DE102006033348B4 - resonant converter - Google Patents
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Abstract
Resonanzwandler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Ausgangsgleichspannung (UA) mit – einem Transformator (2) mit zumindestngen (22, 23), – zwei primären, steuerbaren Schaltern (31, 32), – einem Controller (6) mit einem frequenzveränderlichen Oszillator (61) zur Regelung der Ausgangsgleichspannung (UA) über eine synchrone frequenzveränderliche Ansteuerung der primärseitigen steuerbaren Schalter (31, 32), – zwei sekundärseitigen Synchrongleichrichtern (4) mit steuerbaren Schaltern (41, 42), zu denen parallel Gleichrichterdioden (D1, D2) derart geschaltet sind, dass während der ersten Hälfte der Resonanzkreisschwingungen die erste Diode (D1) und während der zweiten Hälfte der Resonanzkreisschwingung die zweite Diode (D2) leitend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzwandler ferner eine Signalaufbereitungseinheit (7) aufweist, welche aus einem Oszillatorsignal (OS) des Oszillators (61) ein Sperrsignal (SG) mit der doppelten Frequenz des Oszillators (61) ableitet, zum Sperren des steuerbaren Schalters (41, 42) des jeweiligen sekundärseitigen Synchrongleichrichters mit dem Sperrsignal (SG)...Resonance converter for converting an input DC voltage (UE) into an output DC voltage (UA) with - a transformer (2) with at least length (22, 23), - two primary, controllable switches (31, 32), - a controller (6) with a variable frequency Oscillator (61) for controlling the DC output voltage (UA) via a synchronous frequency-variable control of the primary-side controllable switches (31, 32), - two secondary-side synchronous rectifiers (4) with controllable switches (41, 42), to which rectifier diodes (D1, D2 ) are switched in such a way that the first diode (D1) is conductive during the first half of the resonance circuit oscillations and the second diode (D2) is conductive during the second half of the resonance circuit oscillations, characterized in that the resonance converter also has a signal processing unit (7) which consists of an oscillator signal (OS) of the oscillator (61) a blocking signal (SG) with twice the frequency of the oscillator leads (61) for blocking the controllable switch (41, 42) of the respective secondary-side synchronous rectifier with the blocking signal (SG) ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Resonanzwandler mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a resonant converter with the features specified in the preamble of
Aus der internationalen Veröffentlichung
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.In resonant converters are DC / DC converter, which preferably has a high input DC voltage, such. B. of 300 V, in one or more comparatively small output DC voltages, such. B. of 20 V, convert. Such resonant converters are used in particular for the power supply of electronic devices, such. B. of televisions. In particular, resonant converters for converting a rectified mains voltage, such. B. 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.For energy transmission, a transformer is usually used, which also allows a galvanic isolation between the input and output DC voltage.
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 Parallelschaltung 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.In resonant converters, a resonant circuit ensures that controllable switches, such. B. transistors, are switched on or off substantially in the current or voltage zero. As a result, switching losses in the transistors and radio interference are reduced. The resonant circuit typically consists of a series or parallel circuit of an inductor and a capacitor. It can also have several inductances and capacities. Furthermore, the resonant circuit can be operated primary or secondary side. Usually, a primary or secondary winding of the transformer is 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.As a rule, resonant converters with fixed duty cycle and variable switching frequency are controlled to control the output DC voltage, the pulse length at least substantially equal to half the oscillation period of the resonant circuit. This can be done in a simple manner switching on or off the controllable switch in the zero oscillation.
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
Die
Die
Ferner offenbart die
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Resonanzwandler anzugeben, bei welchen der schaltungstechnische Aufwand geringer ist und mit nur einem Signal über die galvanische Trennstelle zwei Synchrongleichrichter angesteuert werden können.It is an object of the invention to provide a resonant converter, in which the circuit complexity is lower and can be controlled with only one signal via the galvanic separation point two synchronous rectifier.
Die Aufgabe wird durch Ausgestaltung des Resonanzwandlers gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Lehre gelöst. Vorteilhafte Schaltungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.The object is achieved by designing the resonant converter according to the teaching specified in
Erfindungsgemäß wird ein Sperrsignal aus einem Oszillatorsignal des Oszillators zur Ansteuerung des zumindest einen sekundärseitigen steuerbaren Schalters abgeleitet.According to the invention, a blocking signal is derived from an oscillator signal of the oscillator for controlling the at least one secondary-side controllable switch.
Dadurch reduziert sich der schaltungstechnische Aufwand erheblich. Ein weiterer Controller oder Treiberbaustein kann vorteilhaft entfallen. This reduces the circuitry complexity considerably. Another controller or driver module can advantageously be omitted.
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, an oscillator signal output is present at the oscillator, which is for setting a predeterminable minimum switching frequency, such. B. of 100 kHz, is used. As part of the scheme, this exemplary switching frequency of 100 kHz can increase many times, such. B. at 400 kHz. To set the switching frequency for this purpose, the oscillator signal output by means of one or more passive components, such. B. by means of a capacitor externally connected. Usually - but not necessarily - such an oscillator is already integrated in a resonance controller. The oscillator can also be connected to the controller as a separate component in terms of signaling.
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 feature of the invention is that an existing anyway oscillator signal is used, which already includes the essential temporal information for deriving the blocking signal. The essential temporal information is the oscillator frequency and the oscillator phase. As a result, the time reference for the secondary-side switch to be actuated is clearly given.
