CH648966A5

CH648966A5 - Flyback converter

Info

Publication number: CH648966A5
Application number: CH1085979A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Profos
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1979-12-07
Publication date: 1985-04-15
Also published as: DE2950978C2; DE2950978A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fremdgesteuerten Sperrwandler mit wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter, mit induktiver Energiespeicherung während einer ersten Schaltphase und Energieweitergabe während einer zweiten Schaltphase. Solche Sperrwandler werden meistens als Gleichspannungswandler verwendet. The invention relates to an externally controlled flyback converter with at least one controllable semiconductor switch, with inductive energy storage during a first switching phase and energy transfer during a second switching phase. Such flyback converters are mostly used as direct voltage converters.

Bekannt sind Eintaktsperrwandler (S.W. Wagner: Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte, R.V. Dek-ker's Verlag, G. Schenck GmbH, Hamburg), die nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Sie sind jedoch keine Wechselspannungswandler, haben getrennte Ein- und Ausgänge und sind nicht frei modulierbar. Single-ended flyback converters are known (S.W. Wagner: Power supply for electronic circuits and devices, R.V. Dek-ker's Verlag, G. Schenck GmbH, Hamburg), which operate on the same principle. However, they are not AC converters, have separate inputs and outputs and cannot be freely modulated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der bekannten Sperrwandlerschaltung, eine niederfrequente Speisespannung in eine modulierbare, höhere Trägerfrequenzspannung umzuwandeln, und zwar so, dass die letztere auf wirtschaftlichste Art und Weise wieder dem Niederfrequenzspannungsnetz zugeführt werden kann. The invention is based on the object, starting from the known flyback converter circuit, converting a low-frequency supply voltage into a modulatable, higher carrier frequency voltage, in such a way that the latter can be fed back to the low-frequency voltage network in the most economical manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der fremdgesteuerte Sperrwandler einen im Gegentakt zum ersten steuerbaren Halbleiterschalter betriebenen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter und eine Spule mit Mittelpunktanzapfung aufweist und als Polaritätsumkehrglieder enthaltender Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein- und Ausgang ausgebildet ist. This object is achieved according to the invention in that the externally controlled flyback converter has a second controllable semiconductor switch, which is operated in opposition to the first controllable semiconductor switch, and a coil with center tap and is designed as a frequency converter containing polarity reversing elements with a common input and output.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Prinzipschaltbild eines fremdgesteuerten Sperrwandlers. An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. The only drawing figure shows a basic circuit diagram of an externally controlled flyback converter.

Der fremdgesteuerte Sperrwandler besteht in der Hauptsache aus einer Spule 1, einem ersten steuerbaren Halbleiterschalter 2 und einem zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 3. Die Spule 1 besitzt eine Mittelpunktanzapfung 4, welche die Spule 1 elektrisch in eine erste Teilspule 5 und eine zweite Teilspule 6 unterteilt. Eine an einer Leitung 7 anliegende Niederfrequenzspannung Ui speist den Sperrwandler über ein erstes Tiefpassfilter 8 und die Mittelpunktanzapfung 4. Den beiden Halbleiterschaltern 2 und 3 ist ein Steuergerät 9 zugeordnet. Der Sperrwandler enthält in Serie zum Halbleiterschalter 2 einen ersten Strom-/Spannungswandler 10 und in Serie zum Halbleiterschalter 3 einen zweiten Strom-/Span-nungswandler 11. Im einfachsten Fall sind die Strom-/Span-nungswandler 10 und 11 elektrische Widerstände. The externally controlled flyback converter mainly consists of a coil 1, a first controllable semiconductor switch 2 and a second controllable semiconductor switch 3. The coil 1 has a center tap 4, which electrically divides the coil 1 into a first coil section 5 and a second coil section 6. A low-frequency voltage Ui present on a line 7 feeds the flyback converter via a first low-pass filter 8 and the center tap 4. A control unit 9 is assigned to the two semiconductor switches 2 and 3. The flyback converter contains a first current / voltage converter 10 in series with the semiconductor switch 2 and a second current / voltage converter 11 in series with the semiconductor switch 3. In the simplest case, the current / voltage converters 10 and 11 are electrical resistors.

