DE102004035248B4

DE102004035248B4 - Resonanzwandler

Info

Publication number: DE102004035248B4
Application number: DE102004035248A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. 07356 Friedrich; Bernd 07368 Pfeifer
Original assignee: Puls 81925 GmbH; PULS GmbH
Current assignee: Puls 81925 GmbH; PULS GmbH
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: US20060039170A1; CN1747300A; DE102004035248A1; CN1747300B; US7495933B2

Abstract

Verfahren zur Regelung oder Ansteuerung eines Resonanzwandlers – mit einer Hauptbrücke (110), die mit einem Eingangssignal (Vin) verbunden ist, – mit einem Übertrager (120), an dem ein Ausgangssignal (Vout) abgreifbar ist, – mit einem Resonanzkreis (130), – mit einem Regelkreis (140), – wobei der Übertrager (120) mit der Hauptbrücke (110) und dem Resonanzkreis (130) verbunden ist, – wobei der Resonanzkreis (130) ferner mit der Hauptbrücke (110) und dem Regelkreis (140) verbunden ist, – wobei der Regelkreis (140) ferner mit der Hauptbrücke (110) verbunden ist; – wobei die Hauptbrücke (110) einen ersten Schalter (V1) und einen zweiten Schalter (V2) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; – wobei der Regelkreis (140) eine Regelbrücke umfasst; – wobei die Regelbrücke einen dritten Schalter (V3) und einen vierten Schalter (V4) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; umfassend die...

