AT506912B1

AT506912B1 - Kombinierter durchfluss-sperrwandler

Info

Publication number: AT506912B1
Application number: AT8732008A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Helmut Votzi; Andreas Hoffelner; Marcus Dipl Ing Fh Eder
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2012-05-15
Also published as: AT506912A1

Abstract

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 Entmagnetisierungsphase 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. Die Schaltung besticht durch extreme Einfachheit. Der Wirkungsgrad kann durch Zufügen einer dritten Diode verbessert werden.

Description

österreichisches Patentamt AT506 912B1 2012-05-15

Beschreibung

KOMBINIERTER DURCHFLUSS-SPERRWANDLER

[0001] Die Erfindung betrifft Gleichspannungswandler, bestehend aus einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird, oder bestehend aus einem Spartransformator -bestehend aus einem magnetischen Kern und aus einer ersten Wicklung (N1) und einer zweiten Wicklung (N2), die in Serie geschaltet sind - der weiters in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird, aus zwei Dioden (D1, D2) und einem Kondensator (C) parallel zu den Ausgangsklemmen (3, 4), wobei zwischen dem Wicklungsanfang (a) der Sekundärwicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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, oder zwischen dem Wicklungsanfang (a) der zweiten Wicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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, oder Gleichspannungswandler, bestehend aus einer ersten positiven (1) und zweiten negativen (2) Eingangsklemme, zwischen denen die Serienschaltung einer zweiten Wicklung (N2) eines Spartransformators - bestehend aus einem magnetischen Kern und aus einer ersten Wicklung (N1) und einer zweiten Wicklung (N2), die in Serie geschaltet sind - und eines aktiven Schalters S geschaltet ist, und einer ersten positiven (3) und zweiten negativen (4) Ausgangsklemme, zwischen denen ein Kondensator (C) geschaltet ist, weiters aus einer Induktivität (L) und aus zwei Dioden (D1, D2), wobei zwischen dem Wicklungsanfang (a) der ersten Wicklung (N1) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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 (N1) verbunden ist, weiters kann parallel zur ersten (D1) und/oder zur zweiten Diode (D2) jeweils ein aktiver Schalter geschaltet werden, wobei die erste (D1) und die zweite Diode (D2) in Serie geschaltet in einem einzigen Gehäuse untergebracht sein können.

[0002] Die Patentschrift AT 506 327 B1 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. JP 7194103 (MATSUSHITA) zeigt einen Durchflusswandler mit zwei kapazitiv verknüpften Sekundärstromkreisen. Eine Entmagnetisierung des Transformators kann mit diesem Konzept jedoch nicht erreicht werden. Die in der Hauptinduktivität gespeicherte Energie muss durch zusätzliche Maßnahmen abgebaut werden. Bei der gegenständlichen Erfindung wird jedoch diese Energie prinzipiell verlustlos an den Ausgang abgegeben.

[0003] SU 1474810 A1 (ELEKTROMECH RES INS) behandelt einen Tiefsetzsteller, bei dem die Schaltverluste verringert werden sollen. Dabei werden gekoppelte Spulen verwendet. US 3,932,800 (MITSUBISHI) stellt einen Thyristorchopper mit rückwärtsleitendem Haupthyristor dar. Ein sättigbarer Spartransformator dient zur Unterstützung der Kommutierung. 1 /7 österreichisches Patentamt AT506 912B1 2012-05-15 [0004] WO 2008/037668 A1 (BOBINADOS DE TRANSFORMATORES S.L.) behandelt einen DC/DC Konverter mit einem aktiven Snubber. Im Snubber ist ein Spartransformator eingebaut.

[0005] Alle diese Schriften betreffen lediglich Details des Anmeldegegenstandes. Eine Einschränkung des Anmeldungsgegenstandes ist dadurch nicht notwendig.

[0006] 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 Entmagnetisierungsphase 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.

[0007] Das besonders Interessante an der ursprünglichen Topologie gemäß AT 506 327 B1 vom 15.08.2009 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.

[0008] 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 (N1) die volle Eingangsspannung (U1). Auf der Sekundärseite (N2) entsteht dadurch die Spannung (N2/N1)U1. Diese Spannung treibt nun einen Strom durch die Spule (L), der linear ansteigt und gemäß = auch durch die Sekundärwicklung (N2) fließt. Auf der Primärseite (N1)

dt Nl L fließt daher ein Strom, der sich aus dem transformierten Sekundärstrom und dem Magnetisie rungsstrom zu im = Y U±+Ul k t zusammensetzt.

[0009] Wird der aktive Schalter (S) ausgeschaltet, so läuft sich der Spulenstrom über die beiden Dioden D1 und D2 und dem Ausgangskreis frei, wird jedoch wie bei der gegenständlichen Erfindung durch eine dritte Diode (D3) die Serienschaltung der ersten (D1) und der zweiten Diode (D2) überbrückt, so steigt zwar der Bauteilaufwand, die Durchlassverluste können sich jedoch reduzieren. Damit der Fluss im Transformator nicht springt, kommutiert der Magnetisie-

N U rungsstrom in die Sekundärwicklung (N2) auf den Wert iN2 =--1---L-tl und baut sich linear N2 L[ 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 Aus- U2 gangsleistung sein muss (da ideale Bauelemente angenommen werden) Pout = —L· = Pin, lässt

