DE102007003415A1

DE102007003415A1 - Elektrische Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer Versorgungsgleichspannung

Info

Publication number: DE102007003415A1
Application number: DE102007003415A
Authority: DE
Inventors: Robin Gruber; Nikolaus Seitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-07-31

Abstract

Die elektrische Spannungsversorgungseinheit (10) zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer Versorgungsgleichspannung ist mit einem Hoch- oder Tiefsetzsteller (12) versehen, an den eingangsseitig die Versorgungsgleichspannung (UV) anlegbar ist und der ausgangsseitig eine Zwischenkreisgleichspannung (UZ) erzeugt. Ferner ist die Spannungsversorgungseinheit (10) mit einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Zerhackerstufe (14), die mit dem Ausgang des Hoch- oder Tiefsetzstellers (12) verbunden ist, und einem Transformator (16) mit einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Primärwicklung (18) und einer der Anzahl an gewünschten Ausgangsspannungen (UA1, UA2, ..., UAn) entsprechenden Anzahl an Sekundärwicklungen (20) versehen. Die Spannungsversorgungseinheit weist mindestens einen Gleichrichter (22) auf, wobei jeder Gleichrichter (22) mit einer der Sekundärwicklungen (20) verbunden ist. Die Zwischenkreisgleichspannung (UZ) ist auf einen im wesentlichen konstanten Wert eingestellt, der um den Spannungsabfall, welcher über der Zerhackerstufe (14) und der Primärwicklung (18) entsteht, höher ist als die zur Erzeugung der gewünschten mindestens einen Ausgangsspannung (UA1, UA2, ..., UAn) erforderliche Zwischenkreisgleichspannung (UZ).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spannungsversorgungseinheit (auch Netzteil genannt) zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer Versorgungsgleichspannung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Netzteil mit mehreren galvanisch zur Eingangs- bzw. Versorgungsgleichspannung und voneinander getrennten, geregelten Ausgangsspannungen teilweise unterschiedlicher Spannungslage und Stromtragfähigkeit.
Netzteile mit mehreren verschiedenen Ausgangsspannungen und -strömen sind weit verbreitet. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem technisch zu lösen:

– Für jede Ausgangsspannung wird ein eigener kleiner DC/DC-Konverter eingesetzt. Nachteilig ist hier der große Aufwand.
– Ein Sperrwandler oder ein Durchflusswandler mit mehreren sekundärseitigen Anzapfungen wird benutzt. Die einzelnen Spannungen werden passiv oder synchron gleichgerichtet. Dabei kann aber nur auf eine der Ausgangsspannungen (durch galvanisch trennende Rückführung mittels Optokoppler oder Pulstransformator) geregelt werden, die anderen Spannungen schwanken abhängig von der anliegenden Last, verursacht durch die Innenwiderstände der Gleichrichterelemente und der Wicklung. Daher wird diesen ungeregelten Spannungen oft noch ein linearer Spannungsregler nachgeschaltet, welcher jedoch den technischen Aufwand erhöht und den Wirkungsgrad senkt.
– Für jede Ausgangsspannung wird ein (gegebenenfalls über ein zentrales IC gesteuerter) Hoch- oder Tiefsetzsteller mit jeweils eigener Spannungsregelung verwendet. Dabei ist aber keine galvanische Trennung der Zweige möglich und für jede Spannung muss eine eigene Speicherdrossel bereitgestellt werden.
– Es erfolgt eine zentrale Umsetzung mittels Hoch- oder Tiefsetzsteller bzw. Durchfluss- oder Sperrwandler auf eine geregelte Zwischenspannung, welche dann über mehrere Gleichspannungstransformatoren mit ausgangsseitiger Synchrongleichrichtung und möglichst kleinem Innenwiderstand in verschiedenen Ausgangsspannungen umgesetzt werden. Gegebenenfalls kann auch eine der Ausgangsspannungen zur Nachsteuerung der Zwischenkreisspannung eingesetzt werden, was die Güte dieser Ausgangsspannung verbessert, jedoch eine galvanisch trennende Rückführung erfordert. Werden für jede Spannung separate Gleichspannungstransformatoren eingesetzt, stellt dies wieder einen hohen technischen Aufwand dar, verwendet man Gleichspannungstransformatoren mit mehreren Anzapfungen bleibt zumindest noch das Problem der leichten Unterschiede in den Ausgangsspannungen auf Grund der Innenwiderstände.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer Versorgungsgleichspannung zu schaffen, wobei die Ausgangsgleichspannung galvanisch getrennt von der Versorgungsgleichspannung ist und im Falle mehrerer Ausgangsgleichspannungen ebenfalls untereinander galvanisch getrennt und teilweise unterschiedliche Spannungslagen und Stromtragfähigkeiten aufweisen, wobei sich sehr stabile Ausgangsgleichspannungen ohne den hierfür im Stand der Technik erforderlichen Aufwand einstellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer insbesondere variierenden Versorgungsgleichspannung vorgeschlagen, wobei die elektrische Spannungsversorgungseinheit versehen ist mit