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonanzwandler, insbesondere eine Ansteuerung des Resonanzwandlers und ein Netzteil mit einem erfindungsgemäßen Resonanzwandler.
Ein Resonanzwandler umfasst üblicherweise zwei Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung, zwei Ausgangsklemmen zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung und einen Resonanzschwingkreis, der im Takt seiner Resonanzfrequenz an die Eingangsspannung angeschlossen werden kann. Die Spule des Resonanzschwingkreis koppelt induktiv an eine weitere Spule, die über eine Gleichrichterschaltung mit zwei Ausgangsklemmen verbunden ist.
Aus [1] ist ein resonanter Konverter bekannt, bei dem an mindestens zwei Ausgängen, die zur Lieferung unterschiedlich großer Leistungen ausgelegt sind, vorgegebene separate Spannungen bereitgestellt werden können.
Aus [2] ist ebenfalls ein resonanter Konverter bekannt. Hierbei wird ein Fehlersignal des Konverter-Ausgangssignals dazu benutzt, mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) das Eingangssignal des resonanten Konverters zu beeinflussen.
In [3] ist ein Schaltnetzteil mit einem Resonanzwandler beschrieben, wobei anhand des Resonanzwandlers eine möglichst konstante Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird im Rückkoppelzweig ein Noise-Shaping-Filter (NSF) eingesetzt.
Aus [4] ist ein ”Voll-geregelter Konstantfrequenz-Multiresonanzfrequenzwandler bekannt, in dem ein veränderliches Blindwiderstandsglied zur Steuerung des Stromresonanzkreises verwendet wird. Hierdurch kann das Verhältnis der Energie-Übertragung zum Ausgang des Wandlers eingestellt werden.
Aus [5] ist ein Konverter zum Umsetzen einer DC-Spannung in eine Ausgangsspannung bekannt. Der Konverter verwendet eine Vollbrückenschaltung zum Zerhacken der DC-Spannung in eine AC-Spannung und einen Schaltkreis zum Umwandeln der AC-Spannung in eine Ausgangsgleichspannung des Konverters.
Aus [6] ist ein Vollbrücken PWM DC-DC-Konverter bekannt, der ein spannungs- und stromloses Schalten von hilfsweise vorgesehenen Schaltern ermöglicht.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Resonanzwandler weisen den Nachteil auf, dass die Ausgangsspannung des Sekundärkreises proportional zur Eingangsspannung des Resonanzwandlers ist und weitgehend durch das Übersetzungsverhältnis beider Spulen im Resonanzwandler vorgegeben ist. Weiterhin ist die Regelung z. B. der in [2] beschriebenen Schaltungen ineffizient, da alle Schaltelemente vom Resonanzstrom durchflossen werden und dementsprechend leistungsfähig ausgelegt sein müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Resonanzwandler anzugeben, der eine Regelung der Ausgangsspannung ermöglicht, wobei die Regelung der Ausgangsspannung effizient und ohne den aufwändigen Einsatz teuerer Bauelemente möglich ist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit der effizienten Ansteuerung des Resonanzwandlers und schließlich ein Schaltnetzteil mit einem erfindungsgemäßen Resonanzwandler anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Resonanzwandler mit einer Hauptbrücke angegeben, die mit einem Eingangssignal verbunden ist. Der Resonanzwandler umfasst einen Übertrager, an dem ein Ausgangssignal abgreifbar ist, einen Resonanzkreis und einen Regelkreis. Dabei ist der Übertrager mit der Hauptbrücke und dem Resonanzkreis verbunden, der Resonanzkreis ist ferner mit der Hauptbrücke und dem Regelkreis verbunden und der Regelkreis ist ferner mit der Hauptbrücke verbunden.
Bevorzugt ist das Eingangssignal als durch die Hauptbrücke durchgeschleift ausgeführt, so dass das Eingangssignal neben der Hauptbrücke auch mit dem Resonanzkreis und dem Regelkreis verbunden ist.
Hierbei sei angemerkt, dass das Ausgangssignal an dem Übertrager abgreifbar ist, wobei es vorzugsweise nach dem Übertrager noch gleichgerichtet und geglättet wird. Demgemäß ermöglicht der Übertrager die Bereitstellung des Ausgangssignals, das gemäß der jeweiligen Anforderungen, z. B. insbesondere als geglättete Gleichspannung, bereitgestellt wird.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Hauptbrücke einen ersten und einen zweiten Schalter umfasst, die miteinander in Reihe (Serienschaltung) geschaltet sind. Bevorzugt können die Enden der in Reihe geschalteten ersten und zweiten Schalter, also die Enden der Serienschaltung aus erstem und zweitem Schalter, mit dem Eingangssignal und mit dem Resonanzkreis verbunden sein. Optional ist eine Mitte zwischen dem in Reihe geschalteten ersten und zweiten Schalter, also die Mitte der Serienschaltung aus erstem und zweiten Schalter, mit dem Übertrager verbunden.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Schalter und der zweite Schalter jeweils oder beide elektronische Schalter sind.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Regelkreis eine Regelbrücke umfasst. Insbesondere kann die Regelbrücke einen dritten Schalter und einen vierten Schalter umfassen, wobei optional der dritte Schalter und der vierte Schalter miteinander in Reihe geschaltet sind.
Ferner ist es eine mögliche Ausführungsform, dass die Enden der in Reihe geschalteten dritten und vierten Schalter (also die Enden der Serienschaltung aus drittem und viertem Schalter) mit der Hauptbrücke und mit dem Resonanzkreis verbunden sind.
