DE10122704A1

DE10122704A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE10122704A1
Application number: DE10122704A
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Nishikawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2001-11-22
Also published as: JP2001327166A; US20020000923A1

Abstract

Beschrieben wird ein Schaltnetzteil mit einer Diodenbrücke, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, einer Reihenschaltung aus einer Drossel und einem Haupt-MOSFET, die parallel an die Ausgangsanschlüsse der Diodenbrücke angeschlossen ist, einem Hilfs-MOSFET, dessen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß des Haupt-MOSFETs zur Bildung einer MOSFET-Reihenschaltung verbunden ist, einem parallel zur MOSFET-Reihenschaltung geschalteten ersten Kondensator, einem zweiten Kondensator parallel zu einem der beiden MOSFETs, einer Reihenschaltung aus einem dritten Kondensator und einem vierten Kondensator, die parallel zur MOSFET-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei die Primärwicklung eines Sperrwandler-Transformators mit dem Verbindungspunkt zwischen dem dritten Kondensator und dem vierten Kondensator einerseits und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden MOSFETs andererseits verbunden ist, und einer Reihenglättungsschaltung aus einer Diode und einem fünften Kondensator, die parallel zur Senkundärwicklung des Sperrwandler-Transformators geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit gutem Eingangsleistungsfaktor und wenig Störsigna len.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Schaltnetzteils. Die Schaltung besteht aus einem Schaltungsteil zur Verbesserung des Leistungsfaktors und einem Gleichstrom-Sperrwandler (Gleichstrom-Gleichstrom-Sperrwandler).

Gemäß Darstellung in Fig. 3 ist ein Netzfilter 12 zur Unterdrückung von Störsignalen zwischen Wechselstrom-Eingangsanschlüsse und eine Diodenbrücke 1 geschaltet. Eine Reihenschaltung aus einer Drossel 13 und einem MOSFET 5 liegt parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Diodenbrücke 1. Eine Reihenschaltung aus einer Diode 17 und einem Kondensator 6 ist parallel zu dem MOSFET 5 geschaltet. Diese Schaltungselemente bilden den Schaltungsabschnitt zur Korrektur des Leistungsfaktors. Außerdem ist eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung eines Transformators 16 und einem MOSFET 4 parallel zum Kondensator 6 geschaltet. Eine Snubber schaltung aus einer Diode 18, einem Kondensator 19 und einem Widerstand 20 liegt parallel zur Primärwicklung des Transformators 16. Eine Diode 15 und ein Kondensator 11 sind parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 16 geschaltet. Diese letzteren Elemente bilden einen Gleichstromwandler (Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler), dessen Ausgangsanschlüsse an die beiden Platten des Kondensators 11 angeschlossen sind.

Zunächst soll die Arbeitsweise der eingangsseitigen Schaltungselemente, die einen sogenannten Boost-Wandler bilden, beschrieben werden. Wenn der MOSFET 5 eingeschaltet wird, wird wechselstromseitige Energie über die Diodenbrücke 1 in der Drossel 13 gespeichert. Wenn der MOSFET 5 abgeschaltet wird, wird die in der Drossel 13 gespeicherte Energie über die Diode 17 zu dem Kondensator 6 übertragen. Die Diodenbrücke 1 ist dabei bei alten Momentanwerten der Wechselspannung leitend und liefert einen wechselstromseitigen Eingangsstrom mit sinusförmi gem Verlauf zur Verbesserung des Leistungsfaktors. Das Ein- und Ausschalten des MOSFETs 5 wird so gesteuert, daß am Kondensator 6 eine konstante Spannung aufrechterhalten wird und der Eingangswechselstrom sinusförmig wird.

Die Arbeitsweise des Gleichstromwandlers ist wie folgt. Wenn der MOSFET 4 eingeschaltet wird, wird im Kondensator 6 gespeicherte Energie als Erregungsenergie in den Sperrwandler-Transfor mator 16 überführt. Wenn der MOSFET 4 ausgeschaltet wird, wird diese Energie über die Diode 15 zum Kondensator 11 übertragen. Das Ein- und Ausschalten des MOSFETs 4 wird so ge steuert, daß am Kondensator 11 eine konstante Spannung aufrechterhalten wird.

