DE102012023425A1

DE102012023425A1 - Spannungswandler für Gleichstrom

Info

Publication number: DE102012023425A1
Application number: DE102012023425.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lukas
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-06-05
Also published as: WO2014083080A2; WO2014083080A3

Abstract

Ein Spannungswandler für Gleichstrom mit einer Schaltungsbrücke, umfassend einen ersten, zweiten, dritten und vierten Leistungsschalter, die jeweils einen Steueranschluss und jeweils eine zwischen zwei Leistungsanschlüssen verlaufende Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken des ersten und zweiten Leistungsschalters an einem ersten Schaltungsknoten verbunden und die Laststrecken des dritten und vierten Leistungsschalters an einem zweiten Schaltungsknoten verbunden und jeweils in Reihe zwischen den Klemmen für eine Versorgungsspannung geschaltet sind, und mit einem Transformator, dessen Primärwicklung mit den ersten und zweiten Schaltungsknoten verbunden ist, und dessen Sekundärwicklung eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist, ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leistungsschalter durch MOSFETs gebildet sind, und dass die dritten und vierten Leistungsschalter durch IGBTs gebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler für Gleichstrom mit einer Schaltungsbrücke, umfassend einen ersten, zweiten, dritten und vierten Leistungsschalter, die jeweils einen Steueranschluss und jeweils eine zwischen zwei Leistungsanschlüssen verlaufende Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken des ersten und zweiten Leistungsschalters an einem ersten Schaltungsknoten verbunden und die Laststrecken des dritten und vierten Leistungsschalters an einem zweiten Schaltungsknoten verbunden und jeweils in Reihe zwischen den Klemmen für eine Versorgungsspannung geschaltet sind, und mit einem Transformator, dessen Primärwicklung mit den ersten und zweiten Schaltungsknoten verbunden ist, und dessen Sekundärwicklung eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist.
Spannungswandler für Gleichstrom der hier angesprochenen Art werden auch als Vollbrückenwandler bezeichnet und dienen dazu, eine elektrische Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung umzuwandeln. Sie kommen z. B. bei Anwendungen im Bereich von Schweißgeräten zum Einsatz. Dabei wird eine netzseitige Eingangswechselspannung zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters in eine Gleichspannung umgewandelt, die mit Hilfe von Kondensatoren geglättet und dem Spannungswandler als Eingangsspannung zugeführt wird.
Das Arbeitsprinzip dieser Spannungswandler besteht darin, dass durch ein getaktetes Öffnen und Schließen elektronischer Leistungsschalter, der Ausgang des durch diese gebildeten Wechselrichters mit unterschiedlichen Potentialen verbunden und so eine Wechselspannung gewünschter Frequenz erzeugt wird. Durch den nachgeschalteten Transformator wird diese Wechselspannung auf den gewünschten Spannungswert transformiert und in einer Gleichrichteranordnung wieder gleichgerichtet.
Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Bauteilen, insbesondere in den elektronischen Leistungsschaltern auftreten. Dabei spielen in diesen Schaltern zwei relevante Verlustmechanismen eine Rolle, die durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, von denen im Folgenden nur die wichtigsten genannt werden.
Der erste Verlustmechanismus sind die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten. Diese nehmen ganz allgemein bei allen Leistungsschaltern proportional mit der verwendeten Schaltfrequenz zu. Der zweite wichtige Verlustmechanismus sind die Durchlassverluste, die im leitenden Zustand des Schalters auftreten. Diese sind proportional zu dem als Sättigungsspannung bezeichneten Spannungsabfall über dem Schalter im leitenden Zustand.
Da diese beiden Verlustmechanismen in unterschiedlichen Schaltungstopologien ein unterschiedliches Gewicht haben, bieten die Hersteller der zu diesen Zwecken eingesetzten Halbleiterschalter, wie z. B. MOSFETs oder IGBTs entsprechende Komponenten mit verschiedenen Eigenschaften an. So gibt es zum einen Schalter, die zur Erreichung geringer Schaltverluste optimiert sind und dafür eine etwas höhere Sättigungsspannung haben, zum anderen aber auch solche, die zur Erzielung einer geringen Sättigungsspannung optimiert sind und dafür etwas höhere Schaltverluste aufweisen.
Die DE 102 27 832 C1 zeigt einen Spannungswandler für Gleichstrom gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei dem dort gezeigten Vollbrückenwandler sind die vier zur Bildung der Schaltungsbrücke verwendeten Leistungsschalter alle als MOSFETs ausgeführt.
Der erfindungsgemäß ausgeführte Spannungswandler ermöglicht gegenüber diesem vorbekannten Stand der Technik eine deutliche Reduzierung der Oberwellenbelastung am Transformator sowie eine Reduzierung der Spannungsbelastung an dem diesem nachgeschalteten Gleichrichter. Weiterhin kann die im Stand der Technik am Ausgang des Gleichrichters erforderliche Speicherdrossel bei der erfindungsgemäßen Anordnung entfallen, so dass hier eine weitere Einsparung möglich ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die ersten und zweiten Leistungsschalter durch MOSFETs gebildet sind, und dass die dritten und vierten Leistungsschalter durch IGBTs gebildet sind.
Dabei ist es vorgesehen, dass die IGBTs im stromlosen Zustand oder bei nur geringem Reststrom geschaltet werden, während die MOSFETs in einem zunächst spannungslosen Zustand bei maximalem Stromfluss geschaltet werden.