Optional kann die Mitte zwischen den in Reihe geschalteten dritten und vierten Schaltern (also die Mitte der Serienschaltung zwischen dem dritten Schalter und dem vierten Schalter) über eine Regeldrossel mit dem Resonanzkreis verbunden sein.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der dritte Schalter und der vierte Schalter jeweils oder beide elektronische Schalter sind.
Dabei kann mindestens einer der elektronischen Schalter, also z. B. der erste, zweite, dritte oder vierte Schalter, ein Transistor, ein Mosfet, ein Thyristor oder ein IGBT sein. Darüber hinaus sind beliebige Kombinationen aus verschiedenen Schaltern möglich, z. B. müssen nicht alle Schalter vom der gleichen Art bzw. vom gleichen Typ sein.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass zu einem Schalter, insbesondere einem elektronischen Schalter, parallel eine Freilaufdiode vorgesehen ist. Bevorzugt ist eine solche Freilaufdiode z. B. bei Mosfets bereits integriert; insbesondere bei z. B. herkömmlichen Transistoren sollte die Freilaufdiode jedoch zusätzlich vorgesehen werden.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Übertrager mindestens eine Spule, bevorzugt mindestens einen Transformator und/oder einen Primärkreis und einen Sekundärkreis aufweist. Vorzugsweise ist der Primärkreis zwischen der Hauptbrücke und dem Resonanzkreis angeordnet. Ferner kann das Ausgangssignal über den Sekundärkreis abgegriffen werden.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Resonanzkreis mindestens eine Spule und/oder mindestens einen Kondensator aufweist. Bevorzugt umfasst der Resonanzkreis eine Spule und einen Kondensator.
In einer weiteren bevorzugte Ausführungsform weist der Resonanzkreis zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren auf. Dabei können die Enden der in Reihe geschalteten Kondensatoren, also die Enden der Serienschaltung aus den beiden Kondensatoren, jeweils mit der Hauptbrücke und dem Regelkreis verbunden sein. Bevorzugt, d. h. falls die Hauptbrücke derart ausgestaltet ist, dass das mit ihr verbundene Eingangssignal durch sie hindurchgeschleift wird, können die Enden der in Reihe geschalteten Kondensatoren mit dem Eingangssignal verbunden sein, d. h. in diesem Falle würde das Eingangssignal dann zusätzlich an der Reihenschaltung aus den beiden Kondensatoren anliegen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass eine Mitte der Reihenschaltung aus beiden Kondensatoren über eine Resonanzdrossel mit dem Übertrager verbunden ist. Weiterhin kann die Mitte ebenfalls mit dem Regelkreis verbunden sein.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass das Eingangssignal jeweils mit der Hauptbrücke, mit dem Resonanzkreis und mit dem Regelkreis verbunden ist.
Bevorzugt kann das Eingangssignal mittels mindestens eines Eingangskondensators geglättet werden.
Eine Weiterbildung ist es, dass das Eingangssignal eine Eingangsspannung und/oder das Ausgangssignal eine Ausgangsspannung ist.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das Ausgangssignal nach dem Übertrager mittels mindestens einer Diode gleichgerichtet und vorzugsweise anhand mindestens eines Ausgangskondensators geglättet wird. Hierbei können verschiedene Gleichrichteranordnungen, z. B. eine Gleichrichterbrückenschaltung o. ä. insbesondere mit einer entsprechender Glättung des gleichgerichteten Signals vorgesehen sein.
Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Regelung oder Ansteuerung eines Resonanzwandlers angegeben, wobei in einem vorgebbaren ersten Bereich der Regelkreis des Resonanzwandlers nicht angesteuert wird.
Hierbei ist der Resonanzwandler insbesondere ausgeführt wie oben beschrieben. Soll das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung nicht geändert werden, kann der Regelkreis inaktiv bleiben, d. h. es erfolgt keine Ansteuerung der Regelbrücke und insbesondere des dritten und vierten Schalters. Dadurch entstehen in dieser Betriebsart keine zusätzlichen Regelverluste.
Eine alternative Ausführungsform der Ansteuerung des Regelkreises besteht darin, dass ein Spannungsverlauf zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter ermittelt, z. B. gemessen, wird. Der dritte Schalter wird bevorzugt im wesentlichen zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des (ermittelten) Spannungsverlaufs abgeschaltet werden. Optional kann der dritte Schalter im wesentlichen (zeitlich) vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlauf eingeschaltet werden. Bevorzugt kann der vierte Schalter im wesentlichen zeitgleich mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs abgeschaltet werden. Darüber hinaus kann der vierte Schalter im wesentlichen (zeitlich) vor einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs eingeschaltet werden.
Je eher der dritte und der vierte Schalter in dem jeweils dafür vorgesehenen Intervall, eingeschaltet werden, desto stärker ist die Aufregelung des Resonanzwandlers, d. h. desto größer wird das Spannungsverhältnis von Ausgangssignal zu Eingangssignal. Die beschriebene Ansteuerung eignet sich somit zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Resonanzwandlers.
Eine andere Alternative besteht in der Abregelung, d. h. in der Verringerung des Spannungsverhältnisses von Ausgangssignal zu Eingangssignal und damit zur Verringerung der Ausgangsspannung des Resonanzwandlers.