Bei der beschriebenen Schaltung weisen der MOSFET 5 des Boost-Wandlers und der MOSFET 4 des Gleichstromwandlers steile Spannungsverläufe auf, wenn sie ein- oder ausgeschaltet werden, was sowohl die Verluste als auch die mit dem Schalten verbundenen Störsignale erhöht. Diese Bedingungen erfordern große Kühlvorrichtungen bzw. Komponenten zur Verringerung oder Beseitigung von Störsignalen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit dem Schalten der Schaltelemente verbundenen Störsignale zu verringern sowie außerdem die Schaltverluste zu senken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltnetzteil gemäß Patentanspruch 1 oder 2 gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 1, und

Fig. 3 ein Schaltbild eines herkömmlichen Schaltnetzteils.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat ein Haupt- MOSFET 2 die Funktion sowohl des MOSFETs 5 als auch des MOSFETs 4 in der Schaltung des herkömmlichen Schaltnetzteils gemäß Fig. 3. Ein Hilfs-MOSFET 3 ist anstelle der Diode 17 des herkömmlichen Schaltnetzteils vorgesehen. Kondensatoren 7 und 8 liegen parallel zum MOSFET 2 bzw. MOSFET 3. Eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 9 und einem Kondensator 10 liegt parallel zum Kondensator 6. Anstelle der Primärwicklung des Sperrwandler-Transformators 16 und des MOSFETs 4, die in der Schaltung von Fig. 3 parallel zum Kondensator 6 geschaltet sind, ist bei der Schaltung gemäß Fig. 1 eine Reihenschaltung aus einer Drossel 14 und der Primärwicklung des Transformators 16 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 9 und 10 und dem Verbindungspunkt zwischen den MOSFETs 2 und 3 verbunden. Die Kondensa toren 7 und 8 können durch die parasitären Kapazitäten der MOSFETs 2 bzw. 3 ersetzt werden, so daß einer oder beide der Kondensatoren 7 und 8 entfallen können. Ebenso kann einer der Kondensatoren 9 und 10 entfallen.

Das Weglassen eines der Kondensatoren 9 und 10 entspricht der Verbindung einer Reihenschal tung aus Kondensator 9 (oder: Kondensator 10), Drossel 14 und Primärwicklung des Transforma tors 16 parallel zum MOSFET 2 (oder: MOSFET 3). Außerdem kann die Drossel 14 durch die Streuinduktivität des Transformators 16 ersetzt werden. Sie kann somit entfallen. Der MOSFET 2 und der MOSFET 3 werden pulsweiten-gesteuert und, mit einer konstanten Totzeit zwischen den Einschalten des einen und dem Ausschalten des anderen, so ein- und ausgeschaltet, daß eine konstante Spannung am Kondensator 11 erreicht wird. Wenn die Induktivität der Drossel 13 so gewählt wird, daß Strom diskontinuierlich durch die Drossel 13 fließt, hat der Eingangswechsel strom vom Netzfilter 12 einen sinusförmigen Verlauf, womit der Eingangsleistungsfaktor verbessert wird.

Fig. 2 zeigt Signalverläufe in der Schaltung von Fig. 1, anhand derer vier verschiedene Betriebs phasen 1 bis 4 der Schaltungsfunktion erläutert werden sollen. Die Signalverläufe VG1, VG2, VDS1, VDS1, ID1, ID2, IT1, ID3 und IL1 in Fig. 2 zeigen den Verlauf der entsprechend bezeich neten Spannungen bzw. Ströme in Fig. 1. Auf der Abszisse in Fig. 2 sind die einzelnen Betriebs phasen 1 bis 4 eingezeichnet.

