-
Die
Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere einen Synchrongleichrichter
und ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung.
-
Bei
der Übertragung
bzw. Umsetzung elektrischer Energie wird vorzugsweise ein Transformator eingesetzt,
dessen sekundärseitiges
Wechselsignal (Wechselspannung) gleichgerichtet werden soll. Neben
den allgemein bekannten Gleichrichterdioden (z.B. Brückengleichrichterschaltung, "Graetzschaltung") werden auch steuerbare
Schalter eingesetzt, die z.B. die positiven Halbwellen der gleichzurichtenden
Wellenform durchlassen und die negativen Halbwellen entsprechend
sperren.
-
Aus
[1] ist ein selbst-synchronisierender Gleichrichter bekannt, dessen
Schaltperiode unmittelbar von dem Transformator abgegriffen wird.
-
In
[2] wird eine Induktivität
in der Drain-Leitung eines Mosfet-Gleichrichterschalters gezeigt. Diese
Induktivität
wird eingesetzt um zu verhindern, dass Strom durch für eine Zeitdauer
durch den Gleichrichter fließt,
die gerade lange genug ist, um einen Kondensator zu entladen.
-
In
[3] wird ein selbstschwingender Synchrongleichrichter beschrieben.
Hier werden sättigbare
Induktivitäten
zum Minimieren von Mehrfachimpulsen eingesetzt.
-
Bei
der Verwendung von elektrischen Schaltern, insbesondere Mosfet-Schaltern
zur Gleichrichtung hochfrequenter Wechselspannungen in getakteten
Stromversorgungen, besteht das Problem, dass das Schaltverhalten
dieses Mosfet-Schalters
in Abhängigkeit
von der Stromform äußerst zeitkritisch
ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, die
eine effiziente stromgesteuerte Synchrongleichrichtung ermöglicht und dabei
insbesondere einen wirksamen Ersatz zu einer Gleichrichterdiode
(Schottkydiode) in getakteten Stromversorgungen mit beliebiger Stromform
darstellt.
-
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 eine Schaltung, insbesondere als Teil eines Synchrongleichrichters angegeben,
die (nicht abschließend)
eine Transformationseinheit, eine Gleichrichterschaltereinheit, eine
Stromauswertungseinheit, eine Treiberstufe und eine Hilfsspannungserzeugungseinheit
aufweist. Dabei ist die Gleichrichterschaltereinheit mit der Transformationseinheit,
der Stromauswertungseinheit und der Treiberstufe verbunden. Weiterhin
ist die Stromauswertungseinheit mit der Treiberstufe und der Hilfsspannungserzeugungseinheit
verbunden. Ferner ist auch die Treiberstufe mit der Hilfsspannungserzeugungseinheit
verbunden.
-
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass die Gleichrichterschaltereinheit
mindestens ein Schaltelement, insbesondere ein elektronisches Schaltelement
bzw. einen elektronischen Schalter, z.B. einen Mosfet, einen Transistor
(z.B. Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor), einen Thyristor
oder einen IGBT aufweist.
-
Ferner
kann die Stromauswertungseinheit eine Induktivität, insbesondere eine sättigbare
Induktivität,
z.B. eine Ferritperle, aufweisen.
-
Eine
Weiterbildung ist es, dass die Induktivität der Stromauswertungseinheit
mit dem Source-Anschluss des Mosfets der Gleichrichterschaltereinheit verbunden
ist.
-
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass die Stromauswertungseinheit Mittel
zum Erkennen von Zeitpunkten des Stromflusses umfasst. Weiterhin kann
die Stromauswertungseinheit Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals
aufweisen.
-
Eine
andere Weiterbildung besteht darin, dass ein Ausgang vorgesehen
ist, der mit der Transformationseinheit, der Stromauswertungseinheit
und der Hilfsspannungserzeugungseinheit verbunden ist. Vorzugsweise
kann der Ausgang mindestens ein Bauteil zur Siebung, z.B. Kondensator,
Filter oder bei einem entsprechendem Wandlertyp Speicherdrossel,
Freilaufschalter (Diode), Kondensator und Filter aufweisen.
-
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass eine Steuersignalanpassungseinheit
vorgesehen ist, die mit der Gleichrichterschaltereinheit und der
Treiberstufe verbunden ist.
-
Weiterhin
kann eine Rückstromsteuerungseinheit
vorgesehen sein, die mit der Treiberstufe, der Transformationseinheit,
der Gleichrichterschaltereinheit, der Stromauswertungseinheit, der
Hilfsspannungserzeugungseinheit und dem Ausgang verbunden ist. Bevorzugt
ist mittels der Rückstromsteuerungseinheit
eine Auswertung der Stromrichtung in der Gleichrichterschaltereinheit
durchführbar.
So kann insbesondere im Falle eines Rückstroms ein Steuersignal zur
Abschaltung der Gleichrichterschaltereinheit erzeugt werden.
-
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass die Transformationseinheit mindestens
eine Wicklung eines Transformators, insbesondere eine Sekundärseite eines Transformators
aufweist. Weiterhin kann die Transformationseinheit ein Wandlertransformator (z.B.
Sperrwandler, Durchflusswandler, Resonanzwandler) sein. Vorzugsweise
weist die Transformationseinheit eine Primär- und eine Sekundärseite auf,
wobei beispielhaft die Signale der Primär- oder der Sekundärseite gleichgerichtet
werden können. Bevorzugt
wird die Sekundärseite
gleichgerichtet, um am Ausgang die stromgesteuerte synchrongleichgerichtete
Ausgangsspannung abgreifen zu können.
