DE102006033348A1 - Input direct current voltage converting method for e.g. TV set, involves deriving switch signal from oscillator signal of frequency variable oscillator for controlling secondary-sided controllable switches at common duty cycles - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mittels eines Resonanzwandlers mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen und einen Resonanzwandler, der nach dem Verfahren arbeitet.The The invention relates to a method for converting a DC input voltage in a DC output voltage by means of a resonant converter with the features specified in the preamble of claim 1 and a Resonance converter, which works after the procedure.
Bei Resonanzwandlern handelt es sich um DC/DC-Wandler, welche vorzugsweise eine hohe Eingangsgleichspannung, wie z.B. von 300 V, in eine oder mehrere vergleichsweise kleine Ausgangsgleichspannungen, wie z.B. von 20 V, umwandeln. Derartige Resonanzwandler dienen insbesondere zur Stromversorgung von elektronischen Geräten, wie z.B. von Fernsehgeräten. Insbesondere werden Resonanzwandler zur Umwandlung einer gleichgerichteten Netzspannung, wie z.B. von 230 V oder von 110 V, eingesetzt.at Resonant transducers are DC / DC converters, which are preferably a high input DC voltage, such as of 300 V, in one or a plurality of comparatively small output DC voltages, e.g. of 20 V, convert. Such resonant converters are used in particular for Power supply of electronic devices, e.g. of televisions. Especially become resonant converters for converting a rectified mains voltage, such as. of 230 V or 110 V, used.
Zur Energieübertragung wird üblicherweise ein Transformator verwendet, welcher zugleich eine galvanische Trennung zwischen der Eingangs- und Ausgangsgleichspannung ermöglicht.to power transmission usually becomes one Transformer used, which at the same time a galvanic isolation between the input and output DC voltage allows.
Bei Resonanzwandlern sorgt ein Resonanzkreis dafür, dass steuerbare Schalter, wie z.B. Transistoren, im Wesentlichen im Strom- oder Spannungsnullgang ein- bzw. ausgeschaltet werden. Dadurch werden Schaltverluste in den Transistoren sowie Funkstörungen reduziert. Der Resonanzkreis besteht typischerweise aus einer Reihen- oder Pa rallelschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität. Er kann auch mehrere Induktivitäten und Kapazitäten aufweisen. Ferner kann der Resonanzkreis primär- oder sekundärseitig betrieben werden. Üblicherweise ist eine Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators Teil des Resonanzkreises.at Resonant converters, a resonant circuit ensures that controllable switches, such as. Transistors, essentially in current or voltage zero be switched on or off. This will cause switching losses in the transistors and radio interference reduced. The resonant circuit typically consists of a series or Pa rallelschaltung of an inductance and a capacitance. He can also several inductors and have capacities. Furthermore, the resonant circuit primary or secondary side operate. Usually is a primary or secondary winding of the transformer part of the resonant circuit.
In der Regel werden zur Regelung der Ausgangsgleichspannung Resonanzwandler mit festem Tastverhältnis und variabler Schaltfrequenz angesteuert, wobei die Pulslänge zumindest im Wesentlichen der halben Schwingungsdauer des Resonanzkreises entspricht. Dadurch kann auf einfache Weise ein Einschalten bzw. ein Ausschalten der steuerbaren Schalter im Schwingungsnulldurchgang erfolgen.In As a rule, to regulate the output DC voltage resonant converter with fixed duty cycle and variable switching frequency, the pulse length at least essentially half the oscillation period of the resonant circuit equivalent. This can be easily switched on or switching off the controllable switches in the zero oscillation respectively.
Zur
Ansteuerung der primärseitigen
steuerbaren Schalter sind sogenannte Resonanzcontroller als integrierte
elektronische Bauelemente erhältlich. Für den Fall,
dass die Gleichrichtung auf der Sekundärseite mittels steuerbarer
Schalter erfolgt, ist ein weiterer Controller oder Treiberbaustein
erforderlich, welcher entsprechende Ansteuersignale bereitstellt. Solche
Controller sind aufwendig und umfassen neben Zeitgliedern, einem
Transformator zur Potentialtrennung auch Treiber bzw. Inverter.
