DE102011120805A1 - Abwärtswandler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Abwärtswandler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (Vin) in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung (Vout). Der Abwärtswandler weist auf der Primärseite (2) einen LC-Serienresonanzkreis (4) auf, der über einen ersten Schalter (S1) mit der Eingangsspannung (Vin) und über einen zweiten Schalter (S2) mit Masse verbindbar ist. Auf der Sekundärseite (3) sind ein Ausgangsschalter (S3) und ein Ausgangskondensator (C) jeweils parallel zum Gleichspannungsausgang (Vout) geschaltet und durch eine Induktivität (L) miteinander verbunden. Der Ausgangsschalter (S3) ist über eine Diode (Dr) mit der Eingangsspannung (Vin) verbunden, um Spannungsüberschwinger abzuleiten.

Description

  • Die Erfindung beschreibt einen Spannungswandler, insbesondere einen Abwärtswandler, zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung.
  • Ein solcher Abwärtswandler, auch Tiefsetzsteller oder Buck converter genannt, gemäß dem Stand der Technik ist beispielhaft in der 1 gezeigt. Der Abwärtswandler hat eine Primärseite 2 mit einem Gleichspannungsausgang Vin und eine Sekundärseite 3 mit einem Gleichspannungsausgang Vout. Auf der Primärseite 2 ist ein LC-Serienresonanzkreis 4 aus einer Spule Lr und einem Kondensator Cr angeordnet, der über einen ersten Schalter S1 mit der Eingangsspannung Vin und über einen zweiten Schalter S2 mit Masse verbindbar ist. Auf der Sekundärseite 3 sind ein Ausgangsschalter S3 und ein Ausgangskondensator C jeweils parallel zum Gleichspannungsausgang Vout geschaltet und durch eine Induktivität L miteinander verbunden. Die Schalter sind vorzugsweise jeweils durch Feldeffekttransistoren gebildet.
  • Nicht gezeigt ist eine Steuereinheit, beispielsweise ein Mikrocontroller, die die einzelnen Schalter ansteuert.
  • Der Resonanzkreis ermöglicht es die Verluste, die beim Einschalten von S1 beim klassischen Abwärtswandler im nichtlückenden Betrieb auftreten, wegen des Entladens der parasitären Drain-Source Kapazität von S1, zu vermeiden. Zur Erläuterung der Funktion des Nullspannungsschaltens ist zunächst S1 = AN und S2, S3 = AUS. Dann steigt der Strom durch die Drosseln an, wobei Cr genügend groß ist, so dass sich dessen Spannung im Vergleich mit der Eingangsspannung nur wenig ändert. Wird S1 ausgeschaltet fließt der Strom aus der Energie der Drosseln gespeist weiter und lädt die parasitären Kapazitäten von S1 und S2 um, bis schließlich die Body-Diode von S2 leitet und S2 verlustlos eingeschaltet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist auch die Spannung an S3 nahe Null, weil Lr << L, so dass gleichzeitig auch S3 quasiverlustlos eingeschaltet werden kann. L speist nun seine Restenergie in C, während Lr den Kondensator Cr lädt. Sobald nun die Energie in Lr verbraucht ist, ändert der Strom in Lr seine Richtung und steigt nach einer Sinusfunktion an. Die Zeit bis zum Erreichen des Strommaximums ist nur durch die Werte von Lr und Cr bestimmt. Sobald der Strom in der Nähe des Maximums ist, wird S2 ausgeschaltet und die magnetische Energie in Lr lädt die parasitären Kapazitäten von S1 und S2 wieder um, sodass S1 verlustlos eingeschaltet werden kann. Gleichzeitig mit dem Einschalten von S1 muss S3 geöffnet werden (1b). Die genauere Analyse zeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn S3 erst etwas später ausgeschaltet wird, um ein Öffnen der Body-Diode von S3 zu vermeiden. Eine kurze ON-Überlappung von S1 und S3 ist möglich, zumal Lr den Stromanstieg begrenzt. Typische Arbeitsfrequenzen liegen zwischen 50 kHz und 200 kHz. Die OFF-Zeit der Halbbrücke ist konstant und über das Tastverhältnis wird die Höhe der Ausgangsspannung eingestellt. Diese Schaltung kann auch mit galvanischer Trennung gemäß 2 aufgebaut werden. Dabei ist die Primärseite mir der Primärwicklung eines Transformators 5 mit einem Kern 6 verbunden. Auf der Sekundärseite ist zwischen der Sekundärwicklung 8 und dem Ausgangsschalter S3 ein zusätzlicher Kondensator Cr geschaltet. Bei der Schaltung in 3 wird zusätzlich zur galvanischen Trennung die sogenannte Ripple-Steering-Technik angewandt, bei der die Drossel L auf dem Kern des Transformators angeordnet ist.