-
Im
Rahmen einer anderen Weiterbildung weist die Steuersignalanpassungseinheit
Mittel zum Optimieren eines Steuersignals zum Ein- und Ausschalten
der Gleichrichterschaltereinheit (für schnelle Schaltvorgänge) auf.
Bevorzugt weist die Steuersignalanpassungseinheit Mittel zum Schutz
insbesondere eines Steuereingangs der Gleichrichterschaltereinheit
auf.
-
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass die Treiberstufe Schaltelemente
zur Ansteuerung der Gleichrichterschaltereinheit aufweist. Bevorzugt
sind die Schaltelemente der Treiberstufe mindestens ein Bipolartransistor
und/oder mindestens ein Mosfet. Die Schaltelemente der Treiberstufe
werden insbesondere anhand einer Hilfsspannung aus der Hilfsspannungserzeugungseinheit
versorgt. In einer anderen Weiterbildung werten die Schaltelemente
der Treiberstufe Signale aus der Stromauswertungseinheit und der
Rückstromsteuerungseinheit
aus.
-
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass über die Hilfsspannungserzeugungseinheit
die Versorgung für
die Ansteuerung der Gleichrichterschaltereinheit, insbesondere den
elektronischen Schalter, bevorzugt einen Mosfet der Gleichrichterschaltereinheit,
gewährleistet
wird. Dazu kann die Hilfsspannungserzeugungseinheit beispielsweise
eine eigene Spannungsquelle/Stromversorgung aufweisen oder aber über eine
Hilfswicklung des Transformators der Transformationseinheit gespeist
werden. Alternativ können
auch sowohl die externe Versorgung als auch die Hilfswicklung des
Transformators vorgesehen sein.
-
Zur
Lösung
der Aufgabe wird außerdem
ein Verfahren zur Regelung und/oder Ansteuerung der Schaltung nach
einem der vorstehend erläuterten Ausführungsformen
(u.a. Weiterbildungen wie beschrieben) angegeben.
-
Ein
Vorteil der Schaltung besteht z.B. darin, dass äußerst schnelle Ansteuerungen
der Gleichrichterschaltereinheit, z.B. des Gates eines Mosfets, möglich sind.
Dabei erfolgt vorzugsweise die Ansteuerung über die Auswertung des gleichgerichteten Transformatorstromes.
So erfüllt/ersetzt
die Schaltung die Funktion einer sehr schnellen Gleichrichterdiode
mit geringer Flusspannung zur Minimierung der Verluste. Zwar kommen
Schottky-Dioden der idealen Gleichrichterdiode recht nahe (geringe
Flusspannung, schnelle Schaltzeiten zur Minimierung von Duchlass-
und Schaltverlusten), allerdings ist der Wirkungsgrad von Mosfet-Schaltern
(niedriger On-Widerstand insbesondere bei Mosfets bis 60 V Sperrspannung)
und schnellen Schaltvorgängen
aufgrund geringerer Verluste höher.
Vorteilhaft kann der höhere
Bauteilaufwand für
den Mosfet durch einen geringeren Aufwand bei der Kühlung kompensiert werden.
-
Insbesondere
soll die Schaltung während des
Betriebs einen starken Stromfluss über die interne Inversdiode
des Mosfets und hohe Rückströme beim
Abschalten durch eine sehr schnelle Gateansteuerung verhindern.
Dabei wird die Parallelschaltung einer schnellen Gleichrichterdiode
wegen des erhöhten
Aufwands vermieden. Auch ist es ein Vorteil, dass die Gleichrichterfunktion
auch bei externer Spannung, die an dem Ausgang anliegt, funktioniert, indem
die Gleichrichterschaltereinheit, insbesondere der Mosfet, in diesem
Fall abgeschaltet wird.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
Blockdiagramm einer Prinzipschaltung eines Synchrongleichrichters;
-
2 einen
Schaltplan für
die Prinzipschaltung nach 1;
-
3 ein
Blockdiagramm einer Synchrongleichrichterschaltung;
-
4 einen
Schaltplan der Synchrongleichrichterschaltung nach 3;
-
5 eine
alternative Ausführungsform
der Schaltung gemäß 4 ohne
die Rückstromsteuerungseinheit 106;
-
6 eine
alternative Ausführungsform
der Schaltung gemäß 4,
wobei die Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 nur über eine
externe Versorgungsspannung Uh verfügt;
-
7 bis 13 Signalformen
im Zusammenhang mit den vorstehenden Schaltungen zur Synchrongleichrichtung;
-
14 ein
Blockschaltbild eines Netzteils, insbesondere eines Schaltnetzteils
mit einem Synchrongleichrichter.
-
In 1 ist
als Blockdiagramm eine Prinzipschaltung eines Synchrongleichrichters
dargestellt. Das Blockschaltbild zeigt eine Transformationseinheit 101,
eine Gleichrichterschaltereinheit 102, eine Stromauswertungseinheit 104,
eine Treiberstufe 105, eine Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 und
(optional) einen Ausgang 108.
-
Die
Transformationseinheit 101 ist verbunden mit der Gleichrichterschaltereinheit 102 und
dem Ausgang 108. Die Gleichrichterschaltereinheit 102 ist weiterhin verbunden
mit der Treiberstufe 105 und der Stromauswertungseinheit 104.
die Stromauswertungseinheit 104 ist ferner verbunden mit
der Treiberstufe 105 und dem Ausgang 108. Schließlich ist
die Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 verbunden mit der
Treiberstufe 105, der Stromauswertungseinheit 104 und
dem Ausgang 108.
