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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltwandler zur Umsetzung einer Eingangsgleichspan- nung in eine Ausgangsgleichspannung, mit einem Übertrager, der zumindest eine Primärwicklung aufweist, die in Serie mit einem gesteuerten Schalter an eine Gleichspannung legbar ist, mit zu- mindest einer Sekundärwicklung, der ein Gleichrichter) nachgeschaltet ist, und mit einer Ansteuer- schaltung für den zumindest einen gesteuerten Schalter.
Schaltwandler dieser Art sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt geworden, sein es als Sperrwandler, sei es als Durchflusswandler. Sie werden zur Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte eingesetzt. Dazu kann beispielsweise auf Hirschmann/Hauenstein,
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werden. Die Ansteuerschaltungen werden in der Regel zum Grossteil in IC-Bausteinen realisiert, die in hohen Stückzahlen produziert werden und im Handel erhältlich sind.
Die Eingangsgleichspannung ist häufig eine sogenannte Zwischenkreisspannung, die durch Gleichrichten einer Netzspannung gewonnen wird. Dabei könnte die Zwischenkreisspannung, falls man eingangsseitig keinen Abwärtstransformator verwendet, auch sehr hoch sein, z. B. über 500 Volt aber auch 1600 Volt betragen. Bei so hohen Spannungen treten aber Probleme bezüglich der Spannungsfestigkeit der Eingangs(elektrolyt)kondensatoren einerseits und der gesteuerten Schalter, die meist Schalttransistoren sind, auf.
Man kann zur Lösung dieser Probleme verschiedene Wege gehen. Beispielsweise kann man mehrere Eingangskondensatoren in Serie schalten, doch muss man z. B. mit energieverzehrenden Widerständen eine Symmetrierung, d. h. gleichmässige Spannungsaufteilung auf die Kondensatoren herbeiführen. Möglich sind weiters Brückenschaltungen, wie z. B. in U. Tietze, Ch. Schenk, "Halblei- terschaltungstechnik", Springer-Verlag, 8. Auflage, Kapitel 18. 7.2 beschrieben. Ausgesuchte, hochsperrende Schalttransistoren sind sehr teuer und bei der Serienschaltung von Schalttransisto- ren tritt gleichfalls das Problem der Symmetrierung auf.
In der DE 34 41 631 A1 sind Lösungsansätze beschrieben, welche eine Anzahl von Transfor- matoren mit gesteuerten Schaltern primärseitig, z. B. sechs Einzeltransformatoren verwenden, welche eingangsseitig in Serie geschaltet sind. Die gleichgerichteten Ausgänge sind parallelge- schaltet. Die Eingangsgleichspannung ist auf mehrere Eingangskondensatoren aufgeteilt, z. B. auf sechs Kondensatoren. Kombinierte Wandler dieser Art sind zwar für hohe Eingangsgleichspan- nungen verwertbar, doch ist der Aufwand durch die Verwendung einzelner Transformatoren für jede Wandler-Untereinheit in jeder Hinsicht gross. Da die Toleranzen im Transformatorbau sehr gross sind, ist ein Symmetrieren, d. h. ein annähernd genaues Aufteilen der Teileingangsspannun- gen auf die einzelnen gesteuerten Schalter aufwändig.
Falls Sperrwandler eingesetzt werden, muss für jeden Transformator eine Abmagnetisierungswicklung vorgesehen werden.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Schaltwandlers, der auch für hohe Eingangsgleichspannungen einsetzbar ist, ohne jedoch besondere Kosten oder einen grossen Schaltungsaufwand zu verursachen, und das unabhängig von dem angewandten Wandlerprinzip.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaltwandler der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem zumindest zwei Primärwicklungen vorgesehen sind, und jede Primärwicklung über zumindest einen gesteuerten Schalter an einem Eingangskondensator liegt, wobei die Eingangskondensatoren ebenso wie die Serienschaltungen der Primärwicklungen mit den gesteuerten Schaltern in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung liegen und die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, alle gesteuerten Schalter gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schliessen.
Dank der Erfindung werden Schaltwandler geschaffen, die an hohen Eingangs- bzw. Zwi- schenkreisspannungen arbeiten können, wobei dennoch die Kosten in tragbaren Bereichen blei- ben, da lediglich ein einziger Übertrager benötigt wird.
Eine zweckmässige Variante zeichnet sich dadurch aus, dass jede Primärwicklung an jedem Wicklungsende in Serie mit je einem gesteuerten Schalter geschaltet ist, diese Serienschaltungen ihrerseits in Serie an der Eingangsgleichspannung liegen und von je einem Eingangskondensator überbrückt sind.