Ein derartiger weiterer Controller bzw. eine derartige Treiberschaltung
ist z.B. aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie einen Resonanzwandler anzugeben, bei welchen der schaltungstechnische Aufwand geringer ist.It Object of the invention, a method and a resonant converter indicate, in which the circuit complexity less is.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensschritte sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 genannt. Im Anspruch 6 ist ein nach dem Verfahren arbeitender Resonanzwandler und vorteilhafte Schaltungsvarianten in den abhängigen Ansprüchen 7 bis 16 angegeben.The The object is achieved by a method having the features of the patent claim 1 solved. Advantageous method steps are described in the dependent claims 2 to 5 called. In claim 6 is a working according to the method Resonant converter and advantageous circuit variants in the dependent claims 7 to 16 indicated.
Erfindungsgemäß wird ein Sperrsignal aus einem Oszillatorsignal des Oszillators zur Ansteuerung des zumindest einen sekundärseitigen steuerbaren Schalters abgeleitet.According to the invention is a Blocking signal from an oscillator signal of the oscillator for driving of the at least one secondary side derived controllable switch.
Dadurch reduziert sich der schaltungstechnische Aufwand erheblich. Ein weiterer Controller oder Treiberbaustein kann vorteilhaft entfallen.Thereby The circuit complexity is reduced considerably. Another Controller or driver module can be advantageously eliminated.
Typischerweise ist am Oszillator ein Oszillatorsignalausgang vorhanden, welcher zur Einstellung einer vorgebbaren minimalen Schaltfrequenz, wie z.B. von 100 kHz, dient. Im Rahmen der Regelung kann diese beispielhafte Schaltfrequenz von 100 kHz sich um ein Vielfaches erhöhen, wie z.B. auf 400 kHz. Zur Einstellung der Schaltfrequenz wird hierzu der Oszillatorsignalausgang mittels eines oder mehrerer passiver Bauelemente, wie z.B. mittels eines Kondensators, extern beschaltet. Üblicherweise – aber nicht notwendigerweise – ist ein solcher Oszillator bereits in einem Resonanzcontroller integriert. Der Oszillator kann auch als separater Baustein signaltechnisch mit dem Controller verbunden sein.typically, is the oscillator an oscillator signal output available, which for setting a predeterminable minimum switching frequency, e.g. of 100 kHz, serves. Under the scheme, this exemplary Switching frequency of 100 kHz increase many times as e.g. at 400 kHz. To set the switching frequency is this the oscillator signal output by means of one or more passive Components such as e.g. by means of a capacitor, connected externally. Usually - but not necessarily - is such an oscillator already integrated in a resonance controller. The oscillator can also be signal technology as a separate component be connected to the controller.
Das besondere an der Erfindung ist, dass ein sowieso vorhandenes Oszillatorsignal verwendet wird, welches bereits die wesentlichen zeitlichen Informationen zur Ableitung des Sperrsignals beinhaltet. Die wesentlichen zeitlichen Informationen sind die Oszillatorfrequenz sowie die Oszillatorphase. Dadurch ist eindeutig der zeitliche Bezug für die anzusteuernden sekundärseitigen Schalter gegeben.The special about the invention is that an existing anyway oscillator signal which already uses the essential temporal information for deriving the blocking signal includes. The essential temporal Information is the oscillator frequency as well as the oscillator phase. As a result, the time reference for the secondary side to be controlled is clearly defined Given a switch.
Weist das Oszillatorsignal eine Rechteckform auf, so kann dieses als direktes Sperrsignal zur Ansteuerung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter herangezogen werden.has the oscillator signal on a rectangular shape, so this can be as direct Blocking signal for controlling the secondary-side controllable switch be used.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Oszillatorsignal einem Schwellwertkomparator zugeführt. Weist das Oszillatorsignal eine dreieckförmige oder sinusförmige Signalform auf, so ist bei geeigneter Festlegung von Schalt schwellen ein rechteckförmiges Komparatorsignal als Sperrsignal ableitbar.According to one embodiment the oscillator signal is fed to a threshold comparator. has the oscillator signal is a triangular or sinusoidal waveform on, with a suitable determination of switching thresholds is a rectangular comparator signal derivable as a blocking signal.
