DE102011100644A1

DE102011100644A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102011100644A1
Application number: DE102011100644A
Authority: DE
Inventors: Mykhaylo Raykhman; Robert Weger; Jörg Oehmen; Manfred Schlenk
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US20120281435A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Gleichspannungswandler (1) mit einer resonanten Halbbrückenschaltung (2) und einem Transformator (TX1), der auf einem Transformatorkern (4) eine Primärwicklung (P1) und eine Sekundärwicklung (S1, S2) aufweist. Der Spannungswandler (1) weist eine Sekundärschaltung (3) auf, die der Sekundärwicklung (S1, S2) zugeordnet ist und einen Schalter (Q3, Q4), der in Reihe zur Sekundärwicklung (S1, S2) geschaltet ist, und einen Glättungskondensator (C0, C01) aufweist. Der Schalter (Q3, Q4) wird als Synchrongleichrichter betrieben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichspannungswandler, die zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung eingesetzt werden. Im Stand der Technik sind viele verschiedene Schaltungstopologien für solche Gleichspannungswandler bekannt, beispielsweise Sperrwandler oder andere Schaltregler.
Bei einem Sperrwandler wird die Gleichspannung zunächst in eine hochfrequente Wechselspannung umgesetzt, die dann wieder in eine Gleichspannung gewandelt wird. Dabei ist eine Erhöhung oder eine Verringerung des Spannungswertes möglich. Zur Erzeugung der Wechselspannung hat der Sperrwandler mindestens einen Schalter, mit dem aus der Eingangs-Gleichspannung zunächst eine Rechteck-Wechselspannung erzeugt werden kann.
Beim Schalten entstehen jedoch hohe Verluste an diesem primärseitigen Schalter, da immer im Strommaximum geschaltet wird und somit hohe Spannungsspitzen auftreten. Die Schalter, in der Regel Halbleiterschalter, müssen daher für wesentlich höhere Spannungen ausgelegt sein, als die Eingangsspannung beträgt. Insbesondere beim Sperrwandler müssen die Schalter schaltungsbedingt für eine deutlich höhere Spannung ausgelegt werden. Die Schaltung wird dadurch teuer und aufwändig.
Aus der US 2010/0259241 A1 ist ein Halbbrücken-Gleichspannungswandler bekannt, bei dem geringere Verluste beim Schalten auftreten. Ein Ausführungsbeispiel (die dortige 36a) der genannten Druckschrift ist in 1 gezeigt. Der gezeigte Gleichspannungswandler weist einen Transformator TX1 mit einem Transformatorkern TK zur galvanischen Trennung der Primär- und der Sekundärseite auf. Auf der Primärseite ist ein Reihenschwingkreis aus der Primärwicklung Np, einer Induktivität Lr und einer Kapazität C1 angeordnet, der über einen zweiten Schalter Q2 geschlossen werden kann. Über einen ersten Schalter Q1 ist der Primärkreis mit der Eingangsspannung Vg verbindbar. Die Sekundärschaltung auf der Sekundärseite weist eine Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung Ns, einer Kapazität C2 und einer Induktivität L auf, wobei die Induktivität L ebenfalls auf dem Transformatorkern TK angeordnet ist. Parallel zur Sekundärwicklung Ns ist zwischen Kondensator C2 und Induktivität L eine Gleichrichterdiode CR angeordnet. Am Ausgang ist weiterhin ein Glättungskondensator C0 angeordnet. Diese Anordnung ist jedoch teuer, da eine zusätzliche Induktivität L aufwändig in den Transformator integriert oder als zusätzliches Element realisiert werden muss. Durch die Anzahl der Bauteile ist zudem der Wirkungsgrad reduziert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und dennoch einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad hat.
Diese Aufgabe wird durch einen Spannungswandler gelöst, bei dem die Sekundärschaltung auf der Sekundärseite lediglich einen dritten Schalter, der in Reihe zur Sekundärwicklung geschaltet ist, und einen Glättungskondensator aufweist. Dadurch entfallen eine Transformatorwicklung und ein Kondensator. Somit werden die Kosten gesenkt und der Wirkungsgrad erhöht.