– einem Hoch- oder Tiefsetzsteller, an den eingangsseitig die Versorgungsgleichspannung anlegbar ist und der ausgangsseitig eine Zwischenkreisgleichspannung erzeugt,
– einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Zerhackerstufe, die mit dem Ausgang des Hoch- oder Tiefsetzstellers verbunden ist,
– einem Transformator mit einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Primärwicklung und einer der Anzahl an gewünschten Ausgangsspannungen entsprechenden Anzahl an Sekundärwicklungen und
– mindestens einem Gleichrichter, wobei jeder Gleichrichter mit einer der Sekundärwicklungen verbunden ist,
– wobei die Zwischenkreisgleichspannung auf einen im wesentlichen konstanten Wert eingestellt ist, der um den Spannungsabfall, welcher über der Zerhackerstufe und der Primärwicklung entsteht, höher ist als die zur Erzeugung der gewünschten mindestens einen Ausgangsspannung erforderliche Zwischenkreisgleichspannung.

Bei der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit wird zunächst die Versorgungsgleichspannung mit Hilfe eines Tiefsetzstellers (oder alternativ eines Hochsetzstellers) in eine Zwischenkreisgleichspannung umgesetzt. Die so erhaltene Zwischenkreisgleichspannung wird anschließend in einer Zerhackerstufe wieder zerhackt. Der Ausgang der Zerhackerstufe ist mit der Primärseite eines Transformators verbunden, der sekundärseitig ein oder mehrere Sekundärwicklungen aufweist. Bei diesem Transformator sind die Windungszahlenverhältnisse zwischen der Primärwicklung und der bzw. den Sekundärwicklungen entsprechend dem Verhältnis der Zwischenkreisspannung und der bzw. den Ausgangsgleichspannungen gewählt. Die sekundärseitigen Ausgangsspannungen des Transformators werden gleichgerichtet.
Bei dieser Spannungsversorgungseinheit wird nun erfindungsgemäß abhängig vom Stromfluss im Zwischenkreis eine Vorsteuerung der Zwischenkreisspannung implementiert, indem die Zwischenkreisspannung im wesentlichen um den Spannungsabfall, welcher über dem Zerhacker und der Primärwicklung bei durch diese fließendem Strom entsteht, höher ist als die zur Erzeugung der gewünschten mindestens einen Ausgangsspannung erforderlichen Zwischenkreisgleichspannung. Auf diese Art und Weise wird also ein negativer Innenwiderstand realisiert, der im Wesentlichen gleich dem parasitären Innenwider stand der Zerhackerstufe und der Primärwicklung des Transformators ist. Mit dieser Maßnahme ist eine sehr gute Stabilität der Ausgangsgleichspannung bzw. Ausgangsgleichspannungen sichergestellt, da die Zwischenkreisgleichspannung sowohl geregelt als auch ohmsche Verluste in der Zerhackerstufe und in der Primärwicklung kompensiert werden können. Die Spannungsabfälle am Innenwiderstand auf der Sekundärseite des Transformators sind bei typischen Anwendungen der Spannungsversorgungseinheit normalerweise zu vernachlässigen. Gleiches gilt auch bezüglich der über den Gleichrichtern zu erwartenden Spannungsabfälle, die ebenfalls vernachlässigbar sind.
Der wesentliche neue Aspekt der Erfindung ist in der Zwischenkreisspannung mit negativem Innenwiderstand zu sehen, was es erlaubt, sehr stabile Ausgangsspannungen zu realisieren, ohne dass eine galvanisch getrennte Regelschleife benötigt wird. Damit ist der gesamte Aufbau der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit sehr vereinfacht, was sich auch vorteilhaft auf den Platzbedarf der Spannungsversorgungseinheit auswirkt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann jeder Gleichrichter eine Filterstufe aufweisen. Ferner ist es denkbar, die Gleichrichter als Synchrongleichrichter zu realisieren, die von sekundärseitigen Steuerwicklungen des Transformators gesteuert werden.
Die Zerhackerstufe ist vorteilhafterweise als Vollbrücken- oder als Gegentaktstufe realisiert, wobei es zweckmäßig ist, die Zerhackerstufe bei einer Frequenz zu betreiben, die gleich einem Vielfachen oder einem Bruchteil der Schaltfrequenz des Hoch- bzw. Tiefsetzstellers ist und sich von dessen Schaltfrequenz um mindestens eine Größenordnung unterscheidet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, die schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit zeigt, näher erläutert.