Vorteilhaft wird das Steuergerät 9 mittels eines Schaltreglers 12 realisiert. Einen ersten Istwert Sii proportional zum Schaltstrom Ii des Halbleiterschalters 2 erhält der Schaltregler 12 über ein erstes Addierglied 13 vom Strom-/Span-nungswandler 10 und einen zweiten Istwert SI2 proportional zum Schaltstrom I2 des Halbleiterschalters 3 über das Addierglied 13 vom Strom-/Spannungswandler 11. Der Sollwert SO des Schaltreglers 12 besteht aus einem Gleichspannungsanteil U2 und einem Wechselspannungsanteil U3, wobei der Gleichspannungsanteil IJ2 den Schaltregler 12 über ein Addierglied 14 und der Wechselspannungsanteil U3 den Schaltregler 12 über einen ersten Umschalter 15, ein analoges erstes Polaritätsumkehrglied 16 und das Addierglied 14 erreicht. Mit Vorteil besteht das Polaritätsumkehrglied 16 aus einem 180°-Phasenschieber. Das Steuergerät 9 enthält ferner am Ausgang des Schaltreglers 12 einen zweiten Umschalter 17 und ein digitales zweites Polaritätsumkehrglied 18, letzteres vorteilhaft in Form eines Impulsinverters. The control unit 9 is advantageously implemented by means of a switching regulator 12. The switching regulator 12 receives a first actual value Sii proportional to the switching current Ii of the semiconductor switch 2 via a first adder 13 from the current / voltage converter 10 and a second actual value SI2 proportional to the switching current I2 of the semiconductor switch 3 via the adder 13 from the current / voltage converter 11 The setpoint value SO of the switching regulator 12 consists of a direct voltage component U2 and an alternating voltage component U3, the direct voltage component IJ2 connecting the switching regulator 12 via an adder 14 and the alternating voltage component U3 the switching regulator 12 via a first switch 15, an analog first polarity reversing element 16 and the adding element 14 reached. The polarity reversing element 16 advantageously consists of a 180 ° phase shifter. The control unit 9 also contains at the output of the switching regulator 12 a second changeover switch 17 and a digital second polarity reversing element 18, the latter advantageously in the form of a pulse inverter.

Den beiden Steuereingängen der Umschalter 15 und 17 ist ein Polaritäts-Detektor 19 und ein zweites Tiefpassfilter 20 zugeordnet, das von der Ausgangsspannung U4 des ersten Tiefpassfilters 8 gespeist ist. Der Sperrwandler enthält zusätzlich noch eine erste Kommutierhilfe 21 und eine zweite Kom-mutierhilfe 22. Der Halbleiterschalter 2 wird mit Hilfe eines ersten Verstärkers 23 und der Halbleiterschalter 3 mit Hilfe eines zweiten Verstärkers 24 angesteuert. The two control inputs of the changeover switches 15 and 17 are assigned a polarity detector 19 and a second low-pass filter 20, which is fed by the output voltage U4 of the first low-pass filter 8. The flyback converter additionally contains a first commutation aid 21 and a second commutation aid 22. The semiconductor switch 2 is controlled with the aid of a first amplifier 23 and the semiconductor switch 3 with the aid of a second amplifier 24.

Die beiden steuerbaren Halbleiterschalter 2 und 3 arbeiten im Gegentaktbetrieb. Während einer ersten Schaltphase ist der Halbleiterschalter 2 geschlossen und der Halbleiterschalter 3 offen; umgekehrt befindet sich der Schalter 2 während einer zweiten Schaltphase in offener und der Schalter 3 in geschlossener Stellung. Die Schaltfrequenz ist dabei um einiges höher als diejenige der Niederfrequenzspannung Ui. Die beiden Strom-/Spannungswandler 10 und 11 messen die in den Halbleiterschaltern 2 und 3 fliessenden Schaltströme Ii und I2, wandeln sie in Spannungen um und führen sie als Istwerte Sii und SI2 dem Steuergerät 9 beziehungsweise dessen Addierglied 13 zu. Die beiden Schaltströme Ii und I2 durchqueren das Tiefpassfilter 8, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Sendefrequenz liegt, in entgegengesetzter Richtung, so dass der Niederfrequenzspannung Ui ein höherfrequentes Rechtecksignal überlagert ist. The two controllable semiconductor switches 2 and 3 work in push-pull mode. During a first switching phase, the semiconductor switch 2 is closed and the semiconductor switch 3 is open; conversely, switch 2 is in an open position and switch 3 is in a closed position during a second switching phase. The switching frequency is somewhat higher than that of the low-frequency voltage Ui. The two current / voltage converters 10 and 11 measure the switching currents Ii and I2 flowing in the semiconductor switches 2 and 3, convert them into voltages and feed them to the control unit 9 or its adder 13 as actual values Sii and SI2. The two switching currents Ii and I2 cross the low-pass filter 8, whose cut-off frequency lies above the transmission frequency, in the opposite direction, so that a higher-frequency square-wave signal is superimposed on the low-frequency voltage Ui.

