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Die Erfindung betrifft einen Resonanzwandler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in mehrere oder auch nur eine Ausgangsspannung(en).
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Resonanzwandler werden zur Realisierung von Spannungsversorgungen für elektronische Geräte eingesetzt, um Verlustleistungen zu reduzieren und die elektromagnetische Verträglichkeit. zu verbessern.
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Die
US 6829151 B2 offenbart einen Resonanzwandler mit einem Inverter zur Erzeugung einer Wechselspannung, die in eine Resonanzanordnung mit einem Kondensator und einem Transformator eingespeist wird. Der Transformator hat eine Primärwicklung und zwei zueinander entgegengesetzt orientierte Sekundärwicklungen zur Erzeugung zweier Ausgangsspannungen. Der Resonanzwandler umfasst ferner eine Regelungseinheit, mittels derer die beiden Ausgangsspannungen unabhängig voneinander unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation regelbar sind.
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Ein Nachteil eines derartigen Resonanzwandlers ist, dass im Wesentlichen nur zwei Ausgangsspannungen geregelt werden können, und herkömmliche und damit günstige Ansteuerschaltkreise für den Resonanzwandler nicht eingesetzt werden können, da diese nicht ohne Weiteres eine Pulsweitenmodulation zusätzlich zu einer Frequenzmodulation ermöglichen. Der generelle Nachteil besteht daher im erhöhten Regelungsaufwand und den damit verbundenen Kosten.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten und insbesondere vereinfachten Resonanzwandler und ein einfaches Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannungen eines derartigen Resonanzwandlers anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Resonanzwandlers durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Resonanzwandler umfasst einen Inverter mit einem Schwingkreisglied zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Eingangsgleichspannung, wenigstens einen Einweggleichrichter und einen Transformator, der den Inverter und jeden Einweggleichrichter zur Erzeugung einer Ausgangsspannung pro Einweggleichrichter koppelt. Dabei weist jeder Einweggleichrichter eine Sekundärwicklung des Transformators und eine Gleichrichterdiode auf und die Sekundärwicklungen und Gleichrichterdioden sind jeweils derart verschaltet, dass alle Ausgangsspannungen während derselben Halbperioden der Wechselspannung erzeugbar sind.
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Ein wesentlicher Unterschied zu dem Stand der Technik nach
US 6829151 B2 ist dabei die Verschaltung der Sekundärwicklungen und Gleichrichterdioden der Einweggleichrichter, so dass alle Ausgangsspannungen gleichzeitig (während derselben Halbperioden der Wechselspannung) erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Resonanzwandler wird daher sekundärseitig als Eintaktwandler betrieben und nicht wie der Resonanzwandler nach
US 6829151 B2 im Gegentakt. Bei Letzterem findet die Energieübertragung in die beiden Sekundärwicklungen nämlich abwechselnd statt, was eine Regelung der Ausgangsspannungen über Pulsweitenmodulation erfordert, da eine unterschiedliche Belastung der Einzelspannungen zu einer Lastabhängigkeit der Einzelspannungen führen würde, falls unterschiedliche Einzelspannungen erzeugt werden. Demgegenüber ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung aller Ausgangsspannungen beim erfindungsgemäßen Resonanzwandler eine Regelung aller Ausgangsspannungen mit geringer Lastabhängigkeit allein durch eine Frequenzmodulation der Primärspannung, d. h. ohne eine aufwändigere Pulsweitenmodulation. Dies vereinfacht die Regelung der Ausgangsspannungen vorteilhaft und vereinfacht und verbilligt gleichzeitig die Bauweise des Resonanzwandlers gegenüber dem Stand der Technik nach
US 6829151 B2 , da keine aufwändigen und teuren Ansteuerschaltkreise zur Pulsweitenmodulation benötigt werden und gleichzeitig einfache herkömmliche Einweggleichrichter verwendet werden können.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Resonanzwandlers sieht vor, dass das Schwingkreisglied einen Schwingkreiskondensator, eine Seriendrossel und eine Paralleldrossel aufweist, die zueinander in Reihe geschaltet sind, und dass eine Primärwicklung des Transformators parallel zu der Paralleldrossel und in Reihe mit dem Schwingkreiskondensator und der Seriendrossel geschaltet ist.