Diese Variante benötigt zwar mehr gesteuerte Schalter, doch kann deren Spannungsfestigkeit noch geringer sein. Weiters wirkt sich die Symmetrie der Schaltung positiv auf die Symmetrierung bzw. Aufteilung der Einganggleichspannung aus.
Bei der zuletzt genannten Variante ist es besonders zweckmässig, wenn jede Primärwicklung
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eine Mittenanzapfung aufweist und jeder Eingangskondensator aus zwei in Serie geschalteten Teilkondensatoren besteht, wobei die Mittenanzapfung jeder Wicklung mit dem Verbindungspunkt der zugeordneten Teilkondensatoren verbunden ist. Hierdurch lässt sich die jeder Primärwicklung zugeordnete Eingangsspannung nochmals aufteilen, sodass Kondensatoren geringer Spannungs- festigkeit einsetzbar sind.
Bei einer Ausbildung des Schaltwandlers als Durchflusswandler ist es zweckmässig, wenn der Übertrager eine über eine Sperrdiode an der Eingangsgleichspannung liegende Abmagnetisie- rungswicklung besitzt.
Andererseits kann man das Auslangen ohne Abmagnetisierungswicklung finden, falls jeder Pri- märwicklung zwei Rückflussdioden zugeordnet sind, wobei je eine Diode die Serienschaltung der jeweiligen Primärwicklung mit einem ihrer gesteuerten Schalter überbrückt.
Zur Vermeidung von Sättigungszuständen des Übertragers empfiehlt es sich, wenn die An- steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die gesteuerten Schalter unter Einhaltung eines Tastverhält- nisses, das kleiner als 0,5 ist, anzusteuern.
Im Hinblick auf eine optimale Aufteilung der Eingangsgleichspannung ist es ratsam, wenn sämtliche Eingangskondensatoren einerseits und Primärwicklungen andererseits gleich dimensio- niert sind.
Im Sinne einer spezifisch geeigneten Ansteuerung der Schalter ist eine Ausführung empfeh- lenswert, bei welcher die Ansteuerschaltung einen Pulsweitenmodulator aufweist, der über einen Treiberschalter die Primärwicklung eines Ansteuerübertragers an eine Hilfsgleichspannung schal- tet, wobei der Übertrager eine der Auswahl der gesteuerten Schalter entsprechende Anzahl von Sekundärwicklungen aufweist, deren Ausgangsspannungen zur Ansteuerung der gesteuerten Schalter herangezogen sind.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungs- formen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen @ Fig. 1 in einem vereinfachten Schaltbild eine erste Ausführungsform eines als Durchfluss- wandler ausgebildeten Schaltwandlers nach der Erfindung, @ Fig. 2 in einem Prinzipschaltbild und unter Weglassung der Ansteuerschaltung eine zweite Ausführungsform der Erfindung, gleichfalls als Durchflusswandler ausgebildet, und @ Fig. 3 eine Ansteuerschaltung, die besonders für Schaltwandler nach der Erfindung geeignet ist, in einem Prinzipschaltbild.
Gemäss Fig. 1 besitzt ein Schaltwandler nach der Erfindung einen Übertrager Tr mit vier Pri- märwicklungen L1, L2, L3, L4, einer Sekundärwicklung L5 und einer Abmagnetisierungswicklung La.
Jede Primärwicklung L1 ... L4 liegt in Serie mit einem gesteuerten Schalter T1 ... T4 an einem Eingangskondensator C1 ... C4, wobei alle diese Kondensatoren in Serie geschaltet an eine Ein- gangsgleichspannung UE legbar sind. Die einzelnen Serienschaltungen L1-T1, ..., L4-T4 der Pri- märwicklungen mit den ihnen zugeordneten Schaltern liegen gleichfalls in Serie an der Eingangs- gleichspannung UE.
Der Sekundärwicklung L5 ist ein Gleichrichter D1 mit einer sekundären Drossel L6 und einem Ausgangskondensator C5 nachgeschaltet. An Letzterem liegt die Ausgangsgleichspannung UA des Wandlers. Eine Freilaufdiode D2 führt von Masse zu dem Verbindungspunkt der Gleichrichterdiode D1 mit der Sekundärdrossel L6.
Zur Ansteuerung der gesteuerten Schalter T1 ... T4, die beispielsweise als Feldeffekttransisto- ren realisiert sind, dient eine Ansteuerschaltung AST, die sich von üblichen Ansteuerschaltungen lediglich dadurch unterscheidet, dass bei der Erfindung zwei oder mehr, hier vier, Schalter T1 ... T4 so angesteuert werden, dass sie gleichzeitig öffnen bzw. schliessen. Zur Regelung, z. B. auf kon- stante Ausgangsspannung, kann der Ansteuerschaltung ein entsprechendes Ist-Signal zugeführt sein, wie hier in Fig. 1 z. B. die Ausgangsspannung UA. Eine mögliche Ansteuerschaltung wird weiter unten etwas näher erläutert.