R sich das Spannungsübersetzungsverhältnis des Konverters einfach bestimmen. Der Strom in der Spule steigt während der Einschaltzeit (diese errechnet sich aus dem Tastverhältnis d) bis

U N auf den Wert AIL = — —- dT und führt so zu einer in der Spule (L) gespeicherten Energie von WL =

L. Gleichzeitig steigt der Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung (N1) auf

k ge- AIm = — dT. Damit ist im Transformator die Magnetisierungsenergie von Wm = 2/7 österreichisches Patentamt AT506 912 B1 2012-05-15 speichert. L1 ist dabei die Induktivität der Primärwicklung (N1). Während der Ausschaltzeit müssen sich im diskontinuierlichen Betrieb beide magnetischen Bauelemente (Transformator, Spule) vollständig entmagnetisieren. Es gilt daher mit der Schaltfrequenz f und v2 = f .(WL+Wm) das Spannungsübersetzungsverhältnis

d V2'/ 1 Ul J L L, K yfR d. Man 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.

[0010] Die Entmagnetisierung der Induktivität erfolgt über die Serienschaltung bestehend aus erster und zweiter Diode. Damit entstehen Verluste durch die beiden Diodenflussspannungen. Möchte man den Wirkungsgrad steigern, so braucht man nur zu dieser Serienschaltung eine dritte Diode parallel schalten. Diese sperrt bei der Aufmagnetisierung der Spule und behindert auch nicht die Entmagnetisierung des Transformators. Sie wird nur leitend bei der Entmagnetisierung der Induktivität und reduziert so die auftretende Verlustenergie. Wenn der Wirkungsgrad und die Verlustwärmeentwicklung keine Rolle spielen, so kann man den kombinierten Durchfluss-Sperrwandler nur mit zwei Dioden aufbauen, spart daher Bauteilkosten und kommt eventuell mit einem kleineren Aufbau aus (so nicht mehr Kühlaufwand getrieben werden muss). Möchte man aber den Wirkungsgrad steigern, so wird man die Kosten für die dritte Diode aufbringen müssen, kann aber unter Umständen den Kühlaufwand reduzieren.

[0011] 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).

[0012] Das Problem, einen einfachen kombinierten Durchfluss-Sperrwandler gemäß AT 506 327 B1 im Wirkungsgrad noch leicht zu verbessern, geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass an die Kathode der ersten Diode (D1) die Kathode einer dritten Diode (D3) geschaltet ist, deren Anode mit der Anode der zweiten Diode (D2) verbunden ist.

[0013] Weiters kann man auch den oben erwähnten synchronen Gleichrichter durch ein Halbbrückenmodul realisieren.

BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG (U1) Eingangsspannung (U2) Ausgangsspannung (T) Trafo (N1) Primärwicklung (N2) Sekundärwicklung (N3) Entmagnetisierungswicklung (D) Diode (Dl) Diode (D2) Diode (D3) Diode (S) aktiver Schalter (L) Induktivität (C) Kondensator (a) Wicklungsanfang (b) Wicklungsende (1) Eingangsklemme (2) Eingangsklemme (Bezugspunkt) (3) Ausgangsklemme (4) Ausgangsklemme (Bezugspunkt) 3/7

Claims

österreichisches Patentamt AT506 912 B1 2012-05-15 Patentansprüche 1. Gleichspannungswandler, bestehend aus einem Transformator (T) mit mindestens einer Sekundärwicklung (N2), wobei die Primärwicklung (N1) des Transformators (T) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird, aus zwei Dioden (D1, D2) und einem Kondensator (C) parallel zu den Ausgangsklemmen (3, 4) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wicklungsanfang (a) der Sekundärwicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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)
2. Gleichspannungswandler, bestehend aus einem Spartransformators - bestehend aus einem magnetischen Kern und aus einer ersten Wicklung (N1) und einer zweiten Wicklung (N2), die in Serie geschaltet sind - der weiters in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U1) angeschlossen wird, aus zwei Dioden (D1, D2) und einem Kondensator (C) parallel zu den Ausgangsklemmen (3, 4) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wicklungsanfang (a) der zweiten Wicklung (N2) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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)
3. Gleichspannungswandler, bestehend aus einer ersten positiven (1) und zweiten negativen (2) Eingangsklemme, zwischen denen die Serienschaltung einer zweiten Wicklung (N2) eines Spartransformators - bestehend aus einem magnetischen Kern und aus einer ersten Wicklung (N1) und einer zweiten Wicklung (N2), die in Serie geschaltet sind - und eines aktiven Schalters S geschaltet ist, und einer ersten positiven (3) und zweiten negativen (4) Ausgangsklemme, zwischen denen ein Kondensator (C) geschaltet ist, weiters aus einer Induktivität (L), aus zwei Dioden (D1, D2) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wicklungsanfang (a) der ersten Wicklung (N1) eine Serienschaltung, bestehend aus einer Induktivität (L) und einer ersten Diode (D1) 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 (N1) verbunden ist. (Fig- 4)
4. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten (D1) und oder zur zweiten Diode (D2) jeweils ein aktiver Schalter geschaltet ist.
5. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die erste (D1) und die zweite Diode (D2) in Serie geschaltet in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind.
6. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter für den synchronen Gleichrichter in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind.
7. Gleichspannungswandler gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass an die Kathode der ersten Diode die Kathode einer dritten Diode geschaltet ist, deren Anode mit der Anode der zweiten Diode verbunden ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7