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Somit wird die Primärwicklung des Transformators an die Paralleldrossel gekoppelt und die Paralleldrossel liefert die primärseitige Hauptinduktivität des Transformators. Dadurch können die bekannten Vorteile resonanter Schaltungskonzepte realisiert werden, nämlich eine Verlustleistungsreduzierung und eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Schaltnetzteilen.
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Ferner weist der Inverter des Resonanzwandlers vorzugsweise zwei Transistoren, besonders bevorzugt zwei Feldeffekttransistoren, auf, von denen einer parallel zu dem Schwingkreisglied geschaltet ist.
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Zusammen mit der vorher beschriebenen Ausbildung des Schwingkreisgliedes ist der Inverter somit wie ein so genannter LLC-Resonanzwandler ausgebildet, dessen wesentlicher Vorteil darin besteht, eine Schaltentlastung mittels Nullspannungsschaltens der Transistoren von maximaler Leistung bis zu minimaler Leistung (Leerlauf) zu ermöglichen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Resonanzwandlers sieht vor, dass parallel zu wenigstens einem der Transistoren ein erster Kondensator geschaltet ist.
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Durch die ersten Kondensatoren können vorteilhaft mangelnde Kapazitäten der Transistoren kompensiert werden.
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Des Weiteren ist vorzugsweise in wenigstens einem Einweggleichrichter ein zweiter Kondensator in Reihe zu der Sekundärwicklung und der Gleichrichterdiode und parallel zu einem Ausgangsspannungsabgriff geschaltet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannungen eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers werden die Ausgangsspannungen durch eine Frequenzmodulation oder durch eine Kombination von Pulsweitenmodulation und Frequenzmodulation der primären Wechselspannung geregelt.
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Dies vereinfacht die Regelung der Ausgangsspannungen gegenüber dem Stand der Technik nach
US 6829151 B2 mit den oben bereits genannten Vorteilen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers,
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2 Spannungs- und Stromverläufe an verschiedenen Bauelementen des Resonanzwandlers gemäß 1,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers, und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers 1 mit einem Inverter 2, einem Einweggleichrichter 3 und einem Transformator 4, der den Inverter 2 und den Einweggleichrichter 3 koppelt. Der Resonanzwandler 1 dient der Umwandlung einer an seinem Eingang anliegenden Eingangsgleichspannung UE in eine Ausgangsspannung UA.
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Der Inverter 2 umfasst zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren 6, 7, die beispielsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, ein Schwingkreisglied 5, das parallel zu einem der Feldeffekttransistoren 6, 7 geschaltet ist, sowie zwei erste Kondensatoren 8, 9, die jeweils parallel zu einem der Feldeffekttransistoren 6, 7 geschaltet sind.
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Das Schwingkreisglied 5 ist als ein Reihenschwingkreis ausgebildet, bei dem ein Schwingkreiskondensator 10, eine Seriendrossel 11 und eine Paralleldrossel 12 in Reihe geschaltet sind und die Paralleldrossel 12 parallel zu einer Primärwicklung 13 des Transformators 4 geschaltet ist.
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Der Einweggleichrichter 3 weist eine Sekundärwicklung 14 des Transformators 4, eine Gieichrichterdiode 15 und einen zweiten Kondensator 16 auf, die in Reihe geschaltet sind. Parallel zu dem zweiten Kondensator 16 ist ein Verbraucher 17 geschaltet, an dem die Ausgangsspannung UA anliegt.
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2 verdeutlicht die Funktionsweise des in 1 dargestellten Resonanzwandlers 1 diagrammatisch durch zeitliche Spannungs- und Stromverläufe an verschiedenen Bauelementen dieses Resonanzwandlers 1, wobei U die jeweilige Spannung, I den jeweiligen Strom und t die Zeit bezeichnen.
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Das erste (oberste) Diagramm der 2 zeigt die zeitlichen Verläufe von Steuerspannungen 18, 19, mit denen die Feldeffekttransistoren 6, 7 angesteuert werden.
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Die Steuerspannungen 18, 19 sind jeweils Rechteckspannungen, die periodisch und abwechselnd an die beiden Feldeffekttransistoren 6, 7 angelegt werden, so dass niemals beide Feldeffekttransistoren 6, 7 gleichzeitig angesteuert werden. Mit anderen Worten ist eine erste Steuerspannung 18, mit der ein erster Feldeffekttransistor 6 angesteuert wird, nur dann von Null verschieden, wenn die zweite Steuerspannungen 19, mit der der zweite Feldeffekttransistor 7 angesteuert wird, Null ist und umgekehrt.