-
Diese
Prinzipschaltbild gem. 1 veranschaulicht insbesondere,
dass anhand einer Hilfsspannung von der Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 die
Treiberstufe 105 mit elektrischer Leistung versorgt und über die
Stromauswertungseinheit 104 so angesteuert wird, dass ein
elektrischer Schalter der Gleichrichterschaltereinheit 102,
z.B. ein Mosfet, schnell und verlustarm schaltet.
-
In 2 wird
ein Schaltplan der Prinzipschaltung (Blockschaltung) nach 1 gezeigt.
Die Transformationseinheit 101 umfasst vorzugsweise einen
Trafo T1 mit Wicklungen N1 120 und N2 130 und
einer Primärwicklung
und evtl. weiteren Hilfswicklungen. Die einzelnen Wicklungen sind
dabei magnetisch miteinander gekoppelt.
-
Die
Transformationseinheit T1 101 umfasst insbesondere eine
sekundärseitige
Transformatorwicklung 120 mit N1 Windungen. Die gezeigte
Transformatorwicklung 120 umfasst zwei Anschlüsse 121 und 122.
-
Die
Gleichrichterschaltereinheit 102 umfasst einen elektronischen
Schalter, hier einen n-Kanal Mosfet V1, dessen Drain mit dem Anschluss 121 der Transformatorwicklung 120 verbunden
ist.
-
Die
Stromauswertungseinheit 104 umfasst eine Spule L1 mit zwei
Anschlüssen 123 und 124,
die insbesondere als eine gesättigte
Induktivität
z.B. als Ferritperle ausgeführt
ist, einen npn-Transistor V4 und einen Widerstand R3. Der Anschluss 123 der Spule
L1 ist mit dem Source-Eingang des Mosfets V1 verbunden, der Widerstand
R3 liegt zwischen dem Anschluss 123 der Spule L1 und der
Basis des Transistors V4. Der Emitter des Transistors V4 ist mit
dem Anschluss 124 der Spule L1 verbunden.
-
Die
Treiberstufe 105 umfasst einen npn-Transistor V2, einen
pnp-Transistor V3 und einen Widerstand R4. Der Widerstand R4 liegt
zwischen der Basis des Transistors V2, die mit der Basis des Transistors
V3 verbunden ist, und dem Kollektor des Transistors V2. Die Basis
des Transistors V2 und des Transistors V3 ist weiterhin verbunden
mit dem Kollektor des Transistors V4. Ferner sind die Emitter der
Transistoren V2 und V3 miteinander und mit dem Gate des Mosfets
V1 verbunden. Der Kollektor des Transistors V3 ist mit dem Anschluss 124 der
Spule L1 (und damit auch mit dem Emitter des Transistors V4) verbunden.
-
Die
Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 umfasst einen Kondensator
C1 mit den Anschlüssen 125 und 126,
eine Hilfswicklung 130 (des Transformators T1, siehe Wicklung 120)
mit den Anschlüssen 127 und 128 und
eine Diode V11. Der Anschluss 126 des Kondensators Cl ist
mit dem Anschluss 127 der Hilfswicklung 130, der
Anschluss 125 des Kondensators Cl ist mit dem Kollektor
des Transistors V2 und der Anschluss 128 der Hilfswicklung 130 ist
mit dem Emitter des Transistors V4 (und damit mit dem Anschluss 124 der
Spule L1) verbunden. Die Diode V11 ist parallel zu der Serienschaltung
aus Kondensator C1 und Hilfswicklung 130 ausgeführt, wobei
die Kathode der Diode V11 mit dem Anschluss 125 des Kondensators
C1 und die Anode der Diode V11 mit dem Anschluss 128 der
Hilfswicklung 130 verbunden ist. Die erzeugte Hilfsspannung
Uh wird an dem Anschluss 125 bereitgestellt.
-
Der
Ausgang 108 stellt das gleichgerichtete Signal zwischen
einem positiven Anschluss 132 und einem negativen Anschluss 133 bereit,
wobei ein Kondensator C2 mit den Anschlüssen 129 und 131 zwischen
die Anschlüsse 132 und 133 des
Ausgangs 108 geschaltet ist. Vorzugsweise ist der Kondensator C2
ein Elektrolytkondensator, dessen positiver Anschluss 129 mit
dem positiven Anschluss 132 des Ausgangs 108 verbunden
ist. Der Anschluss 132 des Ausgangs 108 ist weiterhin
mit dem Anschluss 122 der Transformatorwicklung 120 verbunden.
Der Anschluss 133 des Ausgangs 108 ist zusätzlich verbunden
mit dem Anschluss 128 der Hilfswicklung 130 (und
damit auch mit der Anode der Diode V11, dem Emitter des Transistors
V4, dem Kollektor des Transistors V3 und dem Anschluss 124 der
Spule L1).
-
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG:
-
a. Einschalten des Mosfets
V1:
-
Ausgehend
von einer Polarität
der Spannung an der Wicklung 120, die an Anschluss 122 PLUS und
an Anschluss 121 MINUS ist, erfolgt ein durch die Spule
L1 im Anstieg begrenzter Stromfluss über die Wicklung 120,
den Ausgang 108, die Spule L1 und den Mosfet V1.
-
Durch
den Stromanstieg wird über
die Spule L1 an dem Anschluss 123 ein gegenüber Anschluss 124 negativer
Spannungsimpuls erzeugt, der über den
Widerstand R3 den Transistor V4 voll abschaltet (zuvor teilweise
invers angesteuert).