Diesbezüglich wird vorzugsweise der Spannungsverlauf zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter ermittelt (z. B. gemessen). Daraufhin kann der dritte Schalter im wesentlichen zeitgleich mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs abgeschaltet werden. Bevorzugt wird der dritte Schalter im wesentlichen (zeitlich) vor der absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs eingeschaltet. In Ergänzung dessen kann der vierte Schalter im wesentlichen zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs abgeschaltet und bevorzugt im wesentlichen (zeitlich) vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs eingeschaltet werden.
Ferner wird zur Lösung eine Stromversorgung, insbesondere ein Netzteil und speziell ein Schaltnetzteil angegeben, das einen vorliegend beschriebenen Resonanzwandler umfasst. Besagter Resonanzwandler in dem Schaltnetzteil wird vorzugsweise wie beschrieben betrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild des Resonanzwandlers;
2 eine Schaltung des Resonanzwandlers;
3 ein Zeitdiagramm, das die Ansteuerung der Hauptbrücke des Resonanzwandlers veranschaulicht;
4 ein Zeitdiagramm, das die Ansteuerung zur Aufregelung (4A) und zur Abregelung (4B) der Regelbrücke des Resonanzwandlers veranschaulicht;
5 ein Oszillogramm, das die Abregelung veranschaulicht;
6 ein Oszillogramm, das die Aufregelung veranschaulicht;
7 ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler.
In 1 ist ein Blockschaltbild eines Resonanzwandlers gezeigt. Dabei ist ein Eingangssignal Vin über Eingänge 104 und 105 mit einer Hauptbrücke 110 verbunden. Die Eingänge 104 und 105 können z. B. als Eingangsklemmen, Anschlüsse oder Pins ausgeführt sein. Vorzugsweise kann der Eingang 105 auf Masse-Potential gelegt sein, so dass insbesondere der Eingang 104 das Eingangssignal +/– Vin (gegenüber dem Masse-Potential) aufweist.
Die Hauptbrücke 110 ist weiterhin angeschlossen an einen Übertrager 120, einen Resonanzkreis 130 und einen Regelkreis 140. Vorzugsweise kann das Eingangssignal Vin, das über die Eingänge 104 und 105 anliegt, durch die Hauptbrücke 110 hindurchgeschleift werden und als Eingangssignal Vin mit dem Resonanzkreis 130 und mit dem Regelkreis 140 verbunden sein.
Der Übertrager 120 ist ferner mit dem Resonanzkreis 130 verbunden. Ausgangsseitig ist an dem Übertrager 120 ein Ausgangssignal Vout abgreifbar. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal Vout nach dem Übertrager 120 gleichgerichtet und geglättet. In 1 sind zur Gleichrichtung beispielhaft zwei Dioden 101 und 102 vorgesehen, parallel zum Ausgangssignal Vout ist ein Ausgangskondensator 103 angeordnet. Vorzugsweise ist der Ausgangskondensator 103 als ein Elektrolytkondensator (ELKO) ausgeführt. Das Ausgangssignal Vout wird über Ausgänge 106 und 107 bereitgestellt, wobei vorzugsweise der Ausgang 107 ein gegenüber dem Ausgang 106 positives Potential aufweist.
Anstelle der beiden Dioden 102 und 103 können auch andere Gleichrichter, z. B. Mosfets gewählt werden. Nicht abschließend sei hierbei auf die mögliche Verwendung eines Brückengleichrichters hingewiesen.
Der Resonanzkreis 130 ist ferner mit dem Übertrager 120 und mit dem Regelkreis 140 verbunden.
Eine detaillierte Schaltung der einzelnen Komponenten 110, 120, 130 und 140, insbesondere in deren Zusammenspiel miteinander ist beispielhaft in 2 dargestellt.
In 2 liegt das Eingangssignal Vin über die Eingänge 104 und 105 derart an, dass Eingang 105 ein Masse-Potential und Eingang 104 das Potential Vin aufweisen. Parallel zum Eingangssignal Vin kann ein Eingangskondensator 201 angeordnet sein.
Die Hauptbrücke 110 ist parallel zum Eingangssignal Vin geschaltet, wobei zwischen Eingang 104 und Eingang 105 (hier: Masse-Potential) ein erster Mosfet V1 und ein zweiter Mosfet V2 in Reihe geschaltet sind. Der Mosfet ist ein Beispiel für einen elektronischen Schalter, wobei alternativ auch andere, insbesondere andere elektronische, Schalter, z. B. IGBTs oder Transistoren, einsetzbar sind.
In 2 sind alle elektronischen Schalter als n-Kanal Enhancement-Mosfets ausgeführt. Nachfolgend werden die Anschlüsse des jeweiligen Mosfets mit Gate-Anschluss, S-Anschluss für „Source” und D-Anschluss für „Drain” bezeichnet.
Es sei angemerkt, dass grundsätzlich parallel zu jedem elektronischen Schalter eine Freilaufdiode geschaltet werden kann. Dies kann jedoch bei vielen elektronischen Schaltern, in die eine solche Freilaufdiode bereits integriert ist, entfallen (z. B. bei Mosfets). Grundsätzlich können auch Kondensatoren den elektronischen Schaltern parallel geschaltet werden, um die Geschwindigkeit des Spannungsumschwungs zu verringern.
Die Serienschaltung (Reihenschaltung) aus dem ersten Mosfet V1 und dem zweiten Mosfet V2 verbindet die beiden elektronischen Schalter V1 und V2 derart, dass der S-Anschluss des ersten Mosfets V1 mit dem Masse Potential (also Eingang 105 des Eingangssignals Vin) verbunden ist. Der D-Anschluss des ersten Mosfets V1 ist mit dem S-Anschluss des zweiten Mosfets V2 und der D-Anschluss des zweiten Mosfets V2 ist mit dem Eingang 104 des Eingangssignals Vin verbunden. Die Mitte zwischen den beiden elektronischen Schaltern V1 und V2 wird mit „Drain1” bezeichnet.
