AT511846B1 - Kombinierter sperr-durchflusswandler mit nur einer diode - Google Patents

Abstract

Bei der gegenständlichen Schaltung wird der kombinierte Sperr -Durchflusswandler ohne Entmagnetisierungswicklung mit nur einer Diode realisiert. Das Kernstück ist dabei ein Transformator, dessen Primärseite mit einem aktiven Schalter in Serie geschaltet ist. An die Sekundärseite des Transformators ist eine Serienschaltung eines Kondensators mit einer Diode geschaltet, wobei die Kathode in Richtung des Wicklungsanfangs der Sekundärwicklung zeigt. Parallel zur Diode kann nun ein induktiver Aktuator oder eine Gleichstrommaschine geschaltet werden, deren Strom (Kraft, Moment) oder Drehzahl über das Tastverhältnis, mit dem der aktive Schalter getaktet wird, gestellt werden kann. Man kann auch parallel zur Diode ein LC Filter mit einem oder mehreren Kondensatoren schalten und die eigentliche Last (Motor, Aktuator, Batterie o.ä.) parallel zum letzten Kondensator schalten. Ebenso kann man auch parallel zur Diode eine Spule in Serie mit einer oder mehreren Leuchtdioden, die wieder in Serie, parallel oder gemischt Serien-parallel geschaltet sind, anschließen.

Description

österreichisches Patentamt AT511 846 B1 2013-03-15

Beschreibung

KOMBINIERTER SPERR-DURCHFLUSSWANDLER MIT NUR EINER DIODE

[0001] Die Erfindung betrifft Konverter, bestehend aus einem aktiven Schalter (S) mit entsprechender Ansteuerelektronik, einem Transformator (T) mit mindestens zwei unabhängigen Wicklungen (N1, N2), einem Kondensator (C) und einer Diode (D), wobei die Eingangsspannung (U1) an die Serienschaltung von aktivem Schalter (S) und der ersten Wicklung (N1) geschaltet wird und parallel zur Diode eine Gleichstrommaschine oder ein induktiver Aktuator oder eine Induktivität in Serie mit einer oder mehreren Leuchtdioden oder ein induktives Tiefpassfilter mit angeschlossener Last, wie Batterie, Motor, Aktuator, Leuchtmittel, angeschlossen ist.

[0002] Die Patentliteratur zeigt Wandler, bei denen sekundärseitig die Kathode einer Diode -unter Zwischenschaltung eines Kondenstors - an den Wicklungsanfang der Sekundärspule geschaltet sind.

[0003] JP 2007053823 A (SONY CORP) zeigt ein Netzteil mit integrierter Leistungsfaktorkorrektur. Die Schaltung benötigt nur einen aktiven Schalter und nutzt Resonanzeffekte aus. Bei der gegenständlichen Erfindung werden keine Resonanzeffekte und parasitäre Effekte benötigt, damit die Schaltung funktioniert.

[0004] JP 9074753 A (MATSUSHTA ELECTRIC IND CO LTD) nutzt sowohl den Sperr- wie auch den Durchflusswandlereffekt auf je getrennten Ausgangskreisen. Die Regelung des Systems erfolgt über die Sperrwandlerwicklung. Bei der gegenständlichen Erfindung jedoch arbeitet die Sekundärwicklung sowohl als Sperr- als auch als Durchflusswandlerwicklung.

[0005] US 6208529 B1 (ARGUS TECHNOLOGIES LTD.) beschäftigt sich mit Halb- und Vollbrückenkonvertern, die resonant ausgeführt sind. Einige Abwandlungen werden dargestellt. Der Aufwand der Schaltungen ist beträchtlich und nur für höhere Leistungsklassen sinnvoll.

[0006] US 2008/0310204 A1 (THALES) betrifft einen spannungsgespeisten Gegentaktwandler. Die Magnetisierungsenergie pendelt bei dieser Schaltung zwischen der Eingangsspannungsquelle und dem Transformator hin und her und wird nicht auf der Sekundärseite genutzt. Auch diese Schaltung ist nur bei größeren Leistungen günstig.

[0007] Die hier im Rahmen dieser Patentschrift dargestellte Schaltung ist extrem einfach, ermöglicht die Nutzung der Magnetisierungsenergie des Transformators und eignet sich besonders für die Ansteuerung von kleinen DC Motoren oder Leuchtmitteln.