-
Die
Polarität
der Hilfswicklung N2 an Anschluss 127 ist synchron zu dem
Anschluss 122 der Wicklung 120, die Spannungsverdopplungsschaltung
mit dem Kondensator C1 und der Diode V11 liefert somit eine positive
Spannung Uh, die über
den Widerstand R4 den Transistor V2 der Treiberstufe ansteuert.
-
Da
der Transistor V4 bei Stromflussbeginn durch den negativen Spannungsimpuls über die
Spule L1 gesperrt wird, kann durch die taktsynchrone Hilfsspannung
Uh der Mosfets V1 über
die Treiberstufe 105 nahezu zeitgleich eingeschaltet werden.
-
b. Ausschalten:
-
Nach
dem Umschalten der primären
Trafospannung erfolgt ein abnehmender Stromfluss durch die Wicklung 120 und
somit den Mosfet V1 und die Spule L1. Der Stromabfall erzeugt bei
einem bestimmten Stromwert an der Spule L1 (Strom unterhalb einer
Sättigungsgrenze
der Induktivität)
einen positiven Spannungsimpuls an dem Anschluss 123 gegenüber dem
Anschluss 124. Diese positive Spannung schaltet über den
Widerstand R3 den Transistor V4 ein, der die Treiberstufe 105 und
somit das Gate des Mosfets V1 abschaltet.
-
Die
Spannung an der Wicklung 120 kann durch das Abschalten
des Mosfets V1 vollständig umschwingen,
die Spannung an der Hilfswicklung 130 ebenfalls.
-
Die
Spannung Uh ist in der Ausschaltphase des Mosfets V1 auf den negativen
Wert der Flussspannung der Diode V11 geklemmt (–0,6V), die Treiberstufe 105 bleibt
bis zum Umschwingen der Trafospannung abgeschaltet.
-
Die
Bezugszeichen aus den 1 und 2 werden
auch für
die nachfolgenden Figuren – soweit
relevant – beibehalten.
-
3 zeigt
ein Blockdiagramm einer Synchrongleichrichterschaltung, das gegenüber der
Prinzipschaltung aus 1 um eine Steuersignalanpassungseinheit 103 und
eine Rückstromsteuerungseinheit 106 erweitert
ist. Im Unterschied zu 1 sind in 3 die
Gleichrichterschaltereinheit 102 und die Treiberstufe 105 nicht
mehr direkt, sonder über
die Steuersignalanpassungseinheit 103 miteinander verbunden,
d.h. die Steuersignalanpassungseinheit 103 ist zwischen
der Gleichrichterschaltereinheit 102 und der Treiberstufe 105 angeordnet.
Die Rückstromsteuerungseinheit 106 ist
mit der Treiberstufe 105, der Hilfsspannungserzeugungseinheit 107,
der Stromauswertungseinheit 104, dem Ausgang 108 und
der Verbindung zwischen Transformationseinheit 101 und
Gleichrichterschaltereinheit 102 verbunden. Ansonsten entsprechen
die Komponenten sowie die Verbindungen denen der 1.
-
Die
Steuersignalanpassungseinheit 103 dient der Optimierung
eines Steuersignals zum Ein- und Ausschalten des Gleichrichterschalters,
insbesondere für
schnelle Schaltvorgänge
und zum Schutz des Steuereingangs des Gleichrichterschalters.
-
Die
Rückstromsteuerungseinheit 106 dient einer
Auswertung der Stromrichtung im Gleichrichterschalter und zur Erzeugung
eines Steuersignals zum Abschalten des Gleichrichterschalters bei
Rückstrom (über den
Ausgang in den Synchrongleichrichter).
-
4 zeigt
einen Schaltplan der Synchrongleichrichterschaltung nach 3.
-
Die
Transformationseinheit 101 umfasst wieder die Transformatorwicklung 120,
als eine sekundärseitige
Wicklung mit N1 Windungen. Die gezeigte Transformatorwicklung 120 umfasst
die beiden Anschlüsse 121 und 122.
-
Die
Gleichrichterschaltereinheit 102 umfasst neben dem n-Kanal
Mosfet V1 einen Kondensator C3 mit den Anschlüssen 134 und 135 und
einen Widerstand R10 mit den Anschlüssen 136 und 137.
Der Kondensator C3 und der Widerstand R10 sind in Reihe geschaltet,
wobei die Anschlüsse 135 und 136 miteinander
verbunden sind. Der Anschluss 134 des Kondensators C3 ist
mit dem Drain des Mosfets V1 und mit dem Anschluss 121 des
Transformators verbunden.
-
Die
Steuersignalanpassungseinheit 103 umfasst einen Widerstand
R1 mit den Anschlüssen 138 und 139,
eine Zener-Diode V6 und eine Diode V12. Die beiden Dioden V6 und
V12 sind miteinander in Reihe geschaltet, wobei beide Dioden V6
und V12 über
ihre Kathoden miteinander verbunden sind. Die Anode der Zener-Diode V6 ist mit
dem Anschluss 138 des Widerstands R1 und mit dem Gate des Mosfets
V1 verbunden. Die Anode der Diode V12 ist mit dem Source des Mosfets
V1 und mit dem Anschluss 137 des Widerstands R10 verbunden.