Der Übertrager 120 umfasst einen Transformator T1 aus einer primärseitigen Spule 202 und zwei sekundärseitigen Spulen 203 und 204. Die sekundärseitigen Spulen 203 und 204 sind in Reihe geschaltet, die Mitte zwischen den Spulen 203 und 204 wird als Ausgang 106 des Ausgangssignals Vout bezeichnet. Die Enden der Reihenschaltung aus den beiden sekundärseitigen Spulen 203 und 204 werden jeweils der Anode der Diode 102 (verbunden mit der Spule 203) und der Anode der Diode 101 (verbunden mit der Spule 204) zugeführt, wobei die Kathoden der Dioden 101 und 102 miteinander und mit dem Anschluss 107 verbunden sind. Das Ausgangssignal Vout ist somit über die Anschlüsse 106 und 107 abgreifbar, wobei parallel zu den Anschlüssen 106 und 107 ein Elektrolytkondensator 103 angeordnet ist, dessen positiver Ladungsanschluss mit dem Anschluss 107 verbunden ist.
Die Mitte zwischen dem ersten Mosfet V1 und dem zweiten Mosfet V2, also „Drain1” ist mit dem Übertrager 120 verbunden und zwar mit einem Ende der primärseitigen Spule 202.
Das andere Ende der primärseitigen Spule 202 ist mit dem Resonanzkreis 130 verbunden und zwar mit dem einen Ende einer Resonanzdrossel L1. Das andere Ende der Resonanzdrossel L1 ist mit der Mitte Vres einer Serienschaltung aus einem ersten Resonanzkondensator C1 und einem zweiten Resonanzkondensator C2 verbunden. Das andere Ende des ersten Resonanzkondensators C1 ist mit dem Anschluss 104 und das andere Ende des Resonanzkondensators C2 mit dem Anschluss 105 (also mit dem Masse-Potential) des Eingangssignals Vin verbunden. Alternativ kann auch einer der beiden Kondensatoren entfallen. Ferner kann die Resonanzdrossel L1 auch durch die Streuinduktivität des Trafos gebildet werden.
Die Mitte Vres zwischen den beiden Resonanzkondensatoren C1 und C2 ist verbunden mit dem Regelkreis 140 und zwar mit dem einen Ende einer Regeldrossel L2. In 2 ist der Regelkreis 140 als eine Regelbrücke aus zwei elektronischen Schaltern, hier aus zwei n-Kanal Enhancement-Mosfets V3 und V4 ausgeführt. Bezüglich der Bezeichnungen der beiden Mosfets V3 und V4 gilt das gleiche wie für die Mosfets V1 und V2.
Der dritte Mosfet V3 und der vierte Mosfet V4 sind in Reihe geschaltet derart, dass jeweils der S-Anschluss des dritten Mosfets V3 mit dem Anschluss 105 des Eingangssignals Vin (Masse-Potential), der D-Anschluss des dritten Mosfets V3 mit dem S-Anschluss des vierten Mosfets V4 und dem anderen Ende der Regeldrossel L2 verbunden ist. Diese Stelle kennzeichnet auch die Mitte „Drain3” der Serienschaltung aus dem dritten Mosfet V3 und dem vierten Mosfet V4. Der D-Anschluss des vierten Mosfets V4 ist mit dem Anschluss 104 des Eingangssignals Vin verbunden.
Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei dem Eingangssignal Vin und bei dem Ausgangssignal Vout vorzugsweise um Eingangsspannung und Ausgangsspannung handelt.
In 3 ist ein Zeitdiagramm dargestellt, das die Ansteuerung der Hauptbrücke des Resonanzwandlers veranschaulicht.
Wie zu 2 beschrieben, umfasst die Hauptbrücke 110 des Resonanzwandlers die elektrischen Schalter V1 und V2, die über den Transformator T1 (primärseitige Spule 202 und sekundärseitige Spulen 203 und 204) und die Resonanzdrossel L1 mit den Resonanzkondensatoren C1 und C2 verbunden sind. An diesem Punkt, also in der Mitte Vres zwischen den beiden Resonanzkondensatoren C1 und C2 entsteht eine im wesentlichen sinusförmige Resonanzspannung 301.
Der erste Mosfet V1 und der zweite Mosfet V2 schalten alternierend üblicherweise mit einer kleinen Ansteuerpause zum Umschwingen der Spannung an „Drain1”, also an der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Mosfet V1 und dem zweiten Mosfet V2. In 3 und eine Kennlinie 303 für die Ansteuerung des ersten Mosfets V1 und eine Kennlinie 304 für die Ansteuerung des zweiten Mosfets V2 dargestellt.
Die Ansteuerung eines Mosfets erfolgt in der Regel über dessen Gate-Anschluss, d. h. eine externe Ansteuerungsschaltung sorgt z. B. für einen Spannungsverlauf an dem Gate-Anschluss des jeweiligen Mosfets in Abhängigkeit von sonstigen Kenngrößen der jeweiligen Schaltung.
Im vorliegenden Fall (Schaltung nach 2) ergibt sich aus der Ansteuerung des ersten Mosfets V1 gemäß Kennlinie 303 und aus der Ansteuerung des zweiten Mosfets V2 gemäß Kennlinie 304 ein Spannungsverlauf an „Drain1” gemäß der Kennlinie 302.
Zu einem Zeitpunkt t1 schaltet der erste Mosfet V1 „aus” (siehe Kennlinie 303), der Spannungsverlauf 302 steigt an. Zu einem Zeitpunkt t2 schaltet der zweite Mosfet V2 „ein” (siehe Kennlinie 304), der Spannungsverlauf 302 bleibt nahezu konstant auf hohem Potential bis zu einem nächsten Zeitpunkt t3 der zweite Mosfet V2 (Kennlinie 304) „aus” geschaltet wird. Jetzt sinkt die Spannung an „Drain1” (siehe Kennlinie 302) bis zu einem Zeitpunkt t4 der erste Mosfet „ein” geschaltet wird und damit die Spannung an „Drain1” nahezu konstant auf niedrigem Potential verharrt.
Der Spannungsverlauf 301 in der Mitte Vres ist im wesentlichen sinusförmig, der Spannungsverlauf 302 „Drain1” ist dazu um 90° phasenverschoben.
Die Ausgangsspannung Vout des Resonanzwandlers beträgt unter Vernachlässigung der Spannungsabfälle in der Schaltung: Vout = Vin/(2·ue) (1)
Mit ue = n_prim/n_sek (2) folgt: Vout ist proportional zu Vin wobei