Die Schalter werden vorzugsweise im Nullpunkt des Stromes geschaltet, so dass keine wesentlichen Schaltverluste entstehen. Der Transformator benötigt nur eine einzige Primär- und eine Sekundärwicklung und ist daher sehr einfach und kastengünstig herstellbar. Insgesamt ist die Anzahl an Bauteilen sehr gering, weshalb der Wirkungsgrad höher ist, als beim Stand der Technik. Im Betrieb sind der zweite und der dritte Schalter immer gleichzeitig und abwechselnd zum ersten Schalter geschaltet, da der dritte Schalter auf der Sekundärseite als Synchrongleichrichter dient.
Durch das Nullpunktschalten werden zudem die Spannungsanforderung und die Spannungsbelastung der Schalter reduziert.
Die Ausgangsspannung kann bei dieser Anordnung durch das Tastverhältnis der Einschaltzeiten des ersten zum zweiten Schalter gesteuert werden. Durch kürzere Einschaltzeiten des ersten Schalters wird auch die Ausgangsspannung verringert.
Die Induktivität des Reihenschwingkreises kann eine einfache Spule mit oder ohne Spulenkern sein. Vorzugsweise ist die Induktivität des Reihenschwingkreises als Streuinduktivität des Transformators realisiert. Dadurch reduziert sich die Anzahl an magnetischen Bauteilen weiter, so dass der Wirkungsgrad steigt und die Schaltung kostengünstiger realisierbar ist.
Je nach Bedarf kann der Transformator mehrere Sekundärschaltungen mit jeweils einer zugeordneten Sekundärwicklung aufweisen. Durch unterschiedliche Wicklungszahlen der Sekundärwicklungen können so mehrere unterschiedliche Ausgangsspannungen realisiert werden.
Als Schalter eigenen sich prinzipiell alle elektrisch steuerbaren Schalter. Vorzugsweise sind die Schalter durch N-Kanal Mosfet-Schalter realisiert. Durch die darin enthaltene Body-Diode wird sichergestellt, dass verlustfreies Nullspannungsschalten möglich ist, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei anderen Schaltern müssten entsprechende Dioden separat vorgesehen werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Spannungswandler gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers und
3 die Schaltung der 2 mit mehreren Ausgangsspannungen.
Die 2 zeigt nun einen im Ganzen mit 1 bezeichneten erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler mit einem Transformator TX1 mit einer Primärwicklung P1 und einer Sekundärwicklung S1 auf einem Transformatorkern 4.
Auf der Primärseite 2 ist ein Reihenschwingkreis aus einer Kapazität Cr, einer Induktivität Lr und der Primärwicklung P1 durch einen zweiten Schalter Q2 schließbar. Über einen ersten Schalter Q1 ist die Primärwicklung P1 mit der Eingangsspannung Vg verbindbar. Die Schalter sind vorzugsweise durch n-Kanal Mosfets realisiert. Die Induktivität Lr ist vorzugsweise als Streuinduktivität des Transformators TX1 realisiert, so dass kein zusätzliches magnetisches Bauteil erforderlich ist. Es kann jedoch auch eine separate Spule eingesetzt werden.
Im Betrieb werden der erste Schalter Q1 und der zweite Schalter Q2 immer exakt abwechselnd geschaltet. Durch Einschalten des ersten Schalters Q1 wird Energie in den Schwingkreis eingespeist. Der Schalter wird beispielsweise mit einer Frequenz von 80 kHz betrieben. Das Schalten erfolgt dabei vorzugsweise im Nulldurchgang des Stromes im Schwingkreis, damit möglichst geringe Schaltverluste auftreten. Es entstehen dadurch auch keine Spannungsspitzen, weshalb die Schalter maximal mit der Eingangsspannung belastet werden.
Entscheidend für die Höhe der Ausgangsspannung V des Spannungswandlers 1 ist zum Einen das Wicklungsverhältnis zwischen Primärwicklung P1 zur Sekundärwicklung S1. Im Beispiel weist die Primärwicklung 110 Windungen und die Sekundärwicklung 5 Windungen auf. Andererseits ist durch Verändern der Einschaltzeit des ersten Schalters Q1 eine Variation der Ausgangsspannung V möglich. Je kürzer die Einschaltzeit ist, desto geringer ist die Ausgangsspannung V. Im Beispiel beträgt die Eingangsspannung Vg = 400 VDC und die Ausgangsspannung V = 13 VDC.