Zur Begrenzung der Spannungsanstiegsrate der verwendeten MOSFETs ist es vorteilhaft möglich, eine parallel zu dem jeweiligen MOSFET geschaltete Kapazität zu verwenden, die die Ausgangskapazität des MOSFETs funktional ergänzt. Diese Kapazität kann durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1 Ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers
2 Ein Prinzipverlauf von Strom I und Spannung U beim Betrieb des erfindungsgemäßen Spannungswandlers
Der in 1 in einem Prinzipschaltbild dargestellte, erfindungsgemäße Spannungswandler wird an seiner Eingangsseite mit einer Eingangsgleichspannung U_ein versorgt. Eine Schaltungsbrücke als zentrales Element des Spannungswandlers umfasst vier Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4). Diese vier Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4) weisen jeweils einen Steueranschluss und jeweils eine zwischen zwei Leistungsanschlüssen verlaufende Laststrecke auf. Die ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) sind durch MOSFETs gebildet, deren Laststrecken an einem ersten Schaltungsknoten K1 verbunden und in Reihe zwischen den Klemmen für die Eingangsgleichspannung U_ein geschaltet sind. Parallel zu den einzelnen MOSFETs sind dabei jeweils Kapazitäten (C1, C2) geschaltet. Die dritten und vierten Leistungsschalter (S3, S4) sind durch IGBTs gebildet. Deren Laststrecken sind an einem zweiten Schaltungsknoten K2 verbunden und ebenfalls in Reihe zwischen den Klemmen für die Eingangsgleichspannung U_ein geschaltet.
Die ersten und zweiten Schaltungsknoten K1, K2 der Schaltungsbrücke sind mit der Primärwicklung PW eines Transformators TR verbunden, dessen Sekundärwicklung SW eine durch vier Dioden D1, D2, D3, D4 gebildete Brücken-Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist. Die am Ausgang dieser Gleichrichteranordnung anliegende Ausgangsgleichspannung U_aus wird durch einen Kondensator C3 geglättet.
Die Leistungsübertragung erfolgt über einen im Wesentlichen dreieckförmigen Betriebsstrom I(t) des Transformators TR bei einer in etwa rechteckförmigen Betriebsspannung U(t), wie aus dem Diagramm in 2 ersichtlich ist.
Typisch ist dabei der sogenannte Lückbetrieb des ein- und ausgangsseitigen Schaltungsteiles mit einer stromlosen Pulspause zwischen den Phasen unterschiedlicher Strompolarität in den Wicklungen des Transformators, oder der in 2 dargestellte, gesteuerte oder geregelte Grenzbetrieb mit nahtlos aufeinanderfolgenden, zeitlinear bis auf Null abklingenden, fallenden Ästen der Dreieckstromform I(t).
Durch den Lück- oder Grenzbetrieb und die dreieckartige Stromform ergeben sich Vorteile bei Verwendung von Silizium-PN-Sperrschichtdioden im ausgangsseitigen Gleichrichterteil der Wandlerschaltung.
Als Merkmal des Arbeitsprinzips ergibt die dreieckartige Stromform auf natürliche Weise den stromlosen Zustand während des Umschaltens der durch IGBTs gebildeten dritten und vierten Leistungsschalter (S3, S4), während die Ansteuerung der durch MOSFETs gebildeten ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) den Zeitpunkt des Dreieckstrom-Spitzenwertes definiert.
Die bei herkömmlichen Gegentakt-Vollbrückenwandlern im Ausgangsteil erforderliche Gleichstrom-Glättungsdrossel (Speicherdrossel) kann hier entfallen. Der dreieckförmige Wechselstrom wird nach der Gleichrichtung in der Brücken-Gleichrichteranordnung durch den Kondensator C3 rein kapazitiv geglättet. Eine verbleibende Restwelligkeit kann durch eine nach Bauteilwert und Baugröße klein zu bemessende, nachgeschaltete Filterstufe entfernt werden.
Die Erzeugung des dreieckförmigen Stroms erfolgt in der Schaltung, indem ein innerhalb des hochfrequenten Betriebszyklus konstanter Rest der rechteckförmigen Ausgangsspannung der Halbleitervollbrücke einen linear ansteigenden Stromfluss in der Schaltkreisinduktivität L hervorruft. Der Rest der rechteckförmigen Ausgangsspannung hat den Betrag der Differenz der Eingangsgleichspannung und der mit dem Windungszahlverhältnis des Transformators TR transformierten Ausgangsgleichspannung. Das Vorzeichen ändert sich zweimal innerhalb eines vollständigen Arbeitszyklus T. Nach Anstieg des Stromes auf den Dreieckspitzenwert in der Zeit t_a erfolgt während der Zeit t_b ein linearer Abfall auf Null, während an der Schaltkreisinduktivität L allein die transformierte Ausgangsspannung mit umgekehrter Polarität anliegt.
Während der beiden fallenden Flanken des Dreieckstromes muss je einer der durch MOSFETs gebildeten ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) den Strom in umgekehrter Richtung gegenüber der Flussrichtung durch das Bauteil in der Gegenphase bei ansteigender Dreieckflanke führen. Dazu werden die integrierten Substrat-Diodenstrecken der MOSFET-Schalter oder separate Invers-Dioden verwendet. Bei MOSFET-Schaltern verringert sich der Verlustspannungsabfall an den Substrat-Diodenstrecken, wenn das Ansteuersignal das Bauteil während dieser Zeit einschaltet (Synchrongleichrichtung).
Besonders vorteilhaft ist bei der dargestellten Schaltung, dass die Schaltkreisinduktivität L, anteilig oder vollständig, bereits in Form der Streuinduktivität der Anordnung aus Ein- und Ausgangswicklung des Transformators TR enthalten ist. Durch Ausführung als Streufeldtransformator kann ein separates Bauteil entfallen. Ein weiterer Vorteil der dreieckartigen Stromform im Transformators TR ist der geringe Oberwellengehalt, da die harmonischen Komponenten der Fourier-Reihenentwicklung mit dem Quadrat der Ordnungszahl abnehmen, im Gegensatz zum rechteckförmigen Stromfluss der konventionellen Gegentakt-PWM-Wandlerschaltung, bei dem die Amplituden der Oberschwingungsanteile nur linear mit der Ordnungszahl abnehmen. Dadurch sinkt die Verlustleistung durch Wirbelstrom und Stromverdrängung (Proximity-Effekt) in der Kupferwicklung erheblich.
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

