DE102004047697A1 - Circuit arrangement for driving a flyback converter - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung (1) zum Ansteuern eines Hochsetzstellers oder eines Sperrwandlers (10) beschrieben, der ein steuerbares Halbleiterschaltelement (11) aufweist, dessen Steueranschluss von einer Steuerschaltung (20) mit einem von dieser erzeugten Steuersignal beaufschlagbar ist. Es ist eine mit der Steuerschaltung (20) gekoppelte Signalerzeugungsschaltung (30) vorgesehen, die das von der Steuerschaltung (20) erzeugte Steuersignal derart beeinflusst, dass ein Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements (11) des Sperrwandlers (10) erfolgt, wenn über dessen Laststrecke keine Spannung anliegt. Dazu ist die Signalerzeugungsschaltung (30) direkt mit dem Halbleiterschaltelement (11) verbunden.A circuit arrangement (1) for driving a boost converter or a flyback converter (10) is described which has a controllable semiconductor switching element (11) whose control terminal can be acted upon by a control circuit (20) with a control signal generated by the latter. A signal generating circuit (30) coupled to the control circuit (20) is provided, which influences the control signal generated by the control circuit (20) in such a way that a switching operation of the semiconductor switching element (11) of the flyback converter (10) takes place if no voltage is present across its load path is applied. For this purpose, the signal generating circuit (30) is connected directly to the semiconductor switching element (11).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Hochsetzstellers oder eines Sperrwandlers, der ein steuerbares Halbleiterschaltelement aufweist, dessen Steueranschluss von einer Steuerschaltung mit einem von dieser erzeugten Steuersignal beaufschlagbar ist.The The invention relates to a circuit arrangement for driving a Hochsetzstellers or a flyback converter, which is a controllable semiconductor switching element whose control terminal of a control circuit with a can be acted upon by this generated control signal.
Aus dem Stand der Technik bekannte Spannungswandler wie z.B. Hochsetzsteller (Boost Converter) oder Flyback-Konverter, die in Stromversorgungsanordnungen (Schaltnetzteile) eingesetzt werden, werden häufig hart schaltetd betrieben. Dies hat zur Folge, dass die Spannungswandler Schaltverluste aufweisen. Schaltverluste resultieren daher, dass das in dem Spannungswandler vorgesehene Halbleiterschaltelement zu einem Zeitpunkt leitend geschaltet wird, zu dem über seiner Laststrecke noch oder bereits wieder eine Spannung anliegt.Out voltage converters known in the art, e.g. Boost converter (Boost Converter) or flyback converters used in power supply arrangements (Switching power supplies) are used, often operated hard switched. This has the consequence that the voltage transformers have switching losses. Switching losses therefore result in that in the voltage converter provided semiconductor switching element turned on at a time conductive becomes, about that its load path is still or already again a voltage applied.
Um Stromversorgungsanordnungen mit möglichst geringen Abmaßen realisieren zu können, muss deren Betriebsfrequenz erhöht werden. Bei einem Sperrwandler, der mit fester Frequenz betrieben wird, führt dies zu erhöhten Schaltverlusten. Die Schaltverluste können nur durch so genanntes "weiches Schaltet" vermieden werden, wobei die Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass das (Ein-)Schaltet des Halbleiterschaltelements des Sperrwandlers im Spannungsnulldurchgang folgt. Als Spannungsnulldurchgang wird dabei derjenige Betriebszustand des Halbleiterschaltelements bezeichnet, bei dem über dessen Laststrecke keine Spannung anliegt.Around Realize power supply arrangements with the smallest possible dimensions to be able to increases their operating frequency become. In a flyback converter, which is operated at a fixed frequency, does this to increased Switching losses. The switching losses can only be avoided by so-called "soft switching", wherein the circuit arrangement is designed such that the (on) switches of the semiconductor switching element of the flyback converter in the voltage zero crossing follows. The voltage zero crossing is the operating state of the semiconductor switching element, in which over the Load line no voltage is applied.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu Steuerschaltungen bekannt, die über einen separaten Messeingang verfügen, mit welchem eine Hilfswicklung auf der Drossel des Sperrwandlers verbunden ist. Mit der Hilfswicklung kann der Stromnulldurchgang detektiert werden. Zu diesem Zeitpunkt kann der Schalt transistor wieder eingeschaltet werden. Die Betriebsart derartiger Steuerschaltungen wird in der Fachliteratur als "critical conduction mode" bezeichnet.Out For this purpose, control circuits are known in the prior art, which have a have separate measuring input, with which an auxiliary winding on the choke of the flyback converter connected is. With the auxiliary winding, the current zero crossing be detected. At this time, the switching transistor be turned on again. The mode of operation of such control circuits is referred to in the literature as "critical conduction mode ".