Alternativ oder zusätzlich wird gemäß einer weiteren Ausführungsform das Oszillatorsignal bzw. das Komparatorsignal einer galvanischen Trenneinheit zugeführt.Alternatively or additionally, according to a Another embodiment, the oscillator signal or the comparator signal supplied to a galvanic separation unit.
Dadurch wird vorteilhaft eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Oszillatorsignal bzw. Komparatorsignal und dem sekundärseitigen Sperrsignal erreicht. Eine galvanische Trennung des Oszillatorsignals bzw. des Komparatorsignals ist notwendig, wenn eine galvanische Trennung von Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung gewünscht wird.Thereby Advantageously, a galvanic isolation between the primary side Oscillator signal or comparator signal and the secondary side Blocking signal reached. A galvanic isolation of the oscillator signal or the comparator signal is necessary if a galvanic Separation of DC input voltage and DC output voltage is desired.
Im Besonderen ist das Sperrsignal zumindest im Wesentlichen phasengleich zum Oszillatorsignal.in the In particular, the blocking signal is at least substantially in phase to the oscillator signal.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Ansteuerung der sekundären steuerbaren Schalter mit einem konstanten Tastverhältnis. Das Tastverhältnis kann z.B. 70:30 betragen, wobei die Sperrzeit für die sekundären steuerbaren Schalter kleiner ist als die verbleibende Freigabezeit.According to one another embodiment the method is the control of the secondary controllable Switch with a constant duty cycle. The duty cycle can e.g. 70:30, with the blocking time for the secondary controllable switch is less than the remaining release time.
Dadurch kann die Ansteuerung der sekundären steuerbaren Schalter so erfolgen, dass ein erster Teil der sekundärseitigen Schalter bei der ersten Schwingungshälfte des Resonanzkreises ein- bzw. ausschaltet und dass ein zweiter Teil der sekundärseitigen Schalter bei der zweiten Schwingungshälfte ein- bzw. ausschaltet.Thereby can control the secondary controllable switch so made that a first part of the secondary side Switch at the first half of the resonance circuit or off and that a second part of the secondary side Switch on the second half of the oscillation on or off.
Gemäß einer Ausführungsform des Resonanzwandlers weist dieser eine Signalaufbereitungseinheit auf, welche aus dem Oszillatorsignal des Oszillators das Sperrsignal zur Ansteuerung des zumindest einen sekundärseitigen steuerbaren Schalters ableitet. Die Signalaufbereitungseinheit kann einen Schwellwertkomparator und/oder eine galvani sche Trenneinheit aufweisen. Die galvanische Trenneinheit kann z.B. ein Optokoppler oder ein Transformator bzw. ein Übertrager sein. Darüber hinaus kann die Signalaufbereitungseinheit in den Resonanzcontroller integriert sein. In diesem Falle weist der Resonanzcontroller entsprechende Ausgänge zur Ansteuerung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter auf.According to one embodiment of the resonant converter has this a signal conditioning unit on, which from the oscillator signal of the oscillator, the blocking signal for controlling the at least one secondary-side controllable switch derives. The signal conditioning unit may include a threshold comparator and / or have a galvani cal separation unit. The galvanic Separating unit may e.g. an optocoupler or a transformer or a transformer be. About that In addition, the signal conditioning unit in the resonance controller be integrated. In this case, the resonance controller corresponding outputs for controlling the secondary side controllable switch on.