-
Die
Stromauswertungseinheit 104 umfasst die Spule L1 (sättigbare
Induktivität,
Ferritperle) mit den Anschlüssen 123 und 124,
den Widerstand R3, den npn-Transistor
V4, eine Diode V14 und eine Schottky-Diode V7. Der Anschluss 123 der
Spule L1 ist mit dem Source-Eingang des Mosfets V1 (und damit mit
der Anode der Diode V12 und dem Anschluss 137 des Widerstands
R10) verbunden. Der Widerstand R3 liegt zwischen dem Anschluss 123 der
Spule L1 und der Kathode der Diode V14, die [Kathode der Diode V14)
wiederum mit der Basis des Transistors V4 und der Anode der Schottky-Diode
V7 verbunden ist. Der Anschluss 124 der Spule L1 ist mit dem
Emitter des Transistors V4 und der Anode der Diode V14 verbunden.
-
Die
Treiberstufe 105 umfasst neben dem npn-Transistor V2, dem
pnp-Transistor V3 und dem Widerstand R4 (mit Anschlüssen 141 und 142)
noch eine Schottky-Diode
V8, eine Zener-Diode V13 und einen Widerstand R9 mit den Anschlüssen 143 und 144.
Die beiden Transistoren V2 und V3 sind über ihre Emitter mit dem Anschluss 139 des
Widerstands R1 verbunden. Der Kollektor des Transistors V3 ist mit
dem Anschluss 124 der Spule L1 verbunden. Der Widerstand
R9 ist über
seinen Anschluss 144 mit dem Kollektor des Transistors
V2 verbunden, sein Anschluss 143 steht in Verbindung mit
dem Anschluss 141 des Widerstands R4. Der verbleibende Anschluss 142 des
Widerstands R4 ist mit der Basis des Transistors V2, die wiederum
mit der Basis des Transistors V3 verbunden ist, verbunden. Dieser Punkt
der Schaltung (Anschluss 142) ist u.a. weiterhin verbunden
mit dem Kollektor des Transistors V4, der Kathode der Schottky-Diode V7, der Kathode
der Schottky-Diode V8 und der Kathode der Zener-Diode V13. Die Anoden
der beiden Dioden V8 und V13 sind miteinander und mit dem Anschluss 124 der
Spule L1 verbunden.
-
Die
Rückstromsteuerungseinheit 106 umfasst
einen npn-Transistor V9, Widerstände
R5 (mit den Anschlüssen 149 und 151),
R6 (mit den Anschlüssen 147 und 148),
R2 (mit den Anschlüssen 145 und 146)
und R11, eine Zener-Diode V5 und eine Diode V10. Der Anschluss 145 des
Widerstands R2 ist mit dem Anschluss 134 des Kondensators
C3 (und damit mit dem Drain des Mosfets V1 und dem Anschluss 121 des
Transformators 120) verbunden. Der verbleibende Anschluss 146 des
Widerstands R2 ist mit der Kathode der Diode V10 verbunden, die
Anode der Diode V10 ist mit der Basis des Transistors V9 verbunden.
Der Widerstand R11 liegt parallel zur Diode V10. Der Kollektor des
Transistors V9 ist mit dem Anschluss 142 (siehe oben) und
der Emitter des Transistors V9 ist (u.a.) mit dem Anschluss 124 der Spule
L1 verbunden. Der Anschluss 147 des Widerstands R6 ist
mit der Basis des Transistors V9, der Anschluss 148 des
Widerstands R6 mit der Kathode der Zener-Diode V5 und dem Anschluss 149 des
Widerstands R5 verbunden. Die Anode der Zener-Diode V5 liegt an
dem Anschluss 124 der Spule L1, der Anschluss 151 des
Widerstands R5 ist mit dem Anschluss 143 des Widerstands
R9 und mit dem Anschluss 141 des Widerstands R4 verbunden.
-
Die
Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 umfasst den Kondensator
C1 mit den Anschlüssen 125 und 126,
die Hilfswicklung 130 (des Transformators T1) mit den Anschlüssen 127 und 128 und
die Diode V11. Zusätzlich
ist in der Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 aus 4 ein
Widerstand R7 vorgesehen. Zwischen dem Anschluss 126 des
Kondensators und dem Anschluss 127 der Hilfswicklung 130 ist
der Widerstand R7 angeordnet. Der Anschluss 125 des Kondensators
ist mit dem Anschluss 141 des Widerstands R4 (und damit
auch mit dem Anschluss 143 des Widerstands R9 und dem Anschluss 151 des Widerstands
R5) verbunden. Der Anschluss 128 der Hilfswicklung 130 ist
mit dem Emitter des Transistors V4 (und u.a. mit dem Anschluss 124 der
Spule L1) verbunden. Die Diode V11 ist parallel zu der Serienschaltung
aus Kondensator C1, Widerstand R7 und Hilfswicklung 130 ausgeführt, wobei
die Kathode der Diode V11 mit dem Anschluss 125 des Kondensators C1
und die Anode der Diode V11 mit dem Anschluss 128 der Hilfswicklung 130 verbunden
ist. Darüber
hinaus wird die erzeugte Spannung als Hilfsspannung Uh am Anschluss 125 des
Kondensators C1 bereitgestellt.
-
Der
Ausgang 108 stellt das gleichgerichtete Signal zwischen
einem positiven Anschluss 132 und einem negativen Anschluss 133 bereit,
wobei der Kondensator C2 mit den Anschlüssen 129 und 131 zwischen
die Anschlüsse 132 und 133 des
Ausgangs 108 geschaltet ist. Vorzugsweise ist der Kondensator C2
ein Elektrolytkondensator, dessen positiver Anschluss 129 mit
dem positiven Anschluss 132 des Ausgangs 108 verbunden
ist. Der Anschluss 132 des Ausgangs 108 ist weiterhin
mit dem Anschluss 122 des Transformators 120 verbunden.
