DE102021214676A1 - Flyback converter device with two switching elements and method for operating the flyback converter device - Google Patents
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Abstract
Sperrwandler sind als Gleichspannungswandler ausgebildet und dienen zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen.Es wird eine Sperrwandlervorrichtung 1 vorgeschlagen mit einer Eingangseinrichtung 4, mit einer Ausgangseinrichtung 8, mit einer Hauptübertragungseinrichtung 11, wobei die Hauptübertragungseinrichtung 11 eine Haupteingangsspule 12 und eine Hauptausgangsspule 13 aufweist, wobei die Sperrwandlervorrichtung 1 ausgebildet ist, in einer Leitphase die Hauptübertragungseinrichtung 11 durch die Eingangseinrichtung 4 aufzuladen und in einer Sperrphase die Hauptübertragungseinrichtung 4 über die Ausgangseinrichtung 8 zu entladen, mit einem Low-Side-Schaltelement 19, wobei das Low-Side-Schaltelement 19 zwischen der Hauptübertragungseinrichtung 11 und einer Masse 7 angeordnet ist, und mit einer Prüfeinrichtung 14, wobei die Prüfeinrichtung 14 einen Testausgang 15 zur Bereitstellung einer Testspannung aufweist, wobei die Sperrwandlervorrichtung 1 ausgebildet ist, so dass in der Sperrphase die Prüfeinrichtung 14 mit der Haupteingangsspule 12 leitend verbunden ist, um die Hauptübertragungseinrichtung 11 zumindest teilweise in die Prüfeinrichtung 14 zu entladen und die Testspannung bereitzustellen.Flyback converters are designed as DC voltage converters and are used to transmit electrical energy between an input side and an output side of galvanically isolated DC voltages. A flyback converter device 1 is proposed with an input device 4, with an output device 8, with a main transmission device 11, with the main transmission device 11 having a main input coil 12 and has a main output coil 13, wherein the flyback converter device 1 is designed to charge the main transmission device 11 through the input device 4 in a conduction phase and to discharge the main transmission device 4 via the output device 8 in a blocking phase, with a low-side switching element 19, the low Side switching element 19 is arranged between the main transmission device 11 and a ground 7, and with a test device 14, the test device 14 having a test output 15 for providing a test voltage, the flyback converter device 1 being designed so that in the blocking phase the test device 14 with the main input coil 12 is conductively connected in order to at least partially discharge the main transmission device 11 into the test device 14 and to provide the test voltage.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sperrwandlervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der Sperrwandlervorrichtung.The invention relates to a flyback converter device having the features of the preamble of
Sperrwandler sind als Gleichspannungswandler ausgebildet und dienen zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen. Nachdem die galvanische Trennung ein wichtiger Aspekt bei den Sperrwandlern ist, muss für die Prüfung der Spannung auf der Ausgangsseite mit dem Ziel der Kontrolle der Eingangsseite ebenfalls eine galvanische Trennung vorgesehen waren.Flyback converters are designed as DC converters and are used to transmit electrical energy between an input side and an output side of galvanically isolated DC voltages. Since galvanic isolation is an important aspect of flyback converters, galvanic isolation must also be provided for testing the voltage on the output side with the aim of checking the input side.
Aus der Literatur ist es zum einen bekannt, entsprechende Messdaten von der Ausgangsseite über einen Opto-Koppler an die Eingangsseite zu übertragen.On the one hand, it is known from the literature to transmit corresponding measurement data from the output side to the input side via an optocoupler.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache und robuste Möglichkeit zur Kontrolle einer Eingangsseite von einem Sperrwandler vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine Sperrwandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben der Sperrwandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. In der Beschreibung sowie den Unteransprüchen werden weitere Vorteile, Wirkungen und Merkmale sowie Ausführungsbeispiele offenbart.It is an object of the invention to propose a simple and robust way of controlling an input side of a flyback converter. This object is achieved by a flyback converter device having the features of
Die Erfindung betrifft damit eine Sperrwandlervorrichtung, wobei die Sperrwandlervorrichtung auch als Hoch-Tiefsetzstelle oder im Englisch als Flyback Converter bezeichnet werden kann. Der Sperrwandler ist insbesondere als ein Gleichspannungswandler ausgebildet.The invention thus relates to a flyback converter device, in which case the flyback converter device can also be referred to as a buck/boost point or in English as a flyback converter. The flyback converter is designed in particular as a DC voltage converter.