Bei der gezeigten Spannungsversorgungseinheit 10 wird zunächst die Eingangsspannung bzw. Versorgungsspannung U_V über einen Tiefsetzsteller 12 (auch Abwärtswandler oder Step-Down-Converter genannt) in eine Zwischenkreisgleichspannung U_Z umgewandelt. Diese Spannung sollte kleiner sein als die niedrigste zu erwartende Versorgungsgleichspannung U_V, so dass die Zwischenkreisgleichspannung U_Z über den gesamten Versorgungsspannungsbereich hin konstant gehalten werden kann (im Falle der Verwendung eines Hochsetzstellers – auch Aufwärtswandler oder Step-Up-Converter genannt – sollte die Zwischenkreisspannung höher sein als die höchste zu erwartende Versorgungsgleichspannung U_V). Für diese Umsetzung werden im Handel eine Vielzahl von ICs angeboten, weshalb auf diesen Aspekt der Erfindung nicht weiter eingegangen wird. Auch die Realisierung hoher Wirkungsgrade im Tiefsetzsteller 12 stellt keine Probleme dar. So ist beispielsweise für die zur Variablen Spannungsübersetzung erforderliche Energiespeicherung lediglich eine einzige Speicherdrossel (nicht gezeigt) erforderlich. Eine galvanische Trennung der Versorgungsspannung U_V von der Zwischenkreisspannung U_Z ist hierbei nicht erforderlich.
Die Zwischenkreisgleichspannung U_Z wird nun in einer Zerhackerstufe 14, die z. B. als Vollbrücken- oder Gegentaktstufe ausgebildet ist, wieder zerhackt. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz, welche dem Vielfachen oder einem Bruchteil der Schaltfrequenz des Tiefsetzstellers 12 entspricht, so dass die Entwicklung störender Geräusche durch Schwebungsfrequenzen vermieden werden kann.
Die zerhackte Zwischenkreisgleichspannung wird primärseitig einem Transformator 16 zugeführt, der eine mit der Zerhackerstufe 14 verbundene Primärwicklung 18 und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen 20 aufweist. Bei diesem Transformator 16 müssen die Verhältnisse der Windungszahlen zwischen der Primärwicklung 18 und jeder der unterschiedlichen Sekundärwicklungen 20 so gewählt werden, wie es dem Verhältnis der Zwischenkreisgleichspannung U_Z und den jeweiligen gewünschten Ausgangsgleichspannungen entspricht.
Die Spannungen über den Sekundärwicklungen 20 des Transformators 16 werden anschließend durch Gleichrichter 22 gleichgerichtet und stehen damit als gewünschte Ausgangsgleichspannungen U_A1, U_A2, ..., U_An zur Verfügung.
Zweckmäßig ist es, wenn die Gleichrichter 22 jeweils als Synchrongleichrichter ausgebildet sind. Zu diesem Zweck ist jedem Synchrongleichrichter eine (sekundärseitige) Steuerwicklung (nicht dargestellt) zugeordnet. Ferner kann jeder Gleichrichter noch über eine Drosselspule, deren Induktivität höher sein sollte als die Streuinduktivität des Transformators, und einen Filterkondensator verfügen.
Mit den zuvor beschriebenen schaltungstechnischen Maßnahmen ist jedoch noch keine allzu gute Stabilität der Ausgangsgleichspannungen sichergestellt. Denn die Zwischenkreisgleichspannung U_Z ist zwar geregelt, sie kann aber durch ohmsche Verluste in der Zerhackerstufe 14, in der Primärwicklung 18 des Transformators 16, in den Sekundärwicklungen 20 des Transformators 16 und in den Gleichrichtern 22 sowie den gegebenenfalls vorhandenen Drosselspulen bei Lastwechseln schwanken.
Unter der Annahme, dass der größte Anteil der ohmschen Verluste und damit der größte Anteil eines sich daraus resultierenden Spannungsabfalls in der Zerhackerstufe 14 und der Primärwicklung 18 des Transformators 16 auftritt, kann dieser Spannungsabfall dadurch eliminiert werden, dass eine Vorsteuerung der Zwischenkreisgleichspannung U_Z abhängig vom Stromfluss im Zwischenkreis implementiert wird. Der auf diese Weise realisierte negative Innenwiderstand sollte also möglichst genau dem parasitären Gesamtinnenwiderstand von Zerhackerstufe 14 und Primärwicklung 18 entsprechen, d. h. diesem im wesentlichen gleichen. Die Spannungsabfälle über den Sekundärwicklungen 20 sind bei typischen Realisierungen und Anwendungen der Spannungsversorgungseinheit 10 zu vernachlässigen.
Das erfindungsgemäße Netzteilkonzept wurde zu Versuchszwecken realisiert. Bei dem Versuchsaufbau lieferte die Spannungsversorgungseinheit bei einer Versorgungsspannung im Bereich von 13 bis 18 V sechs verschiedene Ausgangsspannungen von 2,5 bis 4,5 V mit Strömen zwischen 0,2 und 1,5 A. Bei einer Gesamtausgangsleistung von ca. 14 W wurde noch ein Wirkungsgrad von ca. 78% erreicht. Dabei fand das gesamte Netzteil inklusive Eingangsfilter zusammen mit einer Filterstufe für über die verschiedenen Ausgangsspannungen gespeiste elektrische Lasten und diversen Steckern auf einer kreisförmigen Platine mit einem Durchmesser von etwa 65 mm Platz.
Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinheit lässt sich in der Consumer-Elektronik, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Robotik einsetzen. Als ein besonders geeignetes Anwendungsfeld der Consumer-Elektronik sei auf die Möglichkeit des Einsatzes der Spannungsversorgungseinheit zum Wiederaufladen von Lithiumpolymerakkus verwiesen. Eine weitere Anwendung ist das "Balancing" von in Reihe geschalteten, hochkapazitiven Kondensatoren.