Der Anschluss 133 des Ausgangs 108 ist weiterhin
verbunden mit dem Anschluss 128 der Hilfswicklung 130 (und
damit u.a. auch mit der Anode der Diode V11, dem Emitter des Transistors
V4, dem Kollektor des Transistors V3 und dem Anschluss 124 der
Spule L1).
-
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG:
-
a. Einschalten des Mosfets
V1:
-
Nach
dem Umschwingen der Transformatorspannung erzeugt der beginnende
Stromfluss über den
Mosfet V1 einen Spannungsimpuls an der Spule L1.
-
Die
Steuertransistoren V4 und V9 für
die Gegentaktendsufe V2 und V3 werden durch den negativen Impuls
zügig abgeschaltet,
der Widerstand R4 steuert den Transistor V2 an, die erzeugte Gatespannung
schaltet den Mosfet V1 ein.
-
Eine
entsprechende Dimensionierung der Spule L1 und der Bauelemente zur
Ansteuerung des Mosfets V1 verhindern einen stärkeren Stromanstieg vor dem
Einschalten des Mosfets V1. Damit bleibt der Stromfluss über die interne
Inversdiode des Mosfets V1 gering. Bei Stromanstieg durch Erreichen
der Sättigungsschwelle
der Spule L1 ist der Mosfet V1 durch die schnelle Gatespannungserzeugung
bereits eingeschaltet.
-
Der
Transistor V9 übernimmt
nach dem Einschalten des Mosfets V1 eine vom Stromfluss durch den
Mosfet V1 abhängige
Gatespannungsregelung. In Abhängigkeit
von dem Spannungsteiler aus den Widerständen R6 und R2 (Verhältnis R6
zu R2), der Spannung an der Z-Diode V5 und dem vom Strom erzeugten
Spannungsabfall über
den Mosfet V1 wird die Gatespannung gesteuert. Ein möglicher
Rückstrom über den
Mosfet V1 wird verhindert. Die Diode V10 und die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors V9 bewirken eine Temperaturkompensation.
-
b. Ausschalten des Mosfets
V1:
-
Beim
Umschwingen der Transformatorspannung bewirkt der abfallende Strom
durch den Mosfet V1 einen Spannungsimpuls an der Spule L1 (Ferritperle).
Der Zeitpunkt des Impulses ist von der Stromstärke abhängig, bei der die Spule L1
aus der Sättigung
kommt. Die Auswertung der erhöhten
Spannung an der Spule L1 erfolgt durch den Transistor V4: Dieser
wird über
den Widerstand R3 eingeschaltet, was über den Transistor V3 zur Abschaltung
der Gatespannung des Mosfets V1 führt. Der Spannungsimpuls über die
Spule L1 bewirkt bei eingeschaltetem Transistor V3 auch eine negative
Spannung an Gate-Source des Mosfets V1 zur schnelleren Gateabschaltung
des Mosfets V1. Die negative Gatespannung des Mosfets V1 wird durch
die Zener-Diode V6 und die Diode V12 begrenzt.
-
Nach
dem Ausschalten des Mosfets V1 schwingt die Transformatorspannung
vollständig
um, die Diode V10 sperrt, Transistor V9 wird über den Widerstand R6 und den
Widerstand R11 eingeschaltet und schaltet während der Sperrphase des Mosfets V1 über die
Endstufe aus den Transistoren V2 und V3 die Gatespannung ab.
-
Die
Dimensionierung der Spule L1 und der an die Mosfeteigenschaften
angepassten Bauelemente führt
zu einem sehr schnellen, vom Mosfetstrom bestimmten, zeitgenauen
Abschalten. Die Schaltverluste werden minimiert, ein zu frühes Abschalten
und der damit verbundene Stromfluss über die interne Inversdiode
des Mosfets werden reduziert.
-
c. Hilfsversorgung:
-
Die
Hilfsspannung Uh kann eine an die Gatespannung des Mosfets V1 angepasste
Gleichspannung oder eine synchron zum Einschalten des Mosfets V1
aus dem Transformator T1 erzeugte Rechteckspannung sein. Dadurch
ergeben sich verschiedene Schaltungsvarianten für die Steuerschaltung, die
je nach Spezifikation (Kurzschlussverhalten, Rückspeisungsfestigkeit, Transformatoraufbau)
angepasst werden können.
-
5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
zu der Schaltung gemäß 4 ohne
die Rückstromsteuerungseinheit 106.
Insoweit würde
kein Steuersignal zur Abschaltung des Mosfets V1 im Falle eines
Rückstroms
erzeugt. Das beschriebene Prinzip des schnellen und effektiven Schaltverhaltens des
Mosfets V1 bleibt aber erhalten.
-
6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Schaltung gemäß 4,
wobei die Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 nur über eine
externe Versorgungsspannung Uh und keine Hilfswicklung (siehe 130 in 4)
verfügt.
Wie beschrieben ist die Hilfswicklung 130 optional, die
Hilfsspannungserzeugungseinheit 107 verfügt vorzugsweise
lediglich über
Mittel zur Bereitstellung der notwendigen Versorgung für die Ansteuerung
des Gleichrichterschalters.
-
7 zeigt
als Signalverläufe:
-
- 710
- Spannung
an der Spule L1;
- 720
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 730
- Spannung
zwischen Gate und Source des Mosfets V1;
- 740
- primäre Transformatorspannung.