Die vorhin erwähnte Abmagnetisierungswicklung liegt einerseits an (primärer) Masse und an- dererseits über eine Diode D3 an der Eingangsgleichspannung UE. Sie dient bei Flusswandlem in bekannter Weise zur Entmagnetisierung des Übertragerkerns.
Für den Fachmann sollte es klar sein, dass die Erfindung auch als Sperrwandler realisierbar ist. In diesem Fall könnte in Fig. 1 die sekundäre Drossel L6 entfallen, ebenso die Abmagnetisie-
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rungswicklung La, und die Sekundärwicklung L5 wäre gegensinnig gepolt. Auf diese Weise wird die im Kern gespeicherte Energie nicht mehr in die Eingangskondensatoren C1 ... C4 zurück entladen, sondern in den Ausgangskondensator C5 bzw. eine Last LAS.
Da die gesteuerten Schalter T1 ... T4 gleichzeitig ein- und ausschalten, wobei jeweils Strom aus den in Serie geschalteten Eingangskondensatoren C1 ... - C4 in die Primärwicklungen L1 ... L4 fliesst, werden die Kondensatoren auch automatisch symmetriert, d. h. die Eingangsspannung UE teilt sich zu gleichen Teilen, hier je einem Viertel, auf die Kondensatoren auf. Durch diese Kaska- dierung ist es möglich, auch bei hoher Eingangsgleichspannung UE Schalttransistoren geringerer Spannungsfestigkeit zu verwenden. Gleiches gilt für die Eingangskondensatoren C1 - C4, die dann z. B. auch bei einer Eingangsspannung von beispielsweise 1200 Volt nur für je 300 Volt dimensio- niert werden müssen, sodass ohne Probleme Elektrolytkondensatoren verwendbar sind.
Die Ausführung nach Fig. 2 ist gleichfalls als Flusswandler ausgebildet und besitzt zwei Pri- märwicklungen W1, W2 mit Mittenanzapfungen m1, m2, wobei jeder Halbwicklung W11, W12, W21, W22 ein Kondensator C11, C12, C21, C22 zugeordnet ist. Diese Kondensatoren, die hier auch als Teilkondensatoren bezeichnet werden, liegen in Serie geschaltet an der Eingangsgleich- spannung UE. Die Schaltung nach Fig. 2 ist auch ohne Mittenanzapfung denkbar, wobei dann statt der Teilkondensatoren C11, C12 ein Kondensator C1' und statt der Teilkondensatoren C21, C22 ein Kondensator C2' vorgesehen wäre, wie in Fig. 2 in Klammern eingezeichnet.
An jedes Ende der Primärwicklungen W1 bzw. W2 schliesst je ein gesteuerter Schalter T11, T12 bzw. T21, T22 an, und die Serienschaltungen T11-W1-T12, T21-W2-T22 liegen ihrerseits in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung UE.
Zur Abmagnetisierung des Übertragerkerns sind bei der Variante nach Fig. 2 Abmagnetisie- rungsdioden D11... D22 vorgesehen, wobei je eine Diode, z.B. D11bzw. D12, die Serienschaltung der jeweiligen Primärwicklung, z. B. W1, mit einem ihrer gesteuerten Schalter, z. B. T11bzw. T12, überbrückt. Durch die Anwendung der Rückflussdioden kann hier eine eigene Abmagnetisierungs- wicklung entfallen, und es wird sichergestellt, dass die gesteuerten Schalter nicht durch hohe, durch die Streuinduktivität des Übertragers hervorgerufene Abschaltspannungen gefährdet wer- den.
Sekundärseitig entspricht die Ausführung nach Fig. 2 jener nach Fig. 1, doch können hier alle dem Fachmann bekannten Konzepte verwendet werden, insbesondere auch mehrere Sekundär- wicklungen, um galvanisch getrennte, unterschiedliche Ausgangsspannungen zu erhalten.
Auch bei der Ausführung nach Fig. 2 ist eine Ansteuerschaltung, wie z. B. die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene, dazu eingerichtet, alle vier gesteuerten Schalter T11... T22, z.B. Feldeffekttransistoren, gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schliessen. Beim Sperren der Transistoren ist ein Stromfluss durch die Dioden D11, D12 bzw. D21, D22 in die Kondensatoren C11, C12 bzw. C21, C22 gewährleistet, sodass - wie oben erwähnt -eine Abmagnetisierungswick- lung nicht nötig ist. Die Primärinduktivitäten werden auf die gleiche Spannung abmagnetisiert, mit der sie aufmagnetisiert wurden. Aus diesem Grunde wird zweckmässigerweise das Tastverhältnis des Ansteuerpulses kleiner als 0,5 gewählt.
