ist auch sinnvoll zur Reduktion der Durchlassverluste, dass parallel zur ersten (Dl) und oder zur zweiten Diode (D2) jeweils ein aktiver Schalter geschaltet wird (synchrone Gleichrichtung). 

  
Es sei auch besonders betont, dass zwecks Reduktion der parasitären Induktivitäten es sinnvoll ist, dass die erste (Dl) und die zweite Diode (D2) in Serie geschaltet und in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Weiters kann man auch den oben erwähnten synchronen Gleichrichter durch ein Halbbrückenmodul realisieren.  Bezugszeichenaufstellung 

  
(Ul) Eingangsspannung 

  
(U2) Ausgangsspannung 

  
CD Trafo 

  
(Nl) Primärwicklung 

  
(N2) Sekundärwicklung 

  
(N3) Entmagnetisierungswicklung 

  
(D) Diode 

  
(Dl) Diode 

  
(D2) Diode 

  
(S) aktiver Schalter 

  
( ) Induktivität 

  
(C) Kondensator 

  
(a) Wicklungsanfang 

  
(b) Wicklungsende 

  
(1) Eingangsklemme 

  
(2) Eingangsklemme (Bezugspunkt) 

  
(3) Ausgangsklemme 
 <EMI ID=4.1> 
 (4) Ausgangsklemme (Bezugspunkt)



  Combined flow blocking converter

  
The invention relates to DC-DC converters consisting of a transformer (T) with at least one secondary winding (N2), wherein the primary winding (Nl) of the transformer (T) is connected in series with an active switch (S) and at this series circuit, the input voltage (Ul) is connected, consisting of two diodes (Dl, D2) and a capacitor (C) in parallel with the output terminals (3, 4). Instead of a potential-isolating two-winding transformer, an autotransformer can also be used. The disclosure discusses new circuits for utilizing the magnetization energy of stored energy in flow transformer transformers. The flow converter usually uses two different measures for demagnetizing the transformer depending on the power to be transmitted.

   For the range between 100 W and 1 kW usually a primary winding bifilar, own demagnetization winding is used, which forms together with this a flyback converter, with which the magnetizing current is periodically broken down again. For larger powers, a topology consisting of two active and two passive switches is used.

  
In the invention shown here, a separate demagnetization winding is dispensed with in contrast to the classical forward converter circuit. This facilitates the manufacture of the converter transformer. In addition, a diode is required to reduce the magnetization energy into the output circuit. The energy required for magnetization is delivered to the output as with a flyback converter in the de-magnetization phase. The secondary winding is therefore used as a flyback converter winding during the on-time of the active switch and as a flyback converter winding during the off-time of the active switch.

  
The most interesting thing about this new topology is the fact that only two diodes, a transformer with two windings and a storage capacitor are necessary. This represents a significant improvement over the classical flow converter.

  
To describe the basic function of the converter, the following assumptions are made: ideal components, discontinuous operation, steady state and constant input and output voltage. The switching period can be divided into three areas. If the active switch (S) is switched on, the full input voltage (Ul) is applied to the primary winding (Nl). The voltage (N2 / N1U1) then arises on the secondary side (N2), this current then drives a current through the coil (L), which rises linearly and according to -Jf- = -j-¯ <also through the> secondary winding (N2) dt

  
JV, L is flowing. Therefore, on the primary side (Nl) flows a current, which is transformed from the transformed

  
N * [tau] \

  
L

  
K <N >>

  
Secondary current and the magnetizing current to im

  
't composed.

  
If the active switch (S) is switched off, the coil current flows through the two diodes Dl and D2 and the output circuit. So that the flux does not jump in the transformer, the magnetizing current commutates into the secondary winding (N2) to the value z- = -l t and builds linearly across the output capacitor (C) and diode D2.