-
Der
Spannungsverlauf 710 an der Spule L1 zeigt, dass die Induktivität den Vorzeichenwechsel
im Spannungsverlauf des primären
Transformatorsignals 740 indirekt über den sekundären Stromfluss
detektiert, d.h. bei Umschaltung der Transformatorspannung 740 von
positiv auf negativ erzeugt die Spule L1 jeweils einen negativen
Spannungsimpuls 711, 713, im umgekehrten Fall
einen positiven Spannungsimpuls 712, 714. Die
bei jeder Taktflanke durch die Änderung
des sekundären
Transformatorstroms an L1 erzeugten Spannungsimpulse werden zum Steuern
des (Synchron-)Mosfets V1 verwendet. Das Tastverhältnis der
primären
Transformatorspannung bestimmt den Wert der Ausgangsspannung (bei
einem gegebenen Übersetzungsverhältnis zwischen Primärwicklung
und Sekundärwicklung).
Dabei ist vorzugsweise der vorstehend beschriebene Transformator
T1 mit Wicklung 120 gemäß den 2 bis 6 auf
die Sekundärwicklung
bezogen.
-
8 zeigt
als Signalverläufe:
-
- 810
- Spannung
an der Spule L1;
- 820
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 830
- Spannung
zwischen Gate und Source des Mosfets V1;
- 840
- Strom
am Drain-Anschluss des Mosfets V1.
-
Der
Spannungsverläufe 810, 820 und 830 entsprechen
den Verläufen 710, 720 und 730 aus 7.
Zusätzlich
zu 7 findet sich in 8 eine Darstellung
des sekundären
Transformatorstroms, der dem Strom 840 am Drain-Anschluss
des Mosfets V1 entspricht. Die Messung des Drainstroms 840 erfolgte
mit einem Stromwandler, d.h. die Null-Linie entspricht dem horizontalen
Kurvenabschnitt. Spannungen an der Spule L1 werden insbesondere
durch die Stromänderungen
des Sourcestroms des Mosfets V1 (entspricht weitgehend dem Drainstrom)
verursacht. Spannungen an der Spule L1 entstehen nur bei Stromänderungen
im Bereich kleiner Stromwerte, bei höheren Strömen verursacht die Stromänderung
dI/dt durch die Sättigung
der Spule L1 (nahezu) keine induzierte Spannung an der Spule L1.
-
9 zeigt
folgende Signalverläufe
während des
Einschaltens des Mosfets V1:
-
- 910
- Spannung
an der Spule L1;
- 920
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 930
- Spannung
zwischen Gate und Source des Mosfets V1;
- 940
- Strom
am Drain-Anschluss des Mosfets V1.
-
Bei
Beginn des Stromflusses des sekundären Transformatorstroms (entspricht
in etwa dem Drainstrom 940 des Mosfets V1) wird durch die
bei geringen Strömen
wirkende Induktivität
der Spule L1 eine Spannung an der Spule L1 erzeugt (siehe Signal 910).
Diese Spannung an der Spule L1 wird zur Ansteuerung der Transistoren
V4 und V9 – sofern
vorhanden – verwendet.
Die Signalverläufe 920 und 930 zeigen
das Durchschalten des Mosfets V1.
-
10 ist
eine Detaildarstellung der folgenden Signalverläufe während des Einschaltens des Mosfets
V1:
-
- 1010
- Spannung
an der Spule L1 (aus Sicht des Emitters des Transistors V4);
- 1020
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 1030
- Spannung
zwischen Basis und Emitter des Transistors V9;
- 1040
- Spannung
zwischen Basis und Emitter des Transistors V4.
-
Die
Messungen zu 10 erfolgten mit dem Emitter
des Transistors V4 als Bezugsmasse, somit ist die Spannung an der
Spule L1 gegenüber
den anderen Darstellungen invertiert. Zu Beginn des sekundären Stromflusses
wird durch die Spannung der Spule L1 die Basis-Emitter-Spannung
der Transistoren V4 und V9 so gesteuert, dass ein nahezu sofortiges
Abschalten der Transistoren bewirkt wird. Dieses Abschalten bewirkt
ein nahezu unverzügliches
Ansteigen der Gatespannung des Mosfets V1 durch das Einschalten
des Transistors V2. Der Gatespannungsanstieg ist durch die (interne)
Kapazität
des Mosfets V1 und den möglichen
Stromfluss aus der Hilfsspannung Uh mit den wirkenden Reihenwiderständen begrenzt.
-
11 zeigt
folgende Signalverläufe
während
des Ausschaltens des Mosfets V1:
-
- 1110
- Spannung
an der Spule L1;
- 1120
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 1130
- Spannung
zwischen Gate und Source des Mosfets V1;
- 1140
- Strom
am Drain-Anschluss des Mosfets V1.
-
Beim
Abschalten des Mosfets V1 (Umschwingen der Transformatorspannung)
bewirkt der abfallende Sekundärstrom
(entspricht in etwa dem Drainstrom durch den Mosfet V1) eine induzierte Spannung
an der Spule L1 (siehe Signalverlauf 1110). Dieser Spannungsimpuls
wird zum nahezu zeitgleichen Einschalten des Transistors V4 verwendet,
die Gatespannung des Mosfets V1 wird über den eingeschalteten Transistor
V3 kurzgeschlossen. Die negative Spannung an der Spule L1 wird in
etwa gleichzeitig zwischen Gate und Source des Mosfets V1 wirksam,
was eine beschleunigte Abschaltung des Mosfets V1 ermöglicht (Entladung
der internen Gatekapazität über den
internen Gatewiderstand). Ein Ziel der schnellen Abschaltung des
Mosfets V1 ist ein geringer Drain-Rückstrom 1141 durch
den Mosfet V1 zur Minimierung der Verluste und EMV-Störungen.