[0008] In den letzten Jahren wurden mehrere Varianten von kombinierten Sperr/Durchfluss-wandlern vorgeschlagen. Es handelt sich dabei um Schaltungen, die einerseits wie ein Durchflusswandler funktionieren und andererseits die Entmagnetisierung des Transformators nach der Art eines Sperrwandlers durchführen, ohne jedoch dafür eine zusätzliche Wicklung am Transformator zu benötigen. Es ist dazu jedoch eine Anzahl von Dioden notwendig. In AT 412827 B1 (HIMMELSTOSS) sind kombinierte Sperr-Durchflusswandler ohne Entmagnetisierungswicklung mit drei oder vier Dioden beschrieben. In AT 505800 A1 (TECHNIKUM WIEN) werden weitere Durchflusswandler ohne Entmagnetisierungswicklung beschrieben, die zwischen drei und fünf Dioden benötigen. AT 506327 B1 (TECHNIKUM WIEN) beschreibt eine Schaltung, die nur zwei Dioden benötigt.

[0009] Bei der gegenständlichen Schaltung jedoch wird der kombinierte Sperr-Durchflusswandler ohne Entmagnetisierungswicklung mit nur einer Diode realisiert. Das Kernstück ist dabei ein Transformator, dessen Primärseite mit einem aktiven Schalter in Serie geschaltet ist. An die Sekundärseite des Transformators ist eine Serienschaltung eines Kondensators mit einer Diode geschaltet, wobei die Kathode in Richtung des Wicklungsanfangs der Sekundärwicklung zeigt. Parallel zur Diode kann nun ein induktiver Aktuator oder eine Gleichstrommaschine geschaltet werden, deren Strom (Kraft, Moment) oder Drehzahl über das Tastverhältnis, mit dem der aktive Schalter getaktet wird, gestellt werden kann. Man kann auch parallel zur Diode ein LC Filter mit einem oder mehreren Kondensatoren schalten und die eigentliche Last (Motor, Aktuator, Batte- 1 /5 österreichisches Patentamt AT511 846 B1 2013-03-15 rie o.ä.) parallel zum letzten Kondensator schalten. Ebenso kann man auch parallel zur Diode eine Spule in Serie mit einer oder mehreren Leuchtdioden, die wieder in Serie, parallel oder gemischt serien-parallel geschaltet sind, anschließen. Die Schaltung ist potentialgetrennt, kann aber auch, wenn die Potentialtrennung nicht erforderlich ist, sekundärseitig mit der primärseitigen Masse verbunden werden. Die Diode kann durch einen strombidirektionalen Schalter (aktiver Schalter mit parallel liegender Diode, z.B. ein MOSFET) zwecks synchroner Gleichrichtung ersetzt werden. Der Vorteil der synchronen Gleichrichtung ist die Reduktion der Verluste an der Diode.

[0010] Die Zeichnungen stellen in Fig. 1 eine mögliche Ausformung der Grundidee dar, beispielhaft mit einem MOSFET gezeichnet und in Fig. 2 sind Lasten dafür angedeutet. Die unterschiedlichen Wicklungsanfänge bei den Wicklungen in Fig. 1 sind typisch wie bei einem Sperrwandler gezeichnet. Vertauscht man Wicklungsanfang und Ende der zweiten Wicklung, so muss auch die Diode umgepolt werden. Fig.2.a stellt eine Maschine, Fig.2.b ein LC-Filter an das dann wieder irgendeine Last, wie z.B. Aktuator, Batterie, Leuchtmittel, angeschlossen werden kann, dar. Fig.2.c stellt eine Serienschaltung einer Induktivität mit Leuchtdioden dar, diese Kombination ist ebenfalls eine sinnvolle Anwendung für den Konverter.

[0011] Die Funktion der Schaltung ist mit idealen Bauelementen leicht zu beschreiben. Ist der aktive Schalter eingeschaltet, so liegt an der Primärwicklung N1 die Eingangsspannung U1, an der Sekundärseite entsteht dadurch die übersetzte Spannung [0012] Diese treibt den Laststrom. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis fließt daher ein entsprechender Strom in die Primärseite. Zusätzlich überlagert sich auf der Primärseite noch der Magnetisierungsstrom für den Transformator. Schaltet der aktive Schalter aus, so kommu-tiert der Laststrom in die Diode und der Magnetisierungsstrom fließt nun in der Sekundärwicklung (und auch durch die Diode) und baut sich gemäß der, nun als negative Spannung an dieser Wicklung anliegenden, Kondensatorspannung ab. Der Startwert liegt dabei bei

I mag2 N2

I mag1 wobei Imagl der Endwert des Magnetisierungsstroms auf der Primärseite (zum Zeitpunkt des Ausschaltens) ist.

