DE102006041729A1 - Schaltung zur getakteten Stromversorgung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur getakteten Stromversorgung mit einem Leistungskreis (1), der einen Synchrongleichrichter (4) aufweist, und einer Ansteuerschaltung (6) für den Synchrongleichrichter (4). Um sich überlappende Leitphasen zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung (6) über eine Sekundärwicklung (7) mit dem Leistungskreis (1) verbunden ist und Einschaltmittel zur verzögerten Einschaltung sowie Abschaltmittel zur vorauseilenden Abschaltung des Synchrongleichrichters (4) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur getakteten Stromversorgung mit einem Leistungskreis, der einen Synchrongleichrichter aufweist, und einer Ansteuerschaltung für den Synchrongleichrichter.
  • Synchrongleichrichter werden in getakteten Stromversorgungen zur Gleichrichtung einer Sekundärspannung bei niedrigen Ausgangsspannungen und hohen Ausgangsströmen eingesetzt. Diese sind als invers betriebene MOSFETs ausgebildet, die in Flussrichtung ihrer Body-Diode arbeiten. Zur Verringerung der Flussspannung der Body-Diode wird der MOS-Kanal derart angesteuert, dass Leitverluste drastisch reduziert werden, womit hohe Wirkungsgrade bei Schaltungen mit geringen Ausgangsspannungen erzielt werden.
  • Zur Ansteuerung der Synchrongleichrichter dienen verschiedenste Topologien. Eine einfache, sehr zuverlässige Methode ist die Ableitung von Ansteuerimpulsen aus dem Ausgangssignal eines primärseitigen Taktgebers, beispielsweise einer PWM (Pulsweitenmodulation). Dazu müssen die Ansteuerimpulse jedoch über eine Potentialtrennung relativ aufwendig auf die Sekundärseite übertragen werden.
  • Selbstgesteuerte Ansteuerung von Synchrongleichrichtern bedeutet Ableitung der Ansteuersignale aus den Spannungsverläufen über den Synchrongleichrichtern selbst. Auf Grund von Spannungsabfällen über Streuinduktivitäten während der Kommutierung entstehen Schwierigkeiten zur Generierung der rechtzeitigen Abschaltzeitpunkte, die laststromabhängig sind. Die auswertbaren sekundären Spannungen stehen erst nach Abschluss der Kommutierung voll an. Um Querströme im Synchrongleichrichter (kreuzweises Leiten, überlappende Leitphasen) zu vermeiden, muss die Kommutierung aber in der Body-Diode erfolgen. Dazu ist der MOS-Kanal vor der Kommutierung, also voreilend abzuschalten.
  • Bekannt sind selbstgesteuerte Ansteuerschaltungen, die in hoch integrierten Schaltungen realisiert sind, beispielsweise auf Basis von PLL (phase lock loop) der Firma International Rectifier oder das Predictive Gate Drive von Texas Instuments. Bei integrierten Schaltungen besteht jedoch immer das Problem der Topologieabhängigkeit.
  • PLL-Lösungen sind außerdem störanfällig. Die komplexe Digitalschaltung führt zu Fehlverhalten in der stark EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-beeinträchtigten unmittelbaren Umgebung der Leistungselektronik. Darüber hinaus treten funktionsbedingt Jitter-Erscheinungen auf.
  • Das Predictive Gate Drive tastet sich über eine digitale Zählschaltung bis an das gemeinsame Leiten von Schalttransistor und Synchrongleichrichter heran und zieht beim nächsten Takt ein Zeitdiskret ab, um somit immer am Limit zu operieren und maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dabei wird bewusst kreuzweises Leiten in Kauf genommen. Infolge dessen besteht ein dauerhaftes Risiko des Ausfalls. Für Stromversorgungen mit Sicherheitsrelevanz, beispielsweise in der Eisenbahnsignaltechnik, ist Predictive Gate Drive deshalb nicht geeignet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für den Synchrongleichrichter einer getakteten Stromversorgung gattungsgemäßer Art anzugeben, bei der überlappende Leitphasen zwischen Gleichrichter- und Freilaufzweig bei Flusswandler-Topologien und zwischen Schalttransistor und Gleichrichter bei Sperrwandler-Topologien ausgeschlossen sind, wobei die Verwendung kostengünstiger Bauelemente ohne zusätzliche Potentialtrennung anzustreben ist.
  • Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wonach die Ansteuerschaltung über eine Sekundärwicklung mit dem Leistungskreis verbunden ist und Einschaltmittel zur verzögerten Einschaltung sowie Abschaltmittel zur vorauseilenden Abschaltung des Synchrongleichrichters aufweist. Kreuzweise Leitphasen zwischen Gleichrichtung und Freilauf (Flusswandler) bzw. Gleichrichtung und Schalttransistor (Sperrwandler) sind auf diese Weise ausgeschlossen. Durch die Anbindung der Ansteuerschaltung an den Leistungskreis mittels einer Sekundärwicklung ergibt sich eine direkte Zuordnung der Ansteuerschaltung zu dem anzusteuernden Synchrongleichrichter. Eine zusätzliche Potentialtrennung für die primärseitige Takterzeugung, insbesondere PWM, entfällt. Die diskrete Schaltung kann mit kostengünstigen Standardbauelementen realisiert werden. Die Einschaltmittel und die Abschaltmittel ermöglichen durch die Wahl der Bauelemente eine freie Einstellbarkeit der Verzögerungszeit für die Einschaltung und der Vorauseilungszeit für die Abschaltung des Synchrongleichrichters. Abhängigkeiten von den bei hoch integrierten Schaltungen vorgegebenen Parametern werden vermieden. Störende Jitter-Phänomene treten nicht auf. Die beanspruchte Ansteuerschaltung ermöglicht bei genauer Dimensionierung maximalen Wirkungsgrad, der dem Wirkungsgrad der genannten hoch integrierten Schaltungen nicht nachsteht. Auch die hohen Anforderungen an die Ansteuerschaltung aufgrund hoher Taktfrequenz sind mit verfügbaren diskreten Bauelementen realisierbar.
  • Gemäß Anspruch 2 ist die Ansteuerschaltung mit einer Sekundärspannungsregelung ausgestattet, die eine Sekundärspan nungsüberwachung zur Freigabe oder Sperrung eines Treibers des Synchrongleichrichters beaufschlagt. Die Sekundärspannung ist in ihrer Amplitude von der Eingangsspannung abhängig. Die Spannung für die Ansteuerschaltung wird deshalb geregelt. Um einen erforderlichen Pegel einer Gatespannung am Synchrongleichrichter zu gewährleisten, erfolgt die Freigabe des Treibers durch eine Sekundärspannungsüberwachung.
  • Nach Anspruch 3 sind die Einschaltmittel und die Abschaltmittel zwischen einer Pegelanpassung der Sekundärspannung und dem Treiber des Synchrongleichrichters angeordnet. Wegen der Abhängigkeit der Sekundärspannung von der Eingangsspannung ist eine Pegelanpassung für die nachgeschaltete Elektronik erforderlich. Die Amplitude der Sekundärspannung wird dabei auf ein gefordertes Maß begrenzt. Um die Synchronisierung nicht zu gefährden, darf keine Verzugszeit entstehen.
  • Die Einschaltmittel umfassen gemäß Anspruch 4 eine Einschaltimpulserzeugung und ein Verzögerungsglied. Mit steigender Flanke der Sekundärspannung wird der Einschaltimpuls generiert und verzögert auf den Treiber des Synchrongleichrichters geschaltet. Damit ist gewährleistet, dass der Synchrongleichrichter erst einschaltet, wenn der gegenüberliegende Schalter bereits gesperrt ist.
  • Die Verzögerungszeit tvein richtet sich nach der maximalen Ausschaltzeit tAUSmax des gegenüberliegenden Schalters. Die Berücksichtigung von Toleranzen in der Abschaltzeit der Treiberschaltung und des Temperaturverhaltens erfolgt mit einem Sicherheitsfaktor CVein tVein = CVein·tAUSmax Die Abschaltmittel umfassen gemäß Anspruch 5 eine Abschaltimpulserzeugung, einen Rampengenerator zur Erzeugung einer Rampenspannung, ein Mittelwertfilter zur Erzeugung und Verstärkung einer Rampenmittelwertspannung und einen Komparator zum Vergleich der Rampenspannung und der Rampenmittelwertspannung, wobei die Abschaltung des Synchrongleichrichters bei Übereinstimmung der Rampenspannung und der Rampenmittelwertspannung erfolgt. Die fallende Flanke der Sekundärspannung kennzeichnet das Ende einer Schaltperiode. Aus dieser fallenden Flanke wird ein Synchrontakt in Form eines kurzen Abschaltimpulses abgeleitet. Dieser Abschaltimpuls stoppt periodisch den nachfolgenden Rampengenerator. Um zu erreichen, dass der Rampenspitzenwert mit dem Ende der Schaltperiode zusammen fällt, muss der Abschaltimpuls sofort mit der fallenden Flanke anstehen. Hier ist eine extrem kurze Laufzeit gefordert. Dadurch wird die Rampe in Frequenz und Phase der Sekundärspannung nachgeführt. Im Anschluss bildet das Mittelwertfilter den Mittelwert der Rampenspannung.