Eine geeignete Anpassung der Bauteile Spule L1, Transistor V3, Widerstand
R1 sowie Zener-Diode V6 und Diode V12 (Begrenzung der negativen
Gatespannung) ermöglicht
eine Minimierung und/oder Reduzierung des Rückstroms durch den Mosfet V1. Die
Auswertung des Stromwertes durch die Spule L1 (sättigbare Induktivität) verhindert
gleichzeitig eine vorzeitige Abschaltung der Gatespannung des Mosfets
V1, was zu einem Stromfluss über
die interne Inversdiode des Mosfets V1 führen würde (interne Diode mit schlechtem
(= verlustbehaftetem) Sperrverhalten).
-
12 ist
eine Detaildarstellung der folgenden Signalverläufe während des Ausschaltens des Mosfets
V1:
-
- 1210
- Spannung
an der Spule L1 (aus Sicht des Emitters des Transistors V4);
- 1220
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 1230
- Spannung
zwischen Kollektor und Emitter des Transistors V4;
- 1240
- Spannung
zwischen Basis und Emitter des Transistors V4.
-
Die
Messungen zu 12 erfolgten mit Emitter des
Transistors V4 als Bezugsmasse, somit ist die Spannung an der Spule
L1 gegenüber
den anderen Darstellungen (mit Ausnahme von 10) invertiert.
Die Ansteuerung der Basis des Transistors V4 über den Widerstand R3 mittels
des Spannungssignals an der Spule L1 bewirkt die Gateabschaltung des
Mosfets V1.
-
13 zeigt
folgende Signalverläufe
während
einer Gatesteuerung des Mosfets V1 bei Fremdspeisung:
-
- 1310
- Spannung
an der Spule L1;
- 1320
- Spannung
zwischen Drain und Source des Mosfets V1;
- 1330
- Spannung
zwischen Gate und Source des Mosfets V1;
-
Im
Falle einer Fremdspeisung des Ausgangs 108 mit einer höheren Spannung
als der internen Transformatorspannung wird die Gatespannung für den Mosfet
V1 abgeschaltet. Die Steuerung dafür erfolgt über den Transistor V9, dessen
Basisspannungsteiler über
die Widerstände
R6/R2 eine vom Spannungsabfall zum Drain-Anschluss des Mosfets V1
abhängige
Bais-Emitter-Spannung erzeugt. Die Diode V10 dient zur temperaturabhängigen Kompensation
der Basis-Emitter-Schwellspannung
des Transistors V9 sowie zur Abkopplung der Sperrspannung des Mosfets
V1 bei ausgeschaltetem Zustand.
-
In 14 ist
ein Blockschaltbild eines Netzteils, insbesondere eines Schaltnetzteils
gezeigt, das einen Synchrongleichrichter 1460 z.B. gemäß der vorstehend
beschriebenen Schaltung, aufweist.
-
Die
in 14 gezeigten Blöcke sind funktional miteinander
jeweils mittels einer Linie verbunden. Dabei können die jeweiligen Blöcke einzeln
oder in Kombination auch als Mehrpole ausgeführt sein, d.h. mehrere Verbindungen
parallel zu der jeweils in 14 gezeigten
Verbindung aufweisen.
-
Ein
Netz 1410 ist mit einem Gleichrichter 1420, der
vorzugsweise ein Filter aufweist, verbunden. Der Gleichrichter 1420 kann
bei einem DC-Netz entfallen. Das optionale Filter 1420 hat
ein Bezugspotential 1490, vorzugsweise das Erde-Potential. Das Signal
wird nach dem Gleichrichter 1420 einer Power-Faktor-Korrektur-Einheit 1430 (PFC
= Power Factor Correction) und anschließend einer Primärsteuerung 1440 zugeführt. Die
Power-Faktor-Korrektur-Einheit 1430 ist optional. Die Primärsteuerung 1440 steuert
einen Übertrager 1450,
der bspw. als ein Transformator ausgeführt sein kann, an. Hierbei
ist insbesondere die in den vorstehenden Figuren gezeigte und erläuterte Transformationseinheit 101 Teil
des Übertragers 1450.
Zweckmäßig sind die
Transformatorwicklungen T1 N1 und T1 N2 auf der Sekundärseite des Übertragers 1450 angeordnet.
Ein Block "Synchrongleichrichtung" 1460, der
mit dem Übertrager 1450 verbunden
ist, zeigt beispielhaft eine Einsatzmöglichkeit der vorstehend erläuterten
Schaltungsanordnung. Weiterhin ist in 14 ein Ausgang 1470 mit
der Synchrongleichrichtung 1460 verbunden.
-
Ferner
gibt es eine Signalrückkopplung
von dem Ausgang 1470 zu der Primärsteuerung 1440 über eine
Regelung 1480. Hierbei kann eine bspw. einstellbare Ausgangsspannung
des Schaltnetzteils, z.B. jeweils in mindestens einem der Bereiche 12V–15V, 24V–28V oder
48V–56V,
konstant gehalten werden, indem z.B. ein Spannungsvergleich (Soll-Ist) durchgeführt und
die Differenz dieses Spannungsvergleichs dazu benutzt wird, um das
Tastverhältnis des
Wandlers zu regeln.
-
Insbesondere
der Ausgang 1470 (optional auch andere Komponenten des
Netzteils) kann weiterhin Mittel aufweisen, die Warnzustände bestimmen
und anzeigen, z.B. einen Ausfall des Netzteils (ganz oder teilweise)
oder ein Warnsignal für
ein Überschreiten
der zulässigen
Betriebstemperatur.
-
Literaturverzeichnis:
-