[0013] So kommt es zu keinem Sprung im magnetischen Fluss und damit zu keiner Überspannung. Die Abmagnetisierung erfolgt also wie bei einem Sperrwandler, der Kondensator wird daher wieder nachgeladen. Aber im Gegensatz zum reinen Sperrwandler wird auch bei der Einschaltphase des aktiven Schalters Energie auf die Sekundärseite übertragen. Bei der Ansteuerung muss darauf geachtet werden, dass der Transformator vollständig entmagnetisieren kann, bevor wieder der aktive Schalter eingeschaltet wird. Dadurch ist die Anwendbarkeit der Schaltung eingeschränkt auf Leistungen, die maximal etwa doppelt so groß sind als wie bei Sperrwandlern sonst üblich.

[0014] Trotz des vorher Gesagten ist es auch möglich, die Schaltung im kontinuierlichen Mode zu betreiben. Da der Transformator nun nicht mehr vollständig entmagnetisiert, ist immer Energie im Transformator und daher ist ein größerer Luftspalt erforderlich als zur Energieübertragung nötig. Es sinkt daher der AL-Wert des Magnetmaterials und damit sind mehr Windungen zur Erzielung des gewünschten Induktivitätswerts des Transformators erforderlich. Das bedeutet, das Bauteil wird größer und die Kupferverluste steigen. Der Zusammenhang zwischen dem Mittelwert der Spannung an der Diode (dem entspricht bei Anschalten einer Maschine auch deren sich stationär einstellende Quellenspannung bzw. die Spannung am Kondensator, wenn an die Diode ein LC Filter angeschlossen wird), im Folgenden Ü2 bezeichnet, ergibt sich mit den Windungszahlen für die erste Wicklung und N2 für die zweite Wicklung und mit d für das 2/5

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Tastverhältnis zu U1 N, 1 -d U2 _N2 d [0015] Die Schaltung verhält sich wie ein normaler Sperrwandler in kontinuierlichem Betrieb, bei dem auch nicht der Trafo (eigentlich in diesem Fall exakter die gekoppelten Spulen) vollständig entmagnetisiert wird. Der Energiefluss ist im gegenständlichen Fall aber sowohl auf die Leitphase wie die Sperrphase des aktiven Schalters verteilt.

[0016] Betreibt man die Schaltung im diskontinuierlichen Mode, d.h. mit vollständiger Entmagnetisierung, so ist bei der Dimensionierung darauf zu achten, dass die Spule rechtzeitig entmagnetisiert hat, damit sich nicht ein Magnetisierungsstrom in umgekehrter Richtung aufbaut, da die Diode ja noch leitend ist. Der diskontinuierliche Betrieb ist daher beim Anschalten von großen Induktivitäten, wie etwa einer permanent erregten Gleichstrommaschine, ungeeignet.

[0017] Mit dem Formelzeichen L1 für die Induktivität der ersten Wicklung, R für den Lastwiderstand lässt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis für die Schaltungsvariante mit LC Filter parallel zur Diode mit dem durch den Aufbau bestimmten Faktor zu K f

angeben. Die Ausgangsspannung kann über das Tastverhältnis und über die Frequenz gestellt werden.

[0018] Man erkennt, die Schaltung ist grundsätzlich vom Aufbau und von der Schaltung her sehr einfach, erfordert aber eine gründliche Optimierung bei der Realisierung. Zur Ansteuerung sind besonders Methoden mit Vorsteuerung, kombiniert mit einem linearen oder nichtlinearen Regler wie Zweipunktregler mit Hysterese oder Sliding Mode Controller geeignet.

[0019] Die Aufgabe einen kombinierten Sperr-Durchflusswandler mit nur einer Diode zu bauen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die zweite Wicklung (N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D), deren Kathode in Richtung des Wicklungsanfangs zeigt, geschaltet ist. Dabei kann der aktive Schalter (S) mit Maßnahmen zur Entlastung oder zum verlustarmen Schalten versehen werden. Die Schaltung wird über den Spitzenstrom durch den aktiven Schalter und/oder über die Schaltfrequenz des aktiven Schalters gestellt. Die Diode (D) kann durch einen weiteren aktiven Schalter überbrückt werden. Es kann zusätzlich ein Potential der Sekundärseite mit dem primären Bezugspunkt galvanisch verbunden werden. 3/5