Weist der Optokoppler beispielsweise eine Schalthysterese auf und ist dieser eingangsseitig mit einem dreieckförmigen Oszillatorsignal verbunden, so kann der Optokoppler ausgangsseitig bereits das Sperrsignal zur direkten Ansteuerung eines Schaltkontakts eines sekundärseitigen Schalters bereitstellen. Werden die Optokoppler zudem eingangsseitig antiparallel verschaltet, so sind die jeweiligen ausgangsseitigen Sperrsignale komplementär zueinander. Beide Sperrsignale können dann z.B. zwei sekundärseitige Schalter im Gegentakt ansteuern.has the optocoupler, for example, a switching hysteresis and is this input side connected to a triangular oscillator signal, so the opto-coupler can already output the blocking signal to the output side direct control of a switching contact of a secondary side Switch. Be the optocouplers also the input side antiparallel interconnected, so are the respective output side blocking signals complementary to each other. Both blocking signals can then e.g. two secondary-sided Control switch in push-pull.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Resonanzwandler eine Überwachungseinheit auf. Diese gibt ein Blockiersignal bei Überschreiten einer vorgebbaren Spannung an zumindest einer der Sekundärwicklungen aus. Insbesondere liegt die vorgebbare Spannung deutlich über der Nennausgangswechselspannung, wie z.B. über mehr als 10%. Derartige sekundärseitige Überspannungen können z.B. bei einer Fehlansteuerung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter auftreten.According to one particular embodiment of the Invention, the resonant converter on a monitoring unit. These gives a blocking signal when exceeded a predetermined voltage on at least one of the secondary windings out. In particular, the predefinable voltage is significantly higher than that Rated output AC voltage, e.g. over more than 10%. such secondary surges can e.g. at a faulty control of the secondary-side controllable switch occur.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge weisen die sekundärseitigen steuerbaren Schalter einen Steuerkontakt auf. Dieser Steuerkontakt kann z.B. ein Gate oder eine Basis eines Transistors sein. Der jeweilige Steuerkontakt ist über einen mit der Ausgangsgleichspannung verbundenen Widerstand zum Einschalten des sekundärseitigen Schalters verbunden. Zudem ist der jeweilige Steuerkontakt über Entkoppeldioden mit dem Sperrsignal und gegebenenfalls mit dem Blockiersignal zum Ausschalten des sekundärseitigen Schalters verbunden.one another embodiment According to the secondary side controllable switch on a control contact. This tax contact can e.g. be a gate or a base of a transistor. The respective Control contact is over a resistor connected to the DC output voltage to turn on of the secondary side Switch connected. In addition, the respective control contact via decoupling diodes with the blocking signal and possibly with the blocking signal to Turn off the secondary side Switch connected.
Dadurch ist eine Beschaltung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter mit wenigen handelsüblichen Bauelementen möglich.Thereby is a circuit of the secondary side controllable switch with a few commercially available components possible.
Nach einer Ausführungsform sind Gleichrichterdioden parallel zu den sekundärseitigen steuerbaren Schaltern geschaltet. Diese können zumindest zeitweise einen in den Sekundärwicklungen induzierten Strom gleichrichten.To an embodiment Rectifier diodes are parallel to the secondary-side controllable switches connected. these can at least temporarily, a current induced in the secondary windings rectify.
Vorzugsweise sind die Gleichrichterdioden Schottky-Dioden. Diese weisen im leitenden Zustand einen besonders geringen Spannungsabfall von ca. 0,3 bis 0,5 V auf.Preferably the rectifier diodes are Schottky diodes. These have the leading role Condition a particularly low voltage drop of about 0.3 to 0.5V on.
Insbesondere sind die primär- und sekundärseitigen steuerbaren Schalter Schalttransistoren. Diese können bipolare oder unipolare Transistoren sein. Besonders geeignet sind Feldeffekttransistoren, wie z.B. JFET oder insbesondere MOSFET-Transistoren. MOSFET-Transistoren weisen im leitenden Zustand einen sehr geringen Ein-Widerstand über der sogenannten Source-Drain-Strecke, wie z.B. von 10mΩ, auf. Solche Transistoren können dann wegen des geringen Durchgangswiderstands einen Großteil des sekundärseitig gleichzurichtenden Stroms von der dazu parallel geschalteten Gleichrichterdiode übernehmen. Die Verlustleistung sowie die erforderliche Kühlfläche des sekundärseitigen Synchrongleichrichters verringern sich in vorteilhafter Weise.Especially are the primary and secondary-sided controllable switch switching transistors. These can be bipolar or unipolar Be transistors. Particularly suitable are field effect transistors, such as. JFET or in particular MOSFET transistors. MOSFET transistors have a very low on-resistance in the conducting state over the so-called source-drain path, such as of 10mΩ, up. Such Transistors can then because of the low contact resistance a large part of secondary side rectifying rectifying diode take over the parallel rectifier diode. The power loss and the required cooling surface of the secondary-side synchronous rectifier reduce in an advantageous manner.
Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments and preferred embodiments of the invention are the dependent claims remove.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben.The invention and advantageous Ausführun The same will be described in more detail below with reference to the following figures.
Es zeigen:It demonstrate:
Im
Beispiel der
Im
oberen Teil der
Auf
den Potentialtrenner
Alternativ
kann der Resonanzkreis
Der
Resonanzcontroller
Zur
Ansteuerung der sekundärseitigen
steuerbaren Schalter
Alternativ
kann der Oszillator
Im
Beispiel der
Die
primärseitigen
Schalter
Am
linken Teil des Resonanzcontrollers
Weiterhin
weist die Signalaufbereitungseinheit
Im
mittleren Teil der
Erfindungsgemäß erfolgt
die Ansteuerung der sekundärseitigen
steuerbaren Schalter
Auf die beiden Dioden D1, D2 kann auch verzichtet werden, insbesondere dann, wenn selbstsperrende Transistoren, wie z.B. MOSFET-Transistoren, mit definiertem Sperrverhalten verwendet werden.On the two diodes D1, D2 can also be dispensed with, in particular when self-blocking transistors, such as e.g. MOSFET transistors, be used with defined blocking behavior.
Alternativ
ist auch die alleinige Verwendung von selbstleitenden Transistoren
denkbar. In diesem Fall kann eine Hilfsspannung sowie eine Schaltung zum
definierten Anlaufen des Resonanzwandlers
Gemäß der Erfindung
ist der jeweilige Steuerkontakt, wie z.B. das Gate im Falle eines
Feldeffekttransistors
Um
ein Einschalten nur eines der beiden Schalter
Beide
Schalter
Erfindungsgemäß wird ein
Schalten der beiden Schalter
Mit
dem Bezugszeichen
- 11
- Resonanzwandler, DC/DC-Wandler, StromversorgungResonant converter, DC / DC converter, power supply
- 22
- Transformatortransformer
- 33
- primärer Synchrongleichrichterprimary synchronous rectifier
- 44
- sekundärer Synchrongleichrichtersecondary synchronous rectifier
- 55
- Resonanzkreisresonant circuit
- 66
- Resonanzcontrollerresonant controller
- 77
- SignalaufbereitungseinheitSignal conditioning unit
- 88th
- Potentialtrennerpotential Breaks
- 99
- Überwachungseinheitmonitoring unit
- 2121
- Spule, PrimärwicklungKitchen sink, primary
- 22, 2322 23
- Sekundärwicklungensecondary windings
- 31, 3231 32
- primäre steuerbare Schalterprimary controllable switch
- 41, 4241 42
- sekundäre steuerbare Schaltersecondary taxable switch
- 6161
- Oszillatoroscillator
- 7171
- Schwellwertkomparatorthreshold comparator
- 7272
- galvanische Trenneinheit, Optokoppler, Übertragergalvanic Separation unit, optocouplers, transformers
- BSBS
- Blockiersignalblocking signal
- C1-C3C1-C3
- Kondensatorencapacitors
- D1-D6D1-D6
- Diodendiodes
- ERRORERROR
- Fehlereingangerror input
- FB, FE'FB, FE '
- FeedbacksignalFeedback signal
- i1, i2i1, i2
- Strom durch die sekundärseitigen Schalterelectricity through the secondary-side switches
- KSKS
- Komparatorsignalcomparator
- OSOS
- Oszillatorsignaloscillator signal
- OSCOSC
- Oszillatorausgangoscillator output
- R2-R3R2-R3
- Widerständeresistors
- SGSG
- Sperrsignalblocking signal
- SW1, SW2SW1, SW2
- Ausgänge zur Ansteuerung der primären steuerbaren SchalterOutputs to Control of the primary controllable switch
- tt
- ZeitTime
- T0, T1T0, T1
- Zeitpunktetimings
- U22, U23U22, U23
-
Spannung
an Sekundärwicklung
22 bzw.23 Voltage at secondary winding22 respectively.23 - UAUA
- AusgangsgleichspannungDC output voltage
- UEUE
- EingangsgleichspannungDC input voltage
- UMAROUND
- ÜberspannungswertOvervoltage value
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