Phase 1

Wenn der MOSFET 2 eingeschaltet wird, um die Drossel 13 und den Transformator 16 zu erregen, und dann abgeschaltet wird, lädt der Erregerstrom, der durch die Drossel 13 und die Primärwicklung des Transformators 16 fließt, den Kondensator 7 auf. Dabei ist der Spannungs anstieg VDS1 über dem MOSFET 2 durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Kondensator 7 geladen wird, so daß der MOSFET 2 im Zustand der Spannung Null an ihm abgeschaltet wird, was zu geringen Schaltverlusten führt. Zusätzlich nimmt die Spannung am Kondensator 8 langsam mit der Zunahme dar Spannung am Kondensator 7 ab.

Phase 2

Sobald die Spannung VDS1 am Kondensator 7 derjenigen am Kondensator 6 gleicht, wird die Spannung VDS2 am Kondensator 8 Null, und eine parasitäre Diode des MOSFETs 3 wird elektrisch leitend. An diesem Punkt wird der MOSFET 3 im Zustand der Spannung Null an ihn eingeschaltet, so daß keine Einschaltverluste entstehen. Da außerdem die Spannung VDS1 das MOSFETs 2 auf den Wert der Spannung am Kondensator 6 geklemmt ist, ergibt sich nahezu kein Spannungsstoß, so daß wenig Störungen auftreten. Die in der Drossel 13 gespeicherte Erreger energie wird über die parasitäre Diode des MOSFETs 3 auf den Kondensator 6 übertragen. Eine Resonanzwirkung der Kondensatoren 9 und 10 und der Drossel 14, die einen Resonanzkreis bilden, bewirkt, daß die im Transformator 16 gespeicherte Erregerenergie in solcher Weise auf die Sekundärseite übertragen wird, daß der durch die Diode 15 fließende Strom ID3 sinusförmig ist. Wenn die Frequenz des Resonanzkreises so gewählt wird, daß der Strom durch die Diode 15 null wird, bevor der MOSFET 3 abgeschaltet wird, erholt sich die Diode 15 sanft, was sicherstellt, daß kein Spannungsstoß erzeugt wird und wenig Störungen entstehen. Während dieser Phase wird der Transformator 16 mittels der Spannung des Kondensators 10 unter Umkehr der Richtung des Erregerstroms zurückgesetzt, so daß der Strom ID1 durch den MOSFET 3 in positiver Richtung fließt.

Phase 3

Wenn der MOSFET 3 abgeschaltet wird, wenn der Strom ID2 durch ihn beginnt, in positiver Richtung zu fließen, lädt der reversierte Erregerstrom durch den Transformator 16 den Kondensa tor 8. In diesem Moment ist der Spannungsanstieg (von VDS2) über dem MOSFET 3 durch die Geschwindigkeit beschränkt, mit der der Kondensator 8 geladen wird, so daß der MOSFET 3 im Zustand der Spannung Null an ihm abgeschaltet wird, was zu geringen Schaltverlusten führt. Außerdem nimmt die Spannung VDS1 am Kondensator 7 mit einer Zunahme der Spannung am Kondensator 8 allmählich ab.

Phase 4

Sobald die Spannung VDS2 am Kondensator 8 der Spannung am Kondensator 6 gleicht, wird die Spannung am Kondensator 7 Null, und eine parasitäre Diode des MOSFETs 2 wird elektrisch leitend. An diesem Punkt wird der MOSFET 2 im Zustand der Spannung Null an ihm eingeschal tet, so daß keine Einschaltverluste entstehen. Da die Spannung VDS2 des MOSFETs 3 auf die des Kondensators 6 geklemmt ist, tritt nahezu kein Spannungsstoß auf, und es entstehen nur geringe Störungen. Während dieser Phase wird die Drossel 13 in positiver, durch den Pfeil in Fig. 1 angedeuteter Richtung erregt. Der Transformator 16 wird ebenfalls in positiver Richtung erregt, wie gleichfalls durch einen Pfeil in Fig. 1 angezeigt. Im MOSFET 2 überlagern sich die Erreger ströme (11, 12) durch die Drossel 13 und die Primärwicklung des Transformators 16.