Das Vorsehen einer zusätzlichen Hilfswicklung – sei es auf der Drossel eines Hochsetzstellers oder auf dem Transformator eines Sperrwandlers – ermöglicht zwar das Erhöhen der Betriebsfrequenz des Sperrwandlers und damit die Reduktion der Größe der Stromversorgungs-Schaltungsanordnung. Andererseits wird ein Teil des eingesparten Bau-Volumens durch den benötigten Platz der Hilfswicklung wieder aufgezehrt. Darüber hinaus schlägt sich das Vorsehen einer Hilfswicklung auf die Kosten des Wickelguts negativ nieder.The Provide an additional Auxiliary winding - be it on the choke of a boost converter or on the transformer a flyback converter - allows indeed increasing the operating frequency of the flyback converter and thus the reduction of Size of power supply circuitry. on the other hand becomes part of the saved construction volume by the required space the auxiliary winding consumed again. In addition, it beats the provision of an auxiliary winding on the cost of the winding negative low.
Es wäre deshalb wünschenswert, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche ein verlustarmes bzw. verlustfreies Schaltet des Halbleiterschaltelements eines Spannungswandlers ermöglicht und die gleichzeitig den Verzicht auf eine Hilfswicklung möglich macht.It That would be why desirable, specify a circuit arrangement which has a low-loss or Lossless switching of the semiconductor switching element of a voltage converter allows and at the same time makes it possible to do without an auxiliary winding.
Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.These Task is with a circuit arrangement with the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Hochsetzstellers oder eines Sperrwandlers, der ein steuerbares Halbleiterschaltelement aufweist, dessen Steueranschluss von einer Steuerschaltung mit einem von dieser erzeugten Steuersignal beaufschlagbar ist, enthält eine mit der Steuerschaltung gekoppelte Signalerzeugungsschaltung, die das von der Steuerschaltung erzeugte Steuersignal derart beeinflusst, dass ein Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements des Sperrwandlers erfolgt, wenn über dessen Laststrecke keine Spannung anliegt. Hierbei ist die Signalerzeugungsschaltung direkt mit dem Halbleiterschaltelement verbunden.The inventive circuit arrangement for driving a boost converter or a flyback converter, the a controllable semiconductor switching element having its control terminal from a control circuit with a control signal generated thereby can be acted upon contains a signal generating circuit coupled to the control circuit, which influences the control signal generated by the control circuit in such a way, That is, a switching operation of the semiconductor switching element of the flyback converter done when over whose load path bears no voltage. Here is the signal generation circuit directly connected to the semiconductor switching element.
Gegenüber bekannten Anordnungen weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung den Vorteil auf, dass diese ein verlustfreies Betreiben des Sperrwandlers ermöglicht, dabei jedoch einen lediglich geringen Platzbedarf benötigt, da sämtliche hierzu notwendigen Bauelemente in integrierter Form vorgesehen werden können. Diese sind in der Signalerzeugungsschaltung vorgesehen, welche zusammen oder getrennt mit der Steuerschaltung in einem einzigen Chip oder auf einer Leiterplatte angeordnet sein kann. Der Verzicht auf eine Hilfswicklung als externes Bauelement wird dadurch möglich, dass die erfindungsgemäße Signalerzeugungsschaltung nicht mehr den in der Drossel bzw. dem Transformator des Spannungswandlers fließenden Strom überwacht, sondern eine direkte Verbindung mit dem Halbleiterschaltelement des Sperrwandlers aufweist, um dessen Spannung zu überwachen.Opposite known Arrangements, the circuit arrangement according to the invention has the advantage on that this allows a lossless operation of the flyback converter, However, it requires only a small footprint because all For this purpose, necessary components are provided in an integrated form can. These are provided in the signal generating circuit, which together or separated with the control circuit in a single chip or can be arranged on a circuit board. The abandonment of one Auxiliary winding as an external device is made possible by the fact that the Not according to the invention signal generating circuit more in the choke or the transformer of the voltage converter flowing Monitored electricity, but a direct connection to the semiconductor switching element of the flyback converter to monitor its voltage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Signalerzeugungsschaltung Detektions-Mittel zum Detektieren einer an der Laststrecke des Halbleiterschaltelements anliegenden Spannung auf. Um den Spannungs-Nulldurchgang der über der Laststrecke des Halbleiterschaltelements anliegenden Spannung zu detektieren, wird nunmehr gemäß dem Vorschlag der Erfindung eine Spannungsflanke direkt am Halbleiterschaltelement detektiert. Die Detektion eines Stromnulldurchgangs mit einer separaten Hilfswicklung kann dadurch entfallen.In an advantageous embodiment, the signal generating circuit Detection means for detecting a at the load path of the semiconductor switching element applied voltage on. To the voltage zero crossing of the over Load line of the semiconductor switching element voltage applied to will now, according to the proposal of Invention a voltage edge directly on the semiconductor switching element detected. The detection of a current zero crossing with a separate Auxiliary winding can be omitted.