DE 10227832 C1 [0007]

Claims

Spannungswandler für Gleichstrom mit einer Schaltungsbrücke, umfassend einen ersten, zweiten, dritten und vierten Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4), die jeweils einen Steueranschluss (G1, G2, G3, G4) und jeweils eine zwischen zwei Leistungsanschlüssen (L1, L1'; L2, L2'; L3, L3'; L4, L4') verlaufende Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken des ersten und zweiten Leistungsschalters (S1, S2) an einem ersten Schaltungsknoten (K1) verbunden und die Laststrecken des dritten und vierten Leistungsschalters (S3, S4) an einem zweiten Schaltungsknoten (K2) verbunden und jeweils in Reihe zwischen den Klemmen für eine Versorgungsspannung (Uein) geschaltet sind, und mit einem Transformator (T), dessen Primärwicklung (PW) mit den ersten und zweiten Schaltungsknoten (K1, K2) verbunden ist, und dessen Sekundärwicklung (SW) eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) durch MOSFETs gebildet sind, und dass die dritten und vierten Leistungsschalter (S3, S4) durch IGBTs gebildet sind.
Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch IGBTs gebildeten dritten und vierten Leistungsschalter (S3, S4) in einem zumindest nahezu stromlosen Zustand geschaltet werden, und dass die durch MOSFETs gebildeten ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) in einem zunächst spannungslosen Zustand bei maximalem Stromfluss geschaltet werden.
Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den durch MOSFETs gebildeten ersten und zweiten Leistungsschaltern (S1, S2) jeweils eine durch zumindest einen Kondensator gebildete Kapazität (C1, C2) geschaltet ist.