  
When the magnetizing current reaches zero, the transformer is demagnetized. Before switching the active switch (S) on again, the transformer must be demagnetized. Since the input power must be equal to the output power (because ideal components

  
Pout = - U 2 <2> - = f <>,, can be the voltage translation ratio of

  
Simply determine the converter. The current in the coil increases during the switch-on time (this

  
U N is calculated from the duty factor d) except for the value [Delta] IL = - -? - dT \ md leads to this

  
X 1 V 1

  
[Delta] <2> of an energy stored in the coil (L) of WL = - -L. At the same time the rising

  
Magnetizing current in the primary winding (N 1) to b m = - -dT. This is in the

  
AI <2> transformer stored the magnetization energy of Wm = - - ^. Ll is doing the

  
Inductance of the primary winding (Nl). During the switch-off time, both magnetic components (transformer, coil) must operate in discontinuous operation.

  
Fully demagnetise V <2> f V. It therefore applies with the switching frequency f and - ^ - = / <> \ WL + Wm.)

  
U, f

  
U-, [pi] a N * [tau]. \ the voltage translation ratio - = v [iota]? - + - = K - jR -d. you

  
U, -yss-f L JL

  
K <N> * J recognizes that the output voltage is determined by the input voltage, the duty factor d, the root of the load resistance and a factor dependent on the design of the magnetic components and the frequency.

  
TO9 / 20090fll3 // ss. & L- [mu] <2>, -, [pi] the voltage translation ratio - = v [iota]?

  
U U, -

  
U, -, [pi] a f * [tau] \

  
N * [tau].

  
U,

  
-YSS-f

  
The figures show the state of the art in the form of the classical forward converter (FIG. 1) with an active switch and degaussing flyback converter and the new converter structures circuits (FIGS. 2 to 4).

  
The problem to realize a simple combined flow flyback converter with the simplest means is done according to the invention in that between the winding start (a) of the secondary winding (N2) a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (Dl) and the positive Output terminal (3), which is further connected to the winding end (b) of the secondary winding (N2) is connected, and the negative output terminal (4) to the anode of the second diode (D2) is connected, the cathode with the winding start (a) the secondary winding (N2) is connected.

   (FIG. 2), or that in the solution with an autotransformer between the winding start (a) of the second winding (N2), a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (D1) and the positive output terminal (3) , which is further connected to the winding end (b) of the second winding (N2), and the negative output terminal (4) is connected to the anode of the second diode (D2) whose cathode is connected to the winding start (a) of the second winding (N2) is connected (Fig.

   3), or in another structuring of the autotransformer between the beginning of the winding (a) of the first winding (Nl) a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (Dl) and the positive output terminal (3), which further with the winding end (b) of the second winding (N2) is connected, and the negative output terminal (4) is connected to the anode of the second diode (D2) whose cathode is connected to the winding start (a) of the first winding (Nl) is (Figure 4).

  
It is also useful to reduce the forward losses, that in parallel to the first (Dl) and / or to the second diode (D2) in each case an active switch is switched (synchronous rectification).

  
It should also be emphasized that in order to reduce the parasitic inductances, it makes sense that the first (D1) and the second diode (D2) are connected in series and housed in a single housing. Furthermore, one can also realize the above-mentioned synchronous rectifier by a half-bridge module. REFERENCE NUMBERS

  
(Ul) input voltage

  
(U2) output voltage

  
CD transformer

  
(Nl) primary winding

  
(N2) secondary winding

  
(N3) Degaussing winding

  
(D) diode

  
(DI) diode

  
(D2) diode

  
(S) active switch

  
() Inductance

  
(C) Capacitor

  
(a) winding start

  
(b) winding end

  
(1) input terminal

  
(2) input terminal (reference point)

  
(3) Output terminal
 <EMI ID = 4.1>
 (4) Output terminal (reference point)

Claims

claims

1. DC-DC converter, consisting of a transformer (T) with at least one secondary winding (N2), wherein the primary winding (Nl) of the transformer (T) in series with an active switch (S) is connected and on this series circuit, the input voltage (Ul) is connected, of two diodes (Dl, D2) and a capacitor (C) parallel to the output terminals (3, 4), characterized in that between the winding start (a) of the secondary winding (N2) is a series circuit consisting of an inductance (L ) and a first diode (D1) and the positive output terminal (3), which is further connected to the winding end (b) of the secondary winding (N2), and the negative output terminal (4) to the anode of the second diode (D2) is connected, whose cathode is connected to the winding start (a) of the secondary winding (N2). (Fig. 2)