Der Schaltbetrieb des Schaltnetzteils ergibt sich als zyklische Wiederholung der beschriebenen Betriebsphasen 1 bis 4. Eine Verbesserung des Leistungsfaktors wird unabhängig vom Momen tanwert der Eingangsspannung dadurch erreicht, daß der MOSFET 2 ein- und ausgeschaltet wird, um die Diodenbrücke 1 elektrisch leitend zu machen, nachdem die Drossel 13 erregt wurde und bevor sie rückgesetzt wird.

Infolge der Lade- und Entladevorgänge der parallel zu den MOSFETs geschalteten Kondensatoren ermöglicht die vorliegende Erfindung eine sich langsam ändernde Spannung unabhängig davon, ob der Haupt-MOSFET 2 oder Hilfs-MOSFET 3 ein- oder ausgeschaltet wird, und die Einschalt spannung an den MOSFETs ist auf die Spannung des Kondensators 6 geklemmt. Demzufolge treten keine Spannungsstöße auf, und die mit dem Schalten verbundenen Störsignalen sind gering, während Schaltverluste minimiert werden. Dies erübrigt die Notwendigkeit großer Kühlvorrichtungen und Komponenten zur Verringerung oder Beseitigung von Störsignalen.

Claims

1. Schaltnetzteil mit einer Diodenbrücke (1), die an eine Wechselstromquelle ange schlossen ist, einer Reihenschaltung aus einer Drossel (13) und einem Haupt-MOSFET (2), die parallel an die Ausgangsanschlüsse der Diodenbrücke (1) angeschlossen ist, einem Hilfs-MOSFET (3), dessen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß des Haupt-MOSFETs (2) zur Bildung einer MOSFET-Reihenschaltung verbunden ist, einem parallel zur MOSFET-Reihenschaltung geschalte ten ersten Kondensator (6), einem zweiten Kondensator (7, 8) parallel zu einem der beiden MOSFETs (2, 3), einer Reihenschaltung aus einem dritten Kondensator (9) und einem vierten Kondensator (101, die parallel zur MOSFET-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei die Primär wicklung eines Sperrwandler-Transformators (16) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem dritten Kondensator (9) und dem vierten Kondensator (10) einerseits und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden MOSFETs (2, 3) andererseits verbunden ist, und einer Reihenglättungs schaltung aus einer Diode (15) und einem fünften Kondensator (11), die parallel zur Sekundär wicklung des Sperrwandler-Transformators 116) geschaltet ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, bei dem die Reihenschaltung der Primärwicklung des Sperrwandler-Transformators (16) und einer Drossel (14) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem dritten Kondensator (9) und dem vierten Kondensator (10) einerseits und dem Verbindungs punkt zwischen den beiden MOSFETs (2, 3) anderseits verbunden ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Kondensator (7) parallel zum Haupt-MOSFET (2) geschaltet ist und ein sechster Kondensator (8) parallel zum Hilfs- MOSFET (3) geschaltet ist.

4. Schaltnetzteil mit einer Diodenbrücke (1), die an eine Wechselstromquelle ange schlossen ist, einer Reihenschaltung aus einer Drossel (13) und einem Haupt-MOSFET (2), die parallel an die Ausgangsanschlüsse der Diodenbrücke (1) angeschlossen ist, einem Hilfs-MOSFET (3), dessen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß des Haupt-MOSFETs (2) zur Bildung einer MOSFET-Reihenschaltung verbunden ist, einem ersten Kondensator (6), der parallel zur MOSFET- Reihenschaltung geschaltet ist, einem zweiten oder einem dritten Kondensator (8) angeschlossen an einen oder beide MOSFETs, wobei die Kondensatoren (7, 8) und die Primärwicklung eines Sperrwandler-Transformators (16) oder die Kondensatoren, die Primärwicklung des Sperrwandler- Transformators (16) und eine Drossel (14) parallel zu einem der MOSFETs geschaltet sind, und einer Reihenglättungsschaltung aus einer Diode (15) und einem Kondensator (11), die parallel zur Sekundärwicklung des Sperrwandler-Transformators (16) geschaltet ist.