Während der ersten Schaltphase der Halbleiterschalter 2 During the first switching phase of the semiconductor switch 2

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

und 3 liefert die positive Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui Energie an die Teilspule 5 vermittels des Stromes Ii, welcher über das Tiefpassfilter 8, die Teilspule 5, den Halbleiterschalter 2 und den Strom-/Spannungswandler 10 nach Masse fliesst. Zu Beginn der zweiten Schaltphase sorgt die 5 Spuleninduktivität dafür, dass der in der Teilspule 5 fliessende Strom Ii von der Teilspule 6 als Strom h übernommen wird, wobei im ersten Augenblick h gleich Ii ist. In dieser Schaltphase gibt die Teilspule 6 wieder Energie an das Netz zurück. 10 and 3 supplies the positive half-wave of the low-frequency voltage Ui energy to the partial coil 5 by means of the current Ii, which flows to ground via the low-pass filter 8, the partial coil 5, the semiconductor switch 2 and the current / voltage converter 10. At the beginning of the second switching phase, the 5 coil inductance ensures that the current Ii flowing in the partial coil 5 is taken over by the partial coil 6 as current h, h being equal to Ii in the first instant. In this switching phase, the sub-coil 6 returns energy to the network. 10th

Zur Kompensation der Energieverluste muss die Niederfrequenzspannung Ui während der ersten Schaltphase mehr, das heisst länger Energie an die Teilspule 5 liefern, als sie während der zweiten Schaltphase von der Teilspule 6 zurückerhält. Der Schaltregler 12 des Steuergerätes 9 vergleicht 15 daher die vom Addierglied 13 gelieferte Summe der beiden Istwerte Sii und SI2 mit dem Sollwert SO und hält so die Summe der beiden Schaltströme Ii und I2 annähernd konstant. Der Schaltregler 12 und der Wechselspannungsanteil U3 des Sollwertes SO bestimmen somit indirekt die Dauer der 20 beiden Schaltphasen und damit auch die Ausgangsfrequenz des Sperrwandlers, welche immer um einiges höher ist als die Frequenz der Niederfrequenzspannung Ui. Der Sperrwandler arbeitet somit als Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein-und Ausgang. Mit Vorteil wird als Wechselspannungsanteil 25 Li3 des Sollwertes SO eine Sägezahnspannung verwendet. In order to compensate for the energy losses, the low-frequency voltage Ui must deliver more, that is to say longer, energy to the partial coil 5 during the first switching phase than it receives back from the partial coil 6 during the second switching phase. The switching regulator 12 of the control device 9 therefore compares 15 the sum of the two actual values Sii and SI2 supplied by the adder 13 with the target value SO and thus keeps the sum of the two switching currents Ii and I2 approximately constant. The switching regulator 12 and the AC voltage component U3 of the setpoint SO thus indirectly determine the duration of the 20 two switching phases and thus also the output frequency of the flyback converter, which is always somewhat higher than the frequency of the low-frequency voltage Ui. The flyback converter thus works as a frequency converter with a common input and output. A sawtooth voltage is advantageously used as the AC voltage component 25 Li3 of the setpoint SO.

Während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui sind die Rollen der Teilspule 5, des Halbleiterschalters 2 und des Strom-/Spannungswandlers 10 einerseits und diejenigen der Teilspule 6, des Halbleiterschalters 3 und 30 des Strom-/Spannungswandlers 11 anderseits vertauscht. Während dieser negativen Halbwelle muss der Regel-Sinn des Schaltreglers 12 mit Hilfe des Umschalters 17 und des digitalen Polaritätsumkehrgliedes 18 umgekehrt werden. Um trotzdem ein phasenkorrektes Ausgangssignal zu erhalten, muss 35 During the negative half-wave of the low-frequency voltage Ui, the roles of the partial coil 5, the semiconductor switch 2 and the current / voltage converter 10 on the one hand and those of the partial coil 6, the semiconductor switch 3 and 30 of the current / voltage converter 11 on the other hand are reversed. During this negative half-wave, the control sense of the switching regulator 12 must be reversed with the help of the switch 17 and the digital polarity reversing element 18. In order to obtain a correct phase output signal, 35

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der Umschalter 15 das analoge Polaritätsumkehrglied 16 während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui in Betrieb nehmen. Zur Steuerung der Umschalter 15 und 17 dient die mittels des zweiten Tiefpassfilters 20 gefilterte und mittels des Polaritäts-Detektors 19 in ein Rechtecksignal umgewandelte Ausgangsspannung Ut des ersten Tiefpassfilters 8. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 20 liegt z.B. unterhalb der Sendefrequenz, aber oberhalb der Netzfrequenz. the switch 15 put the analog polarity reversing element 16 into operation during the negative half-wave of the low-frequency voltage Ui. The output voltage Ut of the first low-pass filter 8, which is filtered by means of the second low-pass filter 20 and converted into a square-wave signal by means of the polarity detector 19, is used to control the changeover switches 15 and 17. below the transmission frequency, but above the network frequency.