ue: ein Trafoübersetzungsverhältnis,
nprim: eine Anzahl der Wicklungen im Primärkreis des Transformators und
nsek: eine Anzahl der Wicklungen im Sekundärkreis des Transformators

Durch Beeinflussung der Kurvenform und/oder der Amplitude des Spannungsverlaufs an der Mitte Vres (siehe Kennlinie 301) mittels des Regelkreises 140 ist das ansonsten fest vorgegebene Verhältnis von Vout/Vin in bestimmten Grenzen einstellbar. So kann beispielsweise eine konstante Ausgangsspannung Vout über einem bestimmten Bereich der Eingangsspannung Vin erreicht werden.
Für die Regelung sind insbesondere drei Fälle zu unterscheiden:

– Neutralbereich: Vout/Vin bleibt unverändert entsprechend Formel (1);
– Aufregelung: Vout/Vin wird erhöht;
– Abregelung: Vout/Vin wird verringert;

Eine maximale Aufregelung wird beispielsweise erreicht, wenn:

– der Spannungsverlauf am Punkt „Drain1” gleichphasig mit dem Spannungsverlauf am Punkt „Drain3” verläuft;
– der Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des ersten Mosfets V1 insbesondere gleich dem Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des dritten Mosfets V3 ist und zusätzlich der Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des zweiten Mosfets V2 insbesondere gleich dem Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des vierten Mosfets V4 ist, also: U_Gate1 = U_Gate3 und U_Gate2 = U_Gate4.