Weist das Oszillatorsignal eine Rechteckform auf, so kann dieses als direktes Sperrsignal zur Ansteuerung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter herangezogen werden.If the oscillator signal has a rectangular shape, then this can be used as a direct blocking signal for controlling the secondary-side controllable switches.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Oszillatorsignal einem Schwellwertkomparator zugeführt. Weist das Oszillatorsignal eine dreieckförmige oder sinusförmige Signalform auf, so ist bei geeigneter Festlegung von Schaltschwellen ein rechteckförmiges Komparatorsignal als Sperrsignal ableitbar.According to one embodiment, the oscillator signal is supplied to a threshold comparator. If the oscillator signal has a triangular or sinusoidal signal shape, a rectangular comparator signal can be derived as a blocking signal given suitable definition of switching thresholds.
Alternativ oder zusätzlich wird gemäß einer weiteren Ausführungsform das Oszillatorsignal bzw. das Komparatorsignal einer galvanischen Trenneinheit zugeführt.Alternatively or additionally, according to a further embodiment, the oscillator signal or the comparator signal is fed 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.As a result, galvanic isolation between the primary-side oscillator signal or comparator signal and the secondary-side blocking signal is advantageously achieved. A galvanic isolation of the oscillator signal or the comparator signal is necessary if a galvanic isolation of input DC voltage and DC output voltage is desired.
Im Besonderen ist das Sperrsignal zumindest im Wesentlichen phasengleich zum Oszillatorsignal.In particular, the blocking signal is at least substantially in phase with the oscillator signal.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform 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 a further embodiment, the activation of the secondary controllable switches takes place with a constant duty cycle. The duty cycle can, for. B. 70:30, wherein the blocking time for the secondary controllable switch is smaller 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.As a result, the activation of the secondary controllable switches can take place in such a way that a first part of the secondary-side switches switches on or off in the first half of the resonant circuit and a second part of the secondary-side switches on or off in the second half of the oscillation.
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 galvanische 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, the latter has a signal conditioning unit which derives the blocking signal for controlling the at least one secondary-side controllable switch from the oscillator signal of the oscillator. The signal conditioning unit may have a threshold comparator and / or a galvanic separation unit. The galvanic separation unit can, for. B. be an optocoupler or a transformer or a transformer. In addition, the signal conditioning unit can be integrated in the resonance controller. In this case, the resonance controller has corresponding outputs for controlling the secondary-side controllable switch.
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.If the optocoupler has a switching hysteresis, for example, and if it is connected on the input side to a triangular oscillator signal, the optocoupler can already provide the blocking signal for the direct control of a switching contact of a secondary-side switch on the output side. If the optocouplers are additionally connected in antiparallel on the input side, then the respective output-side blocking signals are complementary to one another. Both blocking signals can then z. B. control two secondary-side 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 a particular embodiment of the invention, the resonant converter has a monitoring unit. This outputs a blocking signal when a predeterminable voltage is exceeded on at least one of the secondary windings. In particular, the predetermined voltage is well above the rated output AC voltage, such as. Over more than 10%. Such secondary side overvoltages can, for. B. occur in a faulty control of the secondary side controllable switch.
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.According to another embodiment, the secondary-side controllable switches have a control contact. This control contact can, for. B. may be a gate or a base of a transistor. The respective control contact is connected via a resistor connected to the DC output voltage for switching on the secondary-side switch. In addition, the respective control contact via decoupling diodes with the blocking signal and optionally connected to the blocking signal to turn off the secondary side switch.
Dadurch ist eine Beschaltung der sekundärseitigen steuerbaren Schalter mit wenigen handelsüblichen Bauelementen möglich.As a result, a wiring of the secondary-side controllable switch with a few commercially available components is possible.
Nach einer Ausführungsform sind Gleichrichterdioden parallel zu den sekundärseitigen steuerbaren Schaltern geschaltet. Diese können zumindest zeitweise einen in den Sekundärwicklungen induzierten Strom gleichrichten.According to one embodiment, rectifier diodes are connected in parallel to the secondary-side controllable switches. These can at least temporarily rectify a current induced in the secondary windings.
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 a particularly low voltage drop of about 0.3 to 0.5 V in the conductive state.
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 10 mΩ, 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.In particular, the primary and secondary side controllable switches are switching transistors. These can be bipolar or unipolar transistors. Particularly suitable are field effect transistors, such. B. JFET or in particular MOSFET transistors. MOSFET transistors in the conductive state have a very low on-resistance across the so-called source-drain path, such. B. of 10 mΩ, on. Such transistors can then take over a large part of the secondary side rectified current from the rectifier diode connected in parallel because of the low contact resistance. The power loss and the required cooling surface of the secondary-side synchronous rectifier are reduced in an advantageous manner.
Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments and preferred developments of the invention can be found in the dependent claims.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The invention and advantageous embodiments thereof are described in more detail below with reference to the following figures. Show it:
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, especially if self-locking transistors such. As MOSFET transistors, are 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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Resonanzwandler, DC/DC-Wandler, StromversorgungResonance 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, PrimärwicklungCoil, primary winding
- 22, 2322, 23
- Sekundärwicklungensecondary windings
- 31, 3231, 32
- primäre steuerbare Schalterprimary controllable switch
- 41, 4241, 42
- sekundäre steuerbare Schaltersecondary controllable switches
- 6161
- Oszillatoroscillator
- 7171
- Schwellwertkomparatorthreshold comparator
- 7272
- galvanische Trenneinheit, Optokoppler, ÜbertragerGalvanic isolation unit, optocouplers, transformers
- BSBS
- Blockiersignalblocking signal
- C1–C3C1-C3
- Kondensatorencapacitors
- D1–D6D1-D6
- Diodendiodes
- ERRORERROR
- Fehlereingangerror input
- FB, FB'FB, FB '
- FeedbacksignalFeedback signal
- i1, i2i1, i2
- Strom durch die sekundärseitigen SchalterCurrent 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 for controlling the primary controllable switches
- 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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