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Signalerzeugungsschaltung Addier-Mittel zum Erzeugen eines Additions-Signals auf, die dieses in Abhängigkeit eines detektierten Spannungs-Nulldurchgangs an der Laststrecke des Halbleiterschaltelements erzeugen.According to one further expedient embodiment The signal generating circuit includes adding means for generating a Addition signal, this in response to a detected voltage zero crossing generate at the load path of the semiconductor switching element.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Signalerzeugungsschaltung Überlagerungs-Mittel aufweist, die das Additions-Signal dem von der Steuerschaltung erzeugten Steuersignal überlagern. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei Detektion eines Spannungs-Nulldurchgangs das Einschaltet des Halbleiterschaltelements durch ein entsprechendes Steuersignal der Steuerschaltung bewerkstelligt werden kann.In a development is provided that the signal generating circuit overlay means having the addition signal generated by the control circuit Superimpose control signal. hereby can be ensured that upon detection of a voltage zero crossing the switching of the semiconductor switching element by a corresponding Control signal of the control circuit can be accomplished.
Das von der Steuerschaltung erzeugte Steuersignal ist ein Sägezahnsignal und das von der Signalerzeugungsschaltung erzeugte Additions-Signal eine Spannungsflanke. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Steuerschaltung herkömmlicher Art ist, wobei durch einen Vergleich des Sägezahnsignals mit einem Referenzsignal ein Steuersignal für das Halbleiterschaltelement erzeugt wird. Das Ansprechen des Halbleiterschaltelements kann dann durch eine Beeinflussung des Sägezahnsignals variiert werden. Durch geeignetes Überlagern des Additions-Signals kann somit das Schaltverhalten des Halbleiterschaltelements derart beeinflusst werden, dass ein Einschaltet im Spannungs-Nulldurchgang erfolgt.The control signal generated by the control circuit is a sawtooth signal and the addition signal generated by the signal generating circuit a Voltage edge. In other words, that means the control circuit conventional Art is, wherein by comparing the sawtooth signal with a reference signal a control signal for the Semiconductor switching element is generated. The response of the semiconductor switching element can then be varied by influencing the sawtooth signal. By suitable overlaying of the addition signal can thus the switching behavior of the semiconductor switching element be influenced so that a turn on in the voltage zero crossing occurs.
In einer Weiterbildung weist die Steuerschaltung einen Eingang auf, an dem eine Referenzspannung zur Einstellung der Frequenz des Sägezahnsignals anliegt, wobei der Eingang mit dem Ausgang der Signalerzeugungsschaltung verbunden ist, an dem das Additions-Signal abgreifbar ist. Eine Überlagerung, d.h. eine Addition, des Additions-Signals mit der Referenzspannung zur Generierung des (modifizierten) Sägezahnsignals findet somit unmittelbar am Eingang einer konventionellen Steuerschaltung statt. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass herkömmliche Steuerschaltungen verwendet werden können, da sämtliche zur Beeinflussung des Schaltverhaltens des Halbleiterschaltelements des Sperrwandlers notwendigen Bauelemente in einer davon separaten Schaltung, der Signalerzeugungsschaltung integriert werden können. Das Zusammenschaltet zu einer Schaltungsanordnung kann dabei durch Aufbringen der Steuerschaltung, der Signalerzeugungsschaltung sowie gegebenenfalls weiterer notwendiger externer Bauelemente auf einer Leiterplatte erfolgen. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein Verzicht auf eine separate Hilfswicklung realisieren.In In a further development, the control circuit has an input, at which a reference voltage for adjusting the frequency of the sawtooth signal is applied, wherein the input to the output of the signal generating circuit is connected, on which the addition signal can be tapped. An overlay, i.e. an addition, the addition signal with the reference voltage for generating the (modified) sawtooth signal thus finds directly at the entrance of a conventional control circuit. Of the Advantage of this procedure is that conventional Control circuits can be used, since all to influence the Switching behavior of the semiconductor switching element of the flyback converter necessary components in a separate circuit, the Signal generating circuit can be integrated. The interconnects to a circuit arrangement can thereby by applying the control circuit, the signal generating circuit and possibly further necessary external components on a circuit board done. hereby let yourself in a particularly simple and cost-effective way a waiver realize a separate auxiliary winding.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Addier-Mittel mit einem Widerstand gekoppelt, der den Spannungshub des von dem Addier-Mittel erzeugten Additions-Signals bewirkt.In a development of the invention is the adding means with a Resistor coupled to the voltage swing of the of the adding means generated addition signal causes.