Maximale Abregelung wird beispielsweise erreicht, wenn:

– der Spannungsverlauf am Punkt „Drain1” gegenphasig mit dem Spannungsverlauf am Punkt „Drain3” verläuft;
– der Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des ersten Mosfets V1 insbesondere gleich dem Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des vierten Mosfets V4 ist und zusätzlich der Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des zweiten Mosfets V2 insbesondere gleich dem Spannungsverlauf am Gate-Anschluss des dritten Mosfets V3 ist, also: U_Gate1 = U_Gate4 und U_Gate2 = U_Gate3.

Der Bereich zwischen der maximalen Abregelung und Aufregelung kann durch Phasenverschiebung von der Spannung am Punkt „Drain3” gegenüber der Spannung am Punkt „Drain1” erfolgen (sowohl voreilend, als auch nacheilend). Nachteilig dabei sind die Regelverluste und eine starke Änderung der Resonanzfrequenz im Bereich geringer Auf- oder Abregelung auch bei geringer Last. Eine verbesserte Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Vorzugsweise wird im o. g. „Neutralbereich”, also in dem Fall, dass das Verhältnis Vout/Vin gemäß Formel (1) eingehalten werden soll, keine zusätzliche Regelung durch den Regelkreis 140 vorgenommen. Insbesondere wird in diesem Neutralbereich der Regelkreis zur Vermeidung von Zusatzverlusten nicht angesteuert.
Soll hingegen eine Abregelung oder eine Aufregelung erzielt werden, dann wird insbesondere die Regelbrücke, über den dritten Mosfet V3 und den vierten Mosfet V4 nur so lange wie nötig angesteuert. Damit ist der Strom in der Regeldrossel L2 gegenüber einer Regelung mit Phasenverschiebung reduziert, was zu einer Verringerung der Verluste durch den Regelkreis 140 führt.
Vorzugsweise entstehen bei dieser Art der Ansteuerung des Regelkreises 140 Pausezeiten, in denen weder der dritte Mosfet V3 noch der vierte Mosfet V4 angesteuert sind.
4 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Ansteuerung zur Aufregelung (4A) und zur Abregelung (4B) der Regelbrücke des Resonanzwandlers veranschaulicht.
In beiden Fällen Aufregelung (4A) und Abregelung (4B) ist es von besonderem Vorteil, wenn das Ausschalten des dritten Mosfets V3 und des vierten Mosfets V4 insbesondere oder im wesentlichen zeitgleich mit der Spannungsflanke des Spannungsverlaufs an dem Punkt „Drain1” erfolgt, um somit vorteilhaft den Blindstrom für die Regelung zu minimieren.
4A zeigt den Fall der Aufregelung. Der Spannungsverlauf 401 am Punkt „Drain1” der Schaltung gemäß 2 ist jeweils dem Spannungsverlauf 402 zur Ansteuerung des dritten Mosfets V3 über dessen Gate-Anschluss und dem Spannungsverlauf 403 zur Ansteuerung des vierten Mosfets V4 über dessen Gate-Anschluss gegenübergestellt.
Der dritte Mosfet V3 wird hierbei im wesentlichen zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 401 zu einem Zeitpunkt T2 abgeschaltet. Bevorzugt wird der dritte Mosfet V3 vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 401 zu einem Zeitpunkt T1 eingeschaltet.
Dieser Einschaltzeitpunkt des dritten Mosfets V3 ist gegenüber den Schaltpunkten der Hauptbrücke (z. B. dem Punkt „Drain1”, dargestellt durch den Spannungsverlauf 401) zeitlich variabel. Mittels des Schaltzeitpunkts wird die Größe der durch die Regelung erzwungenen Vout/Vin-Änderung eingestellt. In 4A ist der variable Schaltzeitpunkt zum Einschalten des dritten Mosfets V3 durch die Pfeile 407 und 408 und zum Einschalten des vierten Mosfets V4 durch die Pfeile 409 und 410 dargestellt.
Der vierte Mosfet V4 wird im insbesondere zeitgleich mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 401 zu einem Zeitpunkt T4 abgeschaltet. Bevorzugt wird der vierte Mosfet V4 vor einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 401 zu einem Zeitpunkt T3 eingeschaltet.
4B zeigt den Fall der Abregelung. Der Spannungsverlauf 404 entspricht dem Spannungsverlauf 401 aus 4A am Punkt „Drain1” der Schaltung gemäß 2. Dem Spannungsverlauf 404 sind der Spannungsverlauf 405 zur Ansteuerung des dritten Mosfets V3 über dessen Gate-Anschluss und der Spannungsverlauf 406 zur Ansteuerung des vierten Mosfets V4 über dessen Gate-Anschluss gegenübergestellt.
Der dritte Mosfet V3 wird hierbei im wesentlichen zeitgleich oder insbesondere mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 404 zu einem Zeitpunkt T4 abgeschaltet. Bevorzugt wird der dritte Mosfet V3 vor einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 404 zu einem Zeitpunkt T3 eingeschaltet.
Dieser Einschaltzeitpunkt des dritten Mosfets V3 ist gegenüber den Schaltpunkten der Hauptbrücke (z. B. dem Punkt „Drain1”, dargestellt durch den Spannungsverlauf 404) zeitlich variabel. Mittels des Schaltzeitpunkts wird die Größe der durch die Regelung erzwungenen Vout/Vin-Änderung eingestellt. In 4B ist der variable Schaltzeitpunkt zum Einschalten des dritten Mosfets V3 durch die Pfeile 411 und 412 und zum Einschalten des vierten Mosfets V4 durch die Pfeile 413 und 414 dargestellt.
Der vierte Mosfet V4 wird im insbesondere zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 404 zu einem Zeitpunkt T2 abgeschaltet. Bevorzugt wird der vierte Mosfet V4 vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs 404 zu einem Zeitpunkt T1 eingeschaltet.
Im Neutralbereich sind bevorzugt keine Ansteuerimpulse der Gate-Anschlüsse des dritten Mosfets V3 und/oder des vierten Mosfets V4 vorhanden.
5 zeigt ein Oszillogramm, das die Betriebsart der Abregelung veranschaulicht. Dazu zeigt 5 einen Spannungsverlauf 501 im Punkt „Drain1” zwischen dem ersten Mosfet V1 und dem zweiten Mosfet V2, einen Stromverlauf 502 durch die Resonanzdrossel L1, einen Spannungsverlauf 503 im Punkt „Drain3” zwischen dem dritten Mosfet V3 und dem vierten Mosfet V4 und einen Spannungsverlauf 504 am Gate-Anschluss des dritten Mosfets V3.
Der Spannungsverlauf 503 zeigt nach dem Ausschalten des Gate-Impulses an dem dritten Mosfet V3, d. h. nach der abfallenden Flanke im Spannungsverlauf 504, ein Umschwingen auf das Niveau der Eingangsspannung. Dort verharrt die Spannung so lange bis die Regeldrossel L2 entmagnetisiert und der Strom durch sie abgeklungen ist. Während dieser Entmagnetisierung 510 fließt der Strom rückwärts durch den vierten Mosfet V4 über dessen Bodydiode. Alternativ und/oder zusätzlich wäre es auch möglich während dieser Zeit den vierten Mosfet V4 anzusteuern, um die Bodydiode zu entlasten. Das gilt vorzugsweise entsprechend für alle Schalter des beschriebenen Resonanzwandlers.
Wie lange die Regeldrossel L2 zu der Entmagnetisierung 510 benötigt, hängt insbesondere von der Dauer des Spannungsimpulses am Gate-Anschluss des dritten Mosfets V3 und der Spannung an der Regeldrossel L2 ab. Dabei wird die Spannung an der Regeldrossel L2 auch von dem Ausgangsstrom beeinflusst.
6 zeigt ein Oszillogramm, das die Betriebsart der Aufregelung veranschaulicht. Dazu zeigt 6 einen Spannungsverlauf 601 im Punkt „Drain1” zwischen dem ersten Mosfet V1 und dem zweiten Mosfet V2, einen Stromverlauf 602 durch die Resonanzdrossel L1, einen Spannungsverlauf 603 im Punkt „Drain3” zwischen dem dritten Mosfet V3 und dem vierten Mosfet V4 und einen Spannungsverlauf 604 am Gate-Anschluss des dritten Mosfets V3.
Ohne Last ist die Dauer einer Entmagnetisierung 610 insbesondere gleich der Dauer eines Ansteuerimpulses 611. Bei hoher Last ist die Dauer der Entmagnetisierung 610 im Falle der Aufregelung kürzer, im Falle der Abregelung länger. Das ist eine Folge der mit der Last steigenden Spannungswelligkeit an dem/den Resonanzkondensatoren.
Bevorzugt können die Schwingungen im Spannungsverlauf 603 in den Pausen mit einem zusätzlichen RC-Glied gedämpft werden.
Bei einer länger andauernden Ansteuerung 611 (breiterer Ansteuerimpuls) treffen bzw. überlagern sich Ansteuerung 611 und Entmagnetisierung 610. In diesem Fall gibt es keine Pause(n) mehr.
Hierbei sei angemerkt, dass der Regelbereich von der Größe der Regeldrossel L2 abhängt: Je kleiner die Induktivität von L2 ist, umso größer ist der Regelbereich.
Insbesondere kann der beschriebene Resonanzwandler, vorteilhaft in der oben beschriebenen Art des Betriebs bzw. der Ansteuerung, in einer Stromversorgungseinheit, insbesondere einem Netzteil oder einem Schaltnetzteil eingesetzt werden. Bevorzugt wird dadurch eine konstante Ausgangsspannung durch den Regelkreis 140 beeinflusst bzw. in bestimmten Grenzen um den oben beschriebenen Neutralbereich auf- bzw. abgeregelt.
7 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler. Hierbei wird ein Eingangssignal 701 in ein Ausgangssignal 709, vorzugsweise eine Wechselspannung in eine geregelte Gleichspannung, gewandelt. Das Eingangssignal 701 wird einem Modul 702 mit einer Netzgleichrichtung und einer Siebung zugeführt. Das Ausgangssignal des Moduls 702 wird einem Resonanzwandler 703, der eine Hauptbrücke 704 und eine Regelbrücke 705 umfasst, zugeführt. Das Ausgangssignal des Resonanzwandlers 703 entspricht dem Ausgangssignal 709, wobei dieses Ausgangssignal einer Regelung 706 zugeführt wird. Das durch die Regelung 706 gewonnene Signal wird einer Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 zugeführt, wobei ein Ausgangssignal der Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 die Regelbrücke 705 des Resonanzwandlers 703 beeinflusst. Zusätzlich ist ein Oszillator 708 vorgesehen, der ein Signal sowohl für die Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 als auch für die Hauptbrücke 704 des Resonanzwandlers 703 bereitstellt.
Literaturverzeichnis:

[1] EP 1 303 032 A2
[2] US 2003/0147263 A1
[3] DE 100 60 169 A1
[4] DE 92 16 426 U1
[5] DE 101 09 967 A1
[6] D.-Y. Lee at el.: ”An Improved Full-Bridge Zero-Voltage-Transition PWM DC/DC Converter with Zero-Voltage/Zero-Current Switching of teh Auxiliary Switches”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, Conference Proceedings 1998, 13. Annual Volume 2, Seiten 816 bis 822.