Claims

Elektrische Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsgleichspannung aus einer Versorgungsgleichspannung, mit – einem Hoch- oder Tiefsetzsteller (12), an den eingangsseitig die Versorgungsgleichspannung (U_V) anlegbar ist und der ausgangsseitig eine Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) erzeugt, – einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Zerhackerstufe (14), die mit dem Ausgang des Hoch- oder Tiefsetzstellers (12) verbunden ist, – einem Transformator (16) mit einer einen parasitären Innenwiderstand aufweisenden Primärwicklung (18) und einer der Anzahl an gewünschten Ausgangsspannungen (U_A1, U_A2, ..., U_An) entsprechenden Anzahl an Sekundärwicklungen (20) und – mindestens einem Gleichrichter (22), wobei jeder Gleichrichter (22) mit einer der Sekundärwicklungen (20) verbunden ist, – wobei die Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) auf einen im wesentlichen konstanten Wert eingestellt ist, der um den Spannungsabfall, welcher über der Zerhackerstufe (14) und der Primärwicklung (18) entsteht, höher ist als die zur Erzeugung der gewünschten mindestens einen Ausgangsspannung (U_A1, U_A2, ..., U_An) erforderliche Zwischenkreisgleichspannung (U_Z).
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gleichrichter (22) eine Filterstufe aufweist, die eine Drosselspule und einen Filterkondensator umfasst.
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gleichrichter (22) ein von einer sekundärseitigen Steuerwicklung des Transformators (16) gesteuerter Synchrongleichrichter ist.
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) durch Ansteuerung von elektronischen EIN/AUS-Schaltern des Hoch- oder Tiefsetzstellers (12) steuerbar ist.
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein eines Tiefsetzstellers die Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) kleiner ist als die kleinste zu erwartende Versorgungsgleichspannung (U_V) oder dass bei Vorhandensein eines Hochsetzstellers die Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) höher ist als die höchste zu erwartende Versorgungsgleichspannung (U_V).
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerhackerstufe (14) eine Vollbrücken- oder eine Gegentaktstufe aufweist.
Elektrische Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerhackerstufe (14) mit einer Frequenz betreibbar ist, die gleich einem Vielfachen oder einem Bruchteil der Schaltfrequenz des Hoch- bzw. Tiefsetzstellers (12) ist und sich von dieser Schaltfrequenz um mindestens eine Größenordnung unterscheidet.