  • Der Mittelwert URampe_AV errechnet sich aus der Zeitfunktion der Rampenspannung URampe(t) und der Periodendauer T.
  • Figure 00050001
  • Um den gewünschten Zeitpunkt zur Abschaltung des Synchrongleichrichters zu erhalten, wird der Mittelwert auf den erforderlichen Vergleichswert verstärkt. Der nachgeschaltete Komparator vergleicht den verstärkten Mittelwert mit der Ram pe. Schneidet die Rampenzeitfunktion den Vergleichswert, erfolgt der Abschaltbefehl an den Treiber.
  • Dieser Schnittpunkt stellt bezogen auf die Schaltperiode T eine maximal mögliche Pulsweite dar. Die Zeit zwischen Abschaltbefehl und Periodenende ist somit von der Periodendauer bzw. Schaltfrequenz abhängig. Die maximale Ausschaltzeit des Synchrongleichrichters tSyAusmax bestimmt den kritischen Abschaltzeitpunkt. Mit dem Sicherheitsfaktor CVaus erhält man den voreilenden Abschaltzeitpunkt tvor. tvor = CVaus·tSyAusmax
  • Aus tvor und der höchsten Schaltfrequenz fmax, d. h. der maximalen Schaltfrequenz gemäß Toleranz berechnet sich die maximale Pulsweite dm.
  • Figure 00060001
  • Durch das Einsetzen von Tmin bzw. fmax erfolgt die voreilende Abschaltung immer vor dem kritischen Zeitpunkt.
  • Das Verhältnis von dmax zu T ist im Verhältnis des Vergleichswertes UVergleich zum Rampenspitzenwert URampe ausgedrückt.
  • Figure 00060002
  • Durch Verstärkung des Mittelwertes der Rampenspannung ergibt sich der Vergleichswert.
  • Figure 00070001
  • Für die Verstärkung erhält man:
    Figure 00070002
  • Die Einschaltmittel und/oder die Abschaltmittel sind gemäß Anspruch 6 jeweils in einen separaten oder einen gemeinsamen digitalen Schaltkreis implementiert. Auf diese Weise ergeben sich Vorteile gegenüber diskreten Bauelementen bezügliche Preis, Robustheit und Anwendbarkeit.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Ausführungsform einer Schaltung zur getakteten Stromversorgung,
  • 2 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung als Detail der 1 und
  • 3 Signal/Zeit-Verläufe.
  • In 1 sind die wesentlichen Bauelemente einer getakteten Stromversorgung in der Ausführungsform als Hochsetzsteller dargestellt. Denkbar sind auch andere Schaltungsvarianten, beispielsweise auf der Basis eines Sperrwandlers. Der dargestellte Leistungskreis 1 besteht im Wesentlichen aus einer PWM – Pulsweitenmodulation – 2 zur Taktvorgabe, die einen Schalttransistor 3 ansteuert, und einem Synchrongleichrichter 4. Eine Eingangsspannung UE wird in eine getaktete und gleichgerichtete Ausgangsspannung UA umgeformt. Der Synchrongleichrichter 4 ist als invers betriebener MOSFET mit einer Body-Diode 5 ausgebildet. Eine Ansteuerschaltung 6 für den Synchrongleichrichter 4 ist über eine Sekundärwicklung 7 mit einer eingangsspannungsseitigen Primärwicklung 8 des Leistungskreises 1 verbunden. Die Ansteuerschaltung 6 sorgt dafür, dass eine Gate-Spannung Usyn, am Synchrongleichrichter 4 nur während eines bestimmten Zeitabschnittes innerhalb der AUS-Phasen der Gate-Spannung USch des Schalttransistors 3 ansteht.
  • 2 veranschaulicht die wesentlichen Bauelemente der Ansteuerschaltung 6 in einem Blockschaltbild. Es ist ersichtlich, dass ein Treiber 9 zur Verstärkung der Ansteuersignale für den Synchrongleichrichter 4 vorgesehen ist. Die mittels der Sekundärwicklung 7 übertragene Sekundärspannung USek wird über eine Sekundärspannungsregelung 10 und eine Sekundärspannungsüberwachung 11 zur Freigabe oder Sperrung F/S des Treibers 9 verwendet. Die Freigabe F des Treibers 9 erfolgt bei ausreichendem Pegel der Gate-Spannung USyn am Synchrongleichrichter 4.