  • Weitere Ausführungen von Abwärtswandlern sind beispielsweise aus der WO 2009/158230 A1 bekannt.
  • Die Erfinder haben nun durch aufwändige Untersuchungen an der Schaltung gemäß der 1a herausgefunden, dass beim Einschalten des Schalters S1 am Schalter S3 starke Spannungsüberschwinger auftreten. Diese Oszillationen entstehen dadurch, dass die parasitäre Kapazität des Schalters S3 mit Lr und Cr einen Serienresonanzkreis mit sehr hoher Eigenfrequenz bilden. Die Spannung an S3 schwingt dadurch auf die doppelte Eingangsspannung hoch. Diese Spannungsüberschwinger gefährden den Schalter S3, der durch die hohe Spannung beschädigt werden kann. Darüber hinaus verursachen die Spannungsschwingungen unerwünschte EMV-Emissionen und reduzieren den Wirkungsgrad des Spannungswandlers.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Abwärtswandler zu schaffen, bei dem keine solchen Überschwinger auftreten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ausgangsschalter über eine Diode mit einem anderen Schaltungsteil, insbesondere dem Gleichspannungseingang oder dem Gleichspannungsausgang, verbunden wird. Dadurch wird die auftretende überschüssige Spannung der Spannungsüberschwinger in ein anderes Bauteil der Schaltung abgeleitet. Die Spannungsbelastung des Schalters S3 reduziert sich dadurch auf die einfache Eingangsspannung. Ebenso wird die Schwingung des parasitären Resonanzkreises verhindert, so dass keine zusätzlichen EMV-Emissionen entstehen und der Wirkungsgrad des Spannungswandlers nicht verringert wird.
  • Die Primärseite und die Sekundärseite können unmittelbar miteinander verbunden sein, wobei der LC-Serienresonanzkreis, der Ausgangsschalter und die Induktivität einen gemeinsamen Knoten bilden. Zusätzlich können die Primärseite und die Sekundärseite durch einen Transformator galvanisch getrennt sein, wobei der LC-Serienresonanzkreis unmittelbar mit der Primärwicklung verbunden ist. Auf der Sekundärseite ist der Ausgangsschalter durch einen Kondensator mit der Sekundärwicklung verbunden.
  • In einer ersten Ausführung der Erfindung wird die überschüssige Energie in den Kondensator des LC-Serienresonanzkreis eingespeist. Dazu ist vorzugsweise die Anode der Diode mit dem Ausgangsschalter oder der Primärwicklung des Transformators und die Kathode der Diode mit dem Gleichspannungseingang verbunden.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung mit galvanischer Trennung wird die überschüssige Energie in die Eingangsspannungsquelle gespeist. Dazu weist der Transformator eine zweite Primärwicklung aufweist, wobei ein Anschluss über einen Kondensator mit Masse verbunden ist und der andere Anschluss über jeweils eine Diode in Sperrrichtung mit dem Gleichspannungseingang und mit Masse verbunden ist.
  • Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die überschüssige Energie in den Ausgangskondensator gespeist wird. Dazu ist die Anode der Diode mit der Sekundärwicklung des Transformators und die Kathode der Diode mit dem Ausgangskondensator verbunden.
  • Zusätzlich kann es zweckmäßig sein, wenn kathodenseitig zur Diode ein zusätzliches RC-Netzwerk aus einer Parallelschaltung mindestens eines Widerstand und mindestens einer Kapazität in Reihe geschaltet ist.
  • Bei allen galvanisch getrennten Ausführungen der Erfindung kann die sekundärseitige Induktivität auch auf dem Kern des Transformators angeordnet sein.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1a einen Abwärtswandler gemäß dem Stand der Technik mit zwei Schaltern auf der Primärseite und einem Schalter auf der Sekundärseite,
  • 1b den zeitlichen Schaltablauf der drei Schalter,
  • 2 den Abwärtswandler der 1 mit einer galvanischen Trennung gemäß dem Stand der Technik,
  • 3 den Abwärtswandler der 2 unter Anwendung einer sogenannten Ripple-Steering-Technik gemäß dem Stand der Technik,
  • 4 den Abwärtswandler der 1 mit einem erfindungsgemäßen Strompfad vom Ausgangsschalter über eine Diode zum Ableiten überschüssiger Energie in den Kondensator des LC-Serienresonanzkreises.
  • 5 den Abwärtswandler der 4 mit vertauschter Resonanzinduktivität und Resonanzkapazität.