Claims

Verfahren zur Regelung oder Ansteuerung eines Resonanzwandlers – mit einer Hauptbrücke (110), die mit einem Eingangssignal (Vin) verbunden ist, – mit einem Übertrager (120), an dem ein Ausgangssignal (Vout) abgreifbar ist, – mit einem Resonanzkreis (130), – mit einem Regelkreis (140), – wobei der Übertrager (120) mit der Hauptbrücke (110) und dem Resonanzkreis (130) verbunden ist, – wobei der Resonanzkreis (130) ferner mit der Hauptbrücke (110) und dem Regelkreis (140) verbunden ist, – wobei der Regelkreis (140) ferner mit der Hauptbrücke (110) verbunden ist; – wobei die Hauptbrücke (110) einen ersten Schalter (V1) und einen zweiten Schalter (V2) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; – wobei der Regelkreis (140) eine Regelbrücke umfasst; – wobei die Regelbrücke einen dritten Schalter (V3) und einen vierten Schalter (V4) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; umfassend die folgenden Schritte: – Es wird ein Spannungsverlauf (Drain1) zwischen dem ersten Schalter (V1) und dem zweiten Schalter (V2) bestimmt, und – es wird der dritte Schalter (V3) im wesentlichen zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) abgeschaltet, – wobei ein Einschaltzeitpunkt des dritten Schalters (V3) gegenüber den Schaltpunkten der Hauptbrücke (110) und somit die Größe der durch den Regelkreis (140) bedingten Änderung des Verhältnisses von Ausgangssignal (Vout) zu Eingangssignal (Vin) variabel eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dritte Schalter (V3) im wesentlichen vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vierte Schalter (V4) im wesentlichen zeitgleich mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vierte Schalter (V4) im wesentlichen vor einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Aufregelung des Spannungsverhältnisses von Ausgangssignal (Vout) zu Eingangssignal (Vin).
Verfahren zur Regelung oder Ansteuerung eines Resonanzwandlers – mit einer Hauptbrücke (110), die mit einem Eingangssignal (Vin) verbunden ist, – mit einem Übertrager (120), an dem ein Ausgangssignal (Vout) abgreifbar ist, – mit einem Resonanzkreis (130), – mit einem Regelkreis (140), – wobei der Übertrager (120) mit der Hauptbrücke (110) und dem Resonanzkreis (130) verbunden ist, – wobei der Resonanzkreis (130) ferner mit der Hauptbrücke (110) und dem Regelkreis (140) verbunden ist, – wobei der Regelkreis (140) ferner mit der Hauptbrücke (110) verbunden ist; – wobei die Hauptbrücke (110) einen ersten Schalter (V1) und einen zweiten Schalter (V2) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; – wobei der Regelkreis (140) eine Regelbrücke umfasst; – wobei die Regelbrücke einen dritten Schalter (V3) und einen vierten Schalter (V4) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind; umfassend die folgenden Schritte: – Es wird ein Spannungsverlauf (Drain1) zwischen dem ersten Schalter (V1) und dem zweiten Schalter (V2) bestimmt, und – es wird der dritte Schalter (V3) im wesentlichen zeitgleich mit einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) abgeschaltet, – wobei ein Einschaltzeitpunkt des dritten Schalters (V3) gegenüber den Schaltpunkten der Hauptbrücke (110) und somit die Größe der durch den Regelkreis (140) bedingten Änderung des Verhältnisses von Ausgangssignal (Vout) zu Eingangssignal (Vin) variabel eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der dritte Schalter (V3) im wesentlichen vor einer absteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem der vierte Schalter (V4) im wesentlichen zeitgleich mit einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der vierte Schalter (V4) im wesentlichen vor einer ansteigenden Spannungsflanke des Spannungsverlaufs (Drain1) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Abregelung des Spannungsverhältnisses von Ausgangssignal (Vout) zu Eingangssignal (Vin).
Schaltnetzteil mit einem Resonanzwandler – mit einer Hauptbrücke (110), die mit einem Eingangssignal (Vin) verbunden ist, – mit einem Übertrager (120), an dem ein Ausgangssignal (Vout) abgreifbar ist, – mit einem Resonanzkreis (130), – mit einem Regelkreis (140), – wobei der Übertrager (120) mit der Hauptbrücke (110) und dem Resonanzkreis (130) verbunden ist, – wobei der Resonanzkreis (130) ferner mit der Hauptbrücke (110) und dem Regelkreis (140) verbunden ist, – wobei der Regelkreis (140) ferner mit der Hauptbrücke (110) verbunden ist; wobei der Resonanzwandler mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder 6 bis 10 betrieben wird.