  • Die Sekundärspannung USek ist weiterhin einer Pegelanpassung 12 zugeführt, durch die die Amplitude der Sekundärspannung USek auf ein der nachgeschalteten Elektronik zuträgliches Maß begrenzt wird.
  • 3 zeigt im obersten Kurvenverlauf die Gate-Spannung USch am Schalttransistor 3 und darunter die dazu gegenläufige Sekundärspannung USek. Um den in 3 unten dargestellten gewünschten Verlauf der Gate-Spannung USyn, am Synchrongleichrichter 4 zu erreichen, muss der Treiber 9 für den Synchrongleichrichter 4 mit verzögerten Einschaltsignalen EIN und voreilenden Abschaltsignalen AUS beaufschlagt werden.
  • Für die verzögerte Einschaltung wird ein Einschaltimpuls 13, der mit der steigenden Flanke der Sekundärspannung USek gebildet wird, einem Verzögerungsglied 14 zugeführt. Die Verzögerungszeit tVein ergibt sich aus der oben diskutierten Formel.
  • Um die voreilende Abschaltung tvor zu realisieren, wird das Ausgangssignal der Pegelanpassung 12 zunächst einer Abschaltimpulserzeugung 15 zugeführt, welche einen Synchrontakt STakt (3) erzeugt, der mit der abfallenden Flanke der Sekundärspannung USek zusammenfällt. Mit diesem Synchrontakt STakt wird ein Rampengenerator 16 angesteuert, dessen Ausgangssignal über einen Mittelwertfilter 17 und direkt einem Komparator 18 zugeführt ist. Das von dem Rampengenerator 16 erzeugte Rampensignal SRamp und dessen Mittelwert SRamp_mitt sind in 3 veranschaulicht. Der Mittelwert wird durch den Mittelwertfilter 17 nach Maßgabe der oben diskutierten Formel für die Verstärkung V quasi angehoben. Daraus ergibt sich der Signalverlauf SRamp_mitt_v und SRamp gemäß 3. Der Schnittpunkt beider Signale wird durch den Komparator 18 festgestellt und als Abschaltsignal Aus über den Treiber 9 an den Synchrongleichrichter 4 weitergeleitet. Auf diese Weise ergibt sich der gewünschte Verlauf der Gate-Spannung USyn am Synchrongleichrichter 4.

Claims (6)

  1. Schaltung zur getakteten Stromversorgung mit einem Leistungskreis (1), der einen Synchrongleichrichter (4) aufweist, und einer Ansteuerschaltung (6) für den Synchrongleichrichter (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (6) über eine Sekundärwicklung (7) mit dem Leistungskreis (1) verbunden ist und Einschaltmittel zur verzögerten Einschaltung sowie Abschaltmittel zur vorauseilenden Abschaltung des Synchrongleichrichters (4) aufweist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärspannungsregelung (10) vorgesehen ist, die eine Sekundärspannungsüberwachung (11) zur Freigabe oder Sperrung (F/S) eines Treibers (9) des Synchrongleichrichters (4) beaufschlagt.
  3. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltmittel und die Abschaltmittel eingangsseitig mit einer Pegelanpassung (12) einer Sekundärspannung (USek) und ausgangsseitig mit einem Treiber (9) des Synchrongleichrichters (4) verbunden sind.
  4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltmittel eine Einschaltimpulserzeugung (13) und ein Verzögerungsglied (14) aufweisen.
  5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltmittel eine Abschaltimpulserzeugung (15), einen Rampengenerator (16) zur Erzeugung einer Rampenspannung (SRamp), ein Mittelwertfilter (17) zur Erzeugung und Verstärkung einer Rampenmittelwertspannung (SRamp_mitt_V) und einen Komparator (18) zum Vergleich der Rampenspannung (SRamp) und der Rampenmittelwertspannung (SRamp_mitt_V) aufweisen, wobei die Abschaltung des Synchrongleichrichters (4) bei Übereinstimmung der Rampenspannung (SRamp) und der Rampenmittelwertspannung (SRamp_mitt_V) erfolgt.
  6. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltmittel und/oder die Abschaltmittel in einen separaten oder gemeinsamen digitalen Schaltkreis implementiert sind.
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