  • 6 den Abwärtswandler der 4 mit einer galvanischen Trennung,
  • 7 den Abwärtswandler der 6 mit ripple steering,
  • 8 einen erfindungsgemäßen Abwärtswandler mit einer Energierückspeisung in die Eingangsquelle,
  • 9 den Abwärtswandler der 8 bei dem die Resonanzinduktivität durch die Streuinduktivität des Transformators gebildet ist,
  • 10 den Abwärtswandler der 10 mit ripple steering,
  • 11 einen erfindungsgemäßen Abwärtswandler mit galvanischer Trennung und mit einer Energierückspeisung in den Ausgangskondensator,
  • 12 den Abwärtswandler der 11 mit ripple steering
  • 13 den Abwärtswandler der 11 mit einem zusätzlichen R-C-Netzwerk in der Rückspeisung und
  • 14 den Abwärtswandler der 13 mit ripple steering.
  • Die 4 zeigt eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1, die im Wesentlichen der Schaltung der 1a entspricht. Bei dieser Ausführung wird die überschüssige Energie in den Kondensator Cr des LC-Resonanzkreises 4 abgeleitet. Dazu ist die Anode einer Diode Dr mit dem Ausgangsschalter S3 und die Kathode der Diode Dr mit der Eingangsgleichspannung vor dem Schalter S1 verbunden. Da die Spannungsüberschwinger an S3 nur beim Einschalten von S1 entstehen, ist die Diode durch diese Anordnung auch nur dann mit dem LC-Resonanzkreis verbunden, so dass in der Freilaufphase keine Beeinträchtigung durch die Diode Dr erfolgt.
  • In der gezeigten Ausführung ist im LC-Resonanzkreis der Kondensator Cr zuerst angeordnet und danach die Induktivität Lr. Die Schaltung funktioniert ohne Einschränkung auch wenn der Kondensator Cr und die Spule Lr vertauscht angeordnet sind, wie in 5 dargestellt.
  • Die erfindungsgemäße Ableitung der Spannungsspitzen ist auch bei einem Spannungswandler mit galvanischer Trennung gemäß 2 möglich. Ein solcher Spannungswandler 1 ist in 6 gezeigt. Hier ist die Anode der Diode Dr unmittelbar mit der Primärwicklung 7 des Transformators 5 verbunden. Die Kathode ist wie in 4 mit der Eingangsspannung Vin verbunden.
  • Die 7 zeigt die Schaltung der 6 mit der sogenannten Ripple-Steering-Technik, bei der die Spule L auf dem Kern 6 des Transformators 5 angeordnet ist.
  • Wie in 8 gezeigt, ist es auch möglich, die überschüssige Energie in die Eingangsspannungsquelle, oder genauer in einen praktisch immer vorhandenen Ausgangskondensator der Spannungsquelle, abzuleiten. Dazu weist der Transformator 5 eine zweite Primärwicklung 9 auf. Der LC-Resonanzkreis ist wie bei der Schaltung gemäß 6 mit der ersten Primärwicklung 7 verbunden. Die zweite Primärwicklung 9 ist einerseits über einen Kondensator Cx mit Masse verbunden. Der andere Pol der zweiten Primärwicklung 9 ist jeweils über eine Diode Dr in Sperrrichtung mit der Eingangsspannung vor dem Schalter S1 und mit Masse verbunden.
  • Auch hier können die Spule Lr und der Kondensator Cr vertauscht angeordnet sein, wie in 9 dargestellt.
  • Weiterhin kann die Spule L auf dem Kern 6 angeordnet sein, wie in 10 gezeigt.
  • In 11 ist ein Spannungswandler mit galvanischer Trennung wie in 2 gezeigt, bei der die überschüssige Spannung an den Ausgangskondensator C abgeleitet wird. Dazu ist die Anode einer Diode Dr unmittelbar mit der Sekundärwicklung und die Kathode mit dem Ausgangskondensator C verbunden. Die 12 zeigt den gleichen Spannungswandler 1 mit ripple steering. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Induktivität Lr durch die Streuinduktivität des Transformators 5 gebildet ist, so dass die Diode Dr nicht auf der Eingangsseite des Spannungswandlers 1 angebracht werden kann, wie es z. B. in einem integrierten Magnetbauteil (integrated magnetics) der Fall sein kann.
  • Die in 13 gezeigte Ausführung entspricht im Wesentlichen der 11, wobei hier zusätzlich zur Diode ein RC-Netzwerk in Reihe geschaltet ist, das durch eine Parallelschaltung aus mindestens einem Widerstand Rs und mindestens einem Kondensator Cr gebildet ist.
  • Auch diese Ausführung ist mit ripple steering kombinierbar, wie in 14 gezeigt ist.