Auf der Sekundärseite des Transformators TX1 ist eine Sekundärschaltung 3 angeordnet, die der Sekundärwicklung S1 zugeordnet ist. Die Sekundärschaltung 3 weist nur einen dritten Schalter Q3, der in Reihe zur Sekundärwicklung S1 geschaltet ist, und einen Glättungskondensator C0 auf. Der dritte Schalter Q3 wird immer exakt synchron zum zweiten Schalter Q2 geschaltet und dient als Synchrongleichrichter.
Insgesamt hat die erfindungsgemäße Schaltung außer dem Transformator TX1 kein weiteres magnetisches Bauteil, weshalb die magnetischen Verluste gegenüber dem Stand der Technik geringer sind. Durch die geringe Gesamtanzahl an Bauelementen ist die Schaltung zudem kostengünstiger.
Die 3 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers der 2 zur Bereitstellung von zwei oder mehreren unterschiedlichen Ausgangsspannungen. Dazu weist der Transformator TX1 des Spannungswandlers 1 mehrere Sekundärwicklungen S1, S2 auf, denen jeweils eine identische Sekundärschaltung 3, mit jeweils einem dritten Schalter Q3, Q4 und einem Glättungskondensator C0, C01 zugeordnet ist.
Im Beispiel weist die Schaltung zwei Sekundärwicklungen S1 und S2 auf, die unterschiedliche Wicklungszahlen aufweisen können, so dass unterschiedliche Ausgangsspannungen V1 und V2 entstehen. Dementsprechend sind zwei separate Sekundärschaltungen 3 vorhanden, die jeweils einer Sekundärwicklung S1, S2 zugeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Gleichspannungswandlerschaltung
2: Primärseite
3: Sekundärschaltung
4: Transformatorkern
Vg: Eingangs-Gleichspannung
Q1: erster Schalter
Q2: zweiter Schalter
Q3, Q4: dritter Schalter
Cr; C1: Kapazität Reihenschwingkreis
Lr: Induktivität Reihenschwingkreis
TX1: Transformator
TK: Transformatorkern
Np; P1: Primärwicklung
Ns; S1, S2: Sekundärwicklung
C2: Kapazität Sekundärseite
CR: Gleichrichterdiode Sekundärseite
L: Spule Sekundärseite
C0, C01: Glättungskondensator
V, V1, V2: Ausgangsspannung
R: Last

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0259241 A1 [0004]

Claims

Gleichspannungswandler (1) mit einem Transformator (TX1), der eine Primärseite (2) und eine Sekundärseite aufweist, wobei auf der Primärseite (2) ein über einen zweiten Schalter (Q2) schließbarer Reihenschwingkreis, bestehend aus der Primärwicklung (P1) des Transformators (TX1), einer Kapazität (Cr) und einer Induktivität (Lr) gebildet ist und die Primärwicklung (P1) über einen ersten Schalter (Q1) mit der Eingangsspannung (Vg) verbindbar ist, und wobei auf der Sekundärseite mindestens eine Sekundärwicklung (S1; S2) angeordnet ist, der jeweils eine Sekundärschaltung (3) mit einem Gleichrichter (Q3, Q4) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschaltung (3) einen dritten Schalter (Q3, Q4) als Synchrongleichrichter, der in Reihe zur Sekundärwicklung (S1; S2) geschaltet ist, und einen Glättungskondensator (C0, C01) aufweist und dass der zweite Schalter (Q2) und der dritte Schalter (Q3, Q4) immer gleichzeitig und abwechselnd zum ersten Schalter (Q1) geschaltet werden.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (Lr) des Reihenschwingkreises als Streuinduktivität des Transformators (TX1) realisiert ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (TX1) mehrere Sekundärschaltungen (3) mit jeweils einer Sekundärwicklung (S1, S2) aufweist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Q1, Q2, Q3, Q4) durch N-Kanal Mosfet-Schalter realisiert sind.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Q1, Q2, Q3, Q4) im Nulldurchgang des Stromes im Reihenschwingkreis der Primärseite (2) geschaltet werden.