Wenngleich es dem Fachmann bekannt ist, soll erwähnt werden, dass sich die Spannungsfes- tigkeit der Schalttransistoren nicht ausschliesslich nach der Höhe der - hier aufgeteilten - Eingangs- spannung zu richten hat, sondern - wegen der Abschaltspannungen - auch nach dem Tastverhält- nis und dem Verhältnis der Primär- zu den Sekundärinduktivitäten. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sollte - ausgehend von einer Eingangsgleichspannung UE = 1600 Volt die Spannungsfes- tigkeit der Schalttransistoren 800 Volt betragen, wogegen die Betriebsspannung der Kondensato- ren lediglich 400 Volt betragen muss. Die Sperrspannung der Rückfluss- bzw. Abmagnetisierungs- dioden D11... D22 muss nicht höher als 800 1000 Volt sein.
In Fig. 3 ist eine Ansteuerschaltung AST gezeigt, die zur Ansteuerung der vier Schalter T11 - T22 der Fig. 2 verwendbar ist. Kern der Ansteuerschaltung ist ein bekannter, in vielen Varian- ten im Handel erhältlicher Pulsweitenmodulator PWM, der von einer Hilfsspannung UH gespeist wird. Letztere kann beispielsweise mittels einer zusätzlichen Wicklung des Übertragers und eines Gleichrichters samt Glättungsmitteln gewonnen werden. Dem Pulsweitenmodulator ist zum Zwecke der Regelung die Ausgangsspannung UA, eine dieser proportionale Spannung und/oder ein Strom- istwert zugeführt.
Der Pulsweitenmodulator PWM steuert einen Treibertransistor M1 an, der in -Serie mit einer
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Primärwicklung Lp eines Ansteuerübertragers Tr an der Hilfsgleichspannung UH liegt. Parallel zu der Primärwicklung liegt die Serienschaltung einer Zenerdiode DZ mit einer Diode Da, wodurch beim Abschalten ein Abmagnetisieren über die Zenerdiode erfolgen kann.
Der Ansteuerübertrager Ta, welcher zur galvanischen Trennung der auf verschiedenen Potenti- alen liegenden Schalttransistoren T11 - T22 von dem Pulsweitenmodulator PWM dient, besitzt die erforderliche Anzahl von Sekundärwicklungen Ls1 ... Ls4, hier vier. Das Schaltsignal wird über eine Diode Ds1 und einen Widerstand Rs11zu dem Gate des ersten Schalttransistors T11geführt und über einen Basiswiderstand Rs21 zu der Basis eines Transistors Ts1 geführt. Bei positivem An- steuersignal wird die Eingangskapazität des angesteuerten Feldeffekttransistors T11über die Diode Ds1 und den Widerstand Rs11aufgeladen.
Da das Abmagnetisieren langsamer vor sich geht als das Magnetisieren, wird bei Ausschalten des Treibertransistors M1 der Transistor Ts1 leitend, und die Ladung der Eingangskapazität des Feldeffekttransistors T11kann über den Kollek- torwiderstand Rs31 des Transistors Ts1 entladen werden. Die Beschaltung der weiteren Sekun- därwicklungen des Ansteuerübertragers Ta, von welchen nur die erste und die vierte gezeigt sind, sind identisch ausgeführt, und auch ihre Funktion erfolgt identisch und simultan.
ANSPRÜCHE :
1. Schaltwandler zur Umsetzung einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Ausgangs- gleichspannung (UA), mit einem Übertrager (Tr), der zumindest eine Primärwicklung (L1 ... L4 ; W1, W2) aufweist, die in Serie mit einem gesteuerten Schalter (T1 ... T4,
711 ... T22) an eine Gleichspannung legbar ist, mit zumindest einer Sekundärwicklung (L5;
W3), der ein Gleichrichter (D1) nachgeschaltet ist, und mit einer Ansteuerschaltung (AST) für den zumindest einen gesteuerten Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Primärwicklungen (L1 ... L4; W1, W2) vorgesehen sind, und jede Primär- wicklung über zumindest einen gesteuerten Schalter (T1 ... T4 ; T11... T22) an einem Ein- gangskondensator (C1 ...
C4; C11 + C12; C21 + C22) liegt, wobei die Eingangskondensa- toren ebenso wie die Serienschaltungen der Primärwicklungen mit den gesteuerten Schal- tern in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung (UE) liegen und die Ansteuer- schaltung (AST) dazu eingerichtet ist, alle gesteuerten Schalter gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schliessen.