1. DC-DC converter consisting of a transformer (T) with at least one secondary winding (N2), wherein the primary winding (Nl) of the transformer (T) in series with an active switch (S) is connected and connected to this series circuit, the input voltage (Ul) is, of two diodes (Dl, D2) and a capacitor (C) in parallel to the output terminals (3, 4) characterized in that between the winding start (a) of the secondary winding (N2) is a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (D1) and the positive output terminal (3), which is further connected to the winding end (b) of the secondary winding (N2), and the negative output terminal (4) is connected to the anode of the second diode (D2) is, whose cathode is connected to the winding start (a) of the secondary winding (N2). (Fig. 2)

2. DC-DC converter, consisting of an autotransformer - consisting of a magnetic core and a first winding (Nl) and a second winding (N2), which are connected in series - which is further connected in series with an active switch (S) and connected to this series circuit, the input voltage (Ul), of two diodes (Dl, D2) and a capacitor (C) parallel to the output terminals (3, 4), characterized in that between the winding start (a) of the second winding (N2) a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (Dl) and the positive output terminal (3), which is further connected to the winding end (b) of the second winding (N2) is connected, and the negative output terminal (4 ) is connected to the anode of the second diode (D2) whose cathode is connected to the beginning of the winding (a)

the second winding (N2) is connected. (Fig. 3)

2. DC-DC converter consisting of an autotransformer - consisting of a magnetic core and a first winding (Nl) and a second winding (NT), which are connected in series - which is further connected in series with an active switch (S) and to this series connection the input voltage (Ul) is connected, of two diodes (Dl, D2) and a capacitor (C) parallel to the output terminals (3, 4) characterized in that between the winding start (a) of the second winding (N2) a Series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (Dl) and the positive output terminal (3), which is further connected to the winding end (b) of the second winding (N2) connected, and the negative output terminal (4) is connected to the anode of the second diode (D2) whose cathode is connected to the beginning of the winding (a)

the second winding (N2) is connected. (Fig. 3)

3. DC-DC converter, consisting of a first positive (1) and second negative (2) input terminal, between which the series connection of a second winding (N2) of an autotransformer - consisting of a magnetic core and a first winding (Nl) and a second winding (N2), which are connected in series - and an active switch S is connected, and a first positive (3) and second negative (4) output terminal, between which a capacitor (C) is connected, further comprising an inductor (L) and two diodes (D1, D2) characterized in that between the winding start (a) of the first winding (Nl) a series circuit consisting of an inductance (L) and a first diode (Dl) and the positive output terminal (3), further connected to the winding end (b) of the second winding (N2),

is connected and the negative output terminal (4) is connected to the anode of the second diode (D2) whose cathode is connected to the winding start (a) of the first winding (Nl). (Fig. 4)

3. DC-DC converter consisting of a first positive (1) and second negative (2) input terminal, between [omega] nen the series connection of a second winding (Nl) of an autotransformer - consisting of a magnetic core and a first winding (Nl) and a second winding (N2), which are connected in series - and an active switch S is connected, and a first positive (3) and second negative (4) output terminal, between which a capacitor (C) is connected, further comprising an inductance ( L), of two diodes (Dl, D2) characterized in that between the winding start (a) of the first winding (Nl) a series circuit consisting of an inductor (L) and a first diode (Dl) and the positive output terminal (3 ) further connected to the winding end (b) of the second winding (N2),

4. DC-DC converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that parallel to the first (Dl) and / or to the second diode (D2) in each case an active switch is connected.

4. DC-DC converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that in parallel to the first (Dl) and or to the second diode (D2) each have an active switch is connected.

5. DC-DC converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first (Dl) and the second diode (D2) are connected in series in a single housing.

6. DC-DC converter according to claim 4, characterized in that the semiconductors are accommodated for the synchronous rectifier in a single housing.

claims