Der gezeichnete Schaltungsaufbau enthält je einen PNP-und einen NPN-Transistor als Halbleiterschalter 2 und 3, was den Vorteil einer einfachen Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter 2 und 3 hat. Zur Vereinfachung der Lagerhaltung und der Anpassung bei der Auswahl der Transistoren können aber auch, unter gleichzeitiger Schaltungsanpassung der Verstärker 23 und 24, zwei Transistoren vom gleichen Typ, PNP oder NPN, Verwendung finden. The circuit structure shown each contains a PNP and an NPN transistor as semiconductor switches 2 and 3, which has the advantage of simple activation of the two semiconductor switches 2 and 3. In order to simplify the storage and the adjustment in the selection of the transistors, two transistors of the same type, PNP or NPN, can also be used while the amplifiers 23 and 24 are simultaneously adapted to the circuit.

Zum Schutze der Halbleiterschalter vor Schalt-Überspan-nungen ist der Sperrwandler mit Kommutierhilfen 21 und 22 in Form von nichtlinearen Schaltungsgliedern versehen. Hierfür eignen sich vor allem spannungsabhängige, zu den Teilspulen 5 und 6 parallelgeschaltete sogenannte VDR-Widerstände. To protect the semiconductor switch from switching overvoltages, the flyback converter is provided with commutation aids 21 and 22 in the form of non-linear circuit elements. Voltage-dependent so-called VDR resistors, which are connected in parallel with the partial coils 5 and 6, are particularly suitable for this.

Der als Frequenzwandler arbeitende Sperrwandler kann als Sender benutzt werden, indem entweder der Gleichspannungsanteil U2 des Sollwertes SO amplitudenmoduliert oder der Wechselspannungsanteil U3 des Sollwertes SO frequenz-oder phasenmoduliert wird. Wählt man als Niederfrequenzspannung Ui die Spannung eines Versorgungsnetzes für elektrische Energie, so verwendet der Sender als Übertragungskanal das Energieversorgungsnetz zum Übermitteln von Informationen. Vorteile eines solchen Senders sind der einfache Schaltungsaufbau, insbesondere der Wegfall von Kondensatoren und einer aufwendigen Gleichrichter-Speisung. The flyback converter, which works as a frequency converter, can be used as a transmitter, either by amplitude modulating the direct voltage component U2 of the setpoint SO or by frequency or phase modulating the alternating voltage component U3 of the setpoint SO. If the voltage of a supply network for electrical energy is selected as the low-frequency voltage Ui, the transmitter uses the energy supply network as the transmission channel for transmitting information. The advantages of such a transmitter are the simple circuit structure, in particular the elimination of capacitors and the costly rectifier supply.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Externally controlled flyback converter with at least one controllable semiconductor switch, with inductive energy storage during a first switching phase and transfer of energy to the consumer during a second switching phase, characterized in that it has a second controllable semiconductor switch (3) operated in push-pull to the first controllable semiconductor switch (2) ) and a coil (1) with center tap (4) and is designed as a polarity reversing element (16, 18) containing frequency converter with common input and output.

2. flyback converter according to claim 1, characterized in that each serves as a semiconductor switch (2,3), a PNP and an NPN transistor.

2nd

PATENT CLAIMS

3. flyback converter according to claim 1, characterized in that two similar transistors serve as semiconductor switches (2, 3).

4. flyback converter according to claim 1, characterized in that the semiconductor switches (2,3) with commutation aids (21,22) are provided in the form of non-linear circuit elements.

5. flyback converter according to claim 4, characterized in that serve as commutation aids (21, 22) parallel to the partial coils (5,6) VDR resistors.

6. flyback converter according to claim 1 or 4, characterized in that a switching regulator (12) is arranged to control the semiconductor switch (2,3), which the sum of the currents (Ii, I2) of the two semiconductor switches (2, 3) is approximately constant holds.

7. flyback converter according to claim 6, characterized in that the target value (SO) of the switching regulator (12) contains an AC voltage component (U3) and a DC voltage component (U2).

8. flyback converter according to claim 7, characterized in that a sawtooth voltage is used as the AC voltage component (Uj) of the setpoint (SO).

9. Use of the flyback converter according to one of claims 1 to 8 as a transmitter of information using the power supply network as a transmission channel.

10. Use according to claim 9, characterized in that the setpoint (SO) or one of the two setpoint components (TJ2, Lh) is modulated by means of a low-frequency signal, so that the flyback converter works as a transmitter.

11. Use according to claim 9, characterized in that the voltage of a supply network for electrical energy is used as the converter input voltage (Ui).