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Dadurch wird an dem gemeinsamen Anschluss der Feldeffekttransistoren 6, 7 und somit an dem linken Anschluss des Schwingkreiskondensators 10 eine in dem zweiten Diagramm der 2 gezeigte periodische Rechteckspannung 20 erzeugt, die während einer ersten Halbperiode Null ist und während der zweiten Halbperiode von Null verschieden ist.
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Die Periode dieser Rechteckspannung 20 und die Resonanzfrequenz des Schwingkreisgliedes 5 sind aufeinander abgestimmt. In dem Schwingkreisglied 5 werden durch die Rechteckspannung 20 eine erster Wechselstrom 21 in der Seriendrossel 11 und ein zweiter Wechselstrom 22 in der Paralleldrossel 12 erzeugt, die in dem dritten Diagramm der 2 dargestellt sind.
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In der Sekundärwicklung 14 des Transformators 4 wird eine Sekundärspannung induziert, die durch die Primärspannung an der Primärwicklung 13 und das Verhältnis der Windungszahlen der Primärwicklung 13 und der Sekundärwicklung 14 bestimmt ist. Daraus resultiert ein im vierten (untersten) Diagramm der 2 dargestellter periodischer Diodenstrom 23 durch die Gleichrichterdiode 15, der nur in jeweils einer Halbperiode der Rechteckspannung 20 von Null verschieden ist. Entsprechend ist die Ausgangsspannung UA nur während dieser Halbperioden von Null verschieden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzwandlers 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Inverter 2 über den Transformator 4 an zwei Einweggleichrichter 3.1, 3.2 gekoppelt ist, die jeweils eine Sekundärwicklung 14.1, 14.2, eine Gleichrichterdiode 15.1, 15.2 und einen zweiten Kondensator 16.1, 16.2 aufweisen.
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Von den Einweggleichrichtern 3.1, 3.2 wird jeweils eine Ausgangsspannung UA1, UA2 erzeugt. Die Sekundärwicklungen 14.1, 14.2 und Gleichrichterdioden 15.1, 15.2 sind jeweils derart verschaltet, dass die Ausgangsspannungen UA1, UA2 während derselben Halbperioden der Rechteckspannung 20 (bzw. der Wechselspannungen 21, 22) von Null verschieden sind, d. h. die Einweggleichrichter 3.1, 3.2 werden als Eintaktgleichrichter verwendet.
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Das Verhältnis der Ausgangsspannungen UA1, UA2 wird durch das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen 14.1, 14.2 bestimmt.
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Erfindungsgemäß werden die Ausgangsspannungen UA1, UA2 ausschließlich durch eine Frequenzmodulation der Wechselspannungen 21, 22 (über eine Frequenzmodulation der Steuerspannungen 18, 19) geregelt. Dabei braucht vorteilhaft nur eine der Ausgangsspannungen UA1, UA2 geregelt werden. Die Regelung der zweiten Ausgangsspannung UA1, UA2 ergibt sich automatisch durch das Windungszahlverhältnis der Sekundärwicklungen 14.1, 14.2.
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Das zweite Ausführungsbeispiel kann, wie in 4 gezeigt, entsprechend durch zusätzliche Einweggleichrichter 3.3 auf die Erzeugung weiterer Ausgangsspannungen UA3 erweitert werden, wobei weiterhin nur eine der Ausgangsspannungen UA1 bis UA3 aktiv geregelt werden braucht, obwohl das Verhältnis aller Ausgangsspannungen UA1 bis UA3 durch das Wicklungsverhältnis bestimmt ist. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei Ausgangsspannungen UA1 bis UA3.
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Alle beschriebenen Ausführungsbeispiele können ferner dahingehend modifiziert werden, dass auf einen der ersten Kondensatoren 8, 9 oder auf beide erste Kondensatoren 8, 9 verzichtet werden kann, sofern die Feldeffekttransistoren 6, 7 bereits ausreichende Ausgangskapazitäten aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich können ferner die Seriendrossel 11 und die Paralleldrossel 12 auch in den Transformator 4 integriert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6829151 B2 [0003, 0009, 0009, 0009, 0018]