In einer anderen Weiterbildung ist der Ausgang der Signalerzeugungsschaltung mit einem Widerstand gekoppelt, um eine Addition des von der Signalerzeugungsschaltung erzeugten Additions-Signals und dem von der Steuerschaltung erzeugten Signal zu bewirken.In Another development is the output of the signal generation circuit coupled to a resistor to add the signal generated by the signal generating circuit generated addition signal and the generated by the control circuit Signal to effect.
In einer nächsten Weiterbildung ist das Addier-Mittel mit dem Detektions-Mittel über eine Serienschaltung mit einer Schottky-Diode und eines Widerstands miteinander gekoppelt. Der sich hieraus ergebende Vorteil besteht in der Beschleunigung des Abschaltvorganges des Addier-Mittels.In one next Training is the adding means with the detection means over a Series connection with a Schottky diode and a resistor together coupled. The resulting advantage is the acceleration the shutdown of the adding means.
Bevorzugt bewirkt das von der Steuerschaltung erzeugte Steuersignal ein Einschaltet des Halbleiterschaltelements des Sperrwandlers, wenn über dessen Laststrecke keine Spannung anliegt. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Halbleiterschaltelement verlustfrei schaltet, unabhängig von der gewählten Betriebsfrequenz des Sperrwandlers.Prefers causes the control signal generated by the control circuit turns on of the semiconductor switching element of the flyback converter, if over the Load line no voltage is applied. This ensures that the semiconductor switching element switches lossless, regardless of the chosen one Operating frequency of the flyback converter.
In einer Weiterbildung ist das Detektions-Mittel zum Detektieren der Spannung an der Laststrecke des Halbleiterschaltelements derart ausgebildet, dass dieses die Spannung auf eine abfallende Spannungsflanke hin überwacht. Hierdurch ist sichergestellt, dass ohne zeitliche Verzögerung ein Einschaltet des Halbleiterschaltelements erfolgen kann, wodurch die Verluste minimiert sind.In a development is the detection means for detecting the Voltage at the load path of the semiconductor switching element in such a way designed that this voltage on a falling voltage edge monitored. This ensures that without a delay Turns on the semiconductor switching element can be done, thereby the losses are minimized.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lässt sich in Verbindung mit sämtlichen Hochsetzsteller- und Sperrwandler-Topologien einsetzen. Insbesondere kann der Sperrwandler als Hochsetzsteller (Boost Converter), als Flyback-Converter mit angezapfter Drossel oder als Flyback-Converter mit auf Be triebsspannung aufgesetzter Sekundärwicklung ausgebildet sein.The inventive circuit arrangement let yourself in connection with all Use boost converter and flyback converter topologies. In particular, can the flyback converter as a boost converter (Boost Converter), as a flyback converter with tapped choke or flyback converter with operating voltage attached secondary winding be educated.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The Invention and its advantages will be described below with reference to FIGS described in more detail. It demonstrate:
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die Energieversorgung des Hochsetzstellers
Im
Rahmen der weiteren Beschreibung wird davon ausgegangen, dass von
der Steuerschaltung
Um
den Hochsetzsteller
Der
Aufbau und die Funktionsweise der Signalerzeugungsschaltung
Zwischen
einem Versorgungspotentialanschluss
Das
Addier-Mittel
Der
Knotenpunkt zwischen der Diode
Während der
als Differenzier-Glied wirkende Ladungsspeicher 38 zum Einschaltet
des Bipolar-Transistors
Eine
zwischen dem Ausgang des Addier-Mittels
Zum
sicheren Sperren des Transistors
Das
Verhalten der Signalerzeugungsschaltung
Während bis
zu diesem Zeitpunkt t3 ein statischer Spannungszustand an dem Ladungsspeicher
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
lässt sich
mit allen Sperrwandler- und Hochsetzsteller-Topologien kombinieren.
Die am häufigsten
eingesetzten Topologien sind in den
Claims (12)
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