  • Es gilt zu beachten, dass eine Lösung mit der Diode Dr in der Ausgangsseite des Spannungswandlers 1 nur dann sinnvoll ist, wenn die relative Einschaltdauer des Schalters S1 größer als die des Schalters S2 ist. Wird dieses Verhältnis unterschritten, so kann z. B. das in den 13 und 14 gezeigte RC-Netzwerk zum Tragen kommen, wobei der Widerstand Rs als Strombegrenzer für niedrige Frequenzen wirkt, während der Kondensator Cr einen niederimpedanten Strompfad für hohe Frequenzen zur Verfügung stellt.
  • Bei allen Ausführungen ist es möglich, dass die Spule Lr und der Kondensator Cr des LC-Serienresonanzkreises vertauscht angeordnet sind, auch wenn dies nicht in jedem Fall explizit gezeigt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • Vin
    Gleichspannungseingang
    Vout
    Gleichspannungsausgang
    S1, S2
    Schalter Primärseite
    S3
    Ausgangsschalter
    Cr
    Kondensator
    Lr
    Induktivität
    L
    Spule (Sekundärseite)
    C
    Ausgangskondensator
    R
    Ausgangslast
    Rs
    Widerstand RC-Netzwerk
    Dr
    Diode
    Cx
    Kondensator
    1
    Spannungswandler
    2
    Primärseite
    3
    Sekundärseite
    4
    LC-Serienresonanzkreis
    5
    Transformator
    6
    Transformatorkern
    7
    Primärwicklung
    8
    Sekundärwicklung
    9
    zweite Primärwicklung
    10
    RC-Netzwerk
  • 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
    • WO 2009/158230 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Spannungswandler, insbesondere Abwärtswandler, mit einer Primärseite (2) mit einem Gleichspannungseingang (Vin) und einer Sekundärseite (3) mit einem Gleichspannungsausgang (Vout), wobei auf der Primärseite (2) ein LC-Serienresonanzkreis (4) angeordnet ist, der über einen ersten Schalter (S1) mit der Eingangsspannung und über einen zweiten Schalter (S2) mit Masse verbindbar ist, und wobei auf der Sekundärseite (3) ein Ausgangsschalter (S3) und ein Ausgangskondensator (C) jeweils parallel zum Gleichspannungsausgang (Vout) geschaltet sind und durch eine Induktivität (L) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (1) eine Diode (Dr) aufweist, die den Ausgangsschalter (S3) mit einem anderen Bauteil der Schaltung verbindet, so dass die am Ausgangsschalter (S3) auftretende Spannungsüberschwinger an das andere Bauteil der Schaltung abgeleitet werden, wobei die Kathode der Diode (Dr) mit dem anderen Bauteil verbunden ist.
  2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (2) und die Sekundärseite (3) durch einen Transformator (5) galvanisch getrennt sind.
  3. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der LC-Serienresonanzkreis (4) unmittelbar mit der Primärwicklung (7) des Transformators (5) verbunden ist und dass auf der Sekundärseite der Ausgangsschalter (S3) durch einen Kondensator (Cr) mit der Sekundärwicklung (8) verbunden ist.
  4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die überschüssige Energie in den Kondensator (Cr) des LC-Serienresonanzkreises (4) eingespeist wird.
  5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Diode (Dr) mit dem Ausgangsschalter (S3) oder der Primärwicklung (7) des Transformators (5) und die Kathode der Diode (Dr) mit dem Gleichspannungseingang (Vin) verbunden ist.
  6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die überschüssige Energie in die Eingangsspannungsquelle (Vin) gespeist wird.
  7. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (5) eine zweite Primärwicklung (9) aufweist, wobei ein Anschluss über einen Kondensator (Cx) mit Masse verbunden ist und der andere Anschluss über jeweils eine Diode (Dr) in Sperrrichtung mit dem Gleichspannungseingang (Vin) und mit Masse verbunden ist.
  8. Spannungswandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die überschüssige Energie in den Ausgangskondensator (C) gespeist wird.
  9. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Diode (Dr) mit der Sekundärwicklung (8) des Transformators (5) und die Kathode der Diode (Dr) mit dem Ausgangskondensator (C) verbunden ist.
  10. Spannungswandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass kathodenseitig oder anodenseitig zur Diode (Dr) ein zusätzliches RC-Netzwerk (10) aus einer Parallelschaltung mindestens eines Widerstands (Rs) und mindestens einer Kapazität (Cr) in Reihe geschaltet ist.
  11. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L) auf dem Kern (6) des Transformators (5) angeordnet ist.
  12. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (Lr) des Serienresonanzkreises (4) durch die Streuinduktivität des Transformators (5) gebildet ist.
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