Die Sperrwandlervorrichtung weist eine Eingangseinrichtung auf, wobei die Eingangseinrichtung als eine erste Teilschaltung ausgebildet ist und eine Eingangsseite bildet. Die Eingangseinrichtung weist einen Spannungseingang zur Übernahme von einer Versorgungsspannung auf. Die Versorgungsspannung ist insbesondere als eine Gleichspannung ausgebildet. Bevorzugt ist ein Anschluss des Spannungseingangs mit einem Pluspol, ein anderer Anschluss des Spannungseingangs ist mit Masse verbunden und/oder verbindbar.The flyback converter device has an input device, the input device being designed as a first sub-circuit and forming an input side. The input device has a voltage input for accepting a supply voltage. The supply voltage is in particular in the form of a direct voltage. One connection of the voltage input is preferably connected to a positive pole, and another connection of the voltage input is and/or can be connected to ground.
Die Sperrwandlervorrichtung weist eine Ausgangseinrichtung auf, wobei die Ausgangseinrichtung als eine zweite Teilschaltung ausgebildet ist und eine Ausgangsseite bildet. Die Ausgangseinrichtung weist einen Spannungsausgang zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung auf. Der Spannungsausgang weist einen ersten Anschluss auf, wobei an dem ersten Anschluss eine positive Spannung ausgegeben wird und einen zweiten Anschluss auf, wobei an dem zweiten Anschluss eine zweite Masse vorliegt, welche galvanisch zu der Masse der Eingangseinrichtung ausgebildet ist. Die Ausgangsspannung und die Eingangsspannung sind insbesondere galvanisch getrennte Gleichspannungen. Es ist vorgesehen, dass die Eingangseinrichtung und die Ausgangseinrichtung galvanisch voneinander getrennt ausgebildet sind.The flyback converter device has an output device, the output device being designed as a second sub-circuit and forming an output side. The output device has a voltage output for providing an output voltage. The voltage output has a first connection, with a positive voltage being output at the first connection, and a second connection, with a second ground being present at the second connection, which is formed galvanically with respect to the ground of the input device. The output voltage and the input voltage are, in particular, galvanically isolated direct voltages. Provision is made for the input device and the output device to be designed to be electrically isolated from one another.
Die Sperrwandlervorrichtung weist eine Hauptübertragungseinrichtung auf, wobei die Hauptübertragungseinrichtung eine Haupteingangsspule und eine Hauptausgangsspule umfasst. Die Haupteingangsspule ist mit der Eingangseinrichtung, die Hauptausgangsspule mit der Ausgangseinrichtung verschaltet. Die Haupteingangsspule und die Hauptausgangsspule sind bevorzugt miteinander magnetisch gekoppelt und/oder koppelbar. In der Hauptübertragungseinrichtung kann ein Magnetfeld zwischengespeichert werden und/oder eine magnetische Spannung aufgebaut werden. Bevorzugt weist die Hauptübertragungseinrichtung mindestens einen Kern auf, wobei der Kern einen Luftspalt aufweist.The flyback converter device has a main transmission device, the main transmission device comprising a main input coil and a main output coil. The main input coil is connected to the input device and the main output coil is connected to the output device. The main input coil and the main output coil are preferably magnetically coupled and/or can be coupled to one another. A magnetic field can be temporarily stored in the main transmission device and/or a magnetic voltage can be built up. The main transmission device preferably has at least one core, the core having an air gap.
Die Sperrwandlervorrichtung ist ausgebildet, in einer Leitphase, wobei die Versorgungsspannung an der Haupteingangsspule anliegt und ein anderes Ende der Haupteingangsspule mit der Masse verbunden ist, die Hauptübertragungseinrichtung durch die Eingangseinrichtung aufzuladen. Insbesondere baut sich in der Hauptübertragungseinrichtung, insbesondere in dem Luftspalt, eine magnetische Spannung auf.The flyback converter device is configured to charge the main transmission device through the input device in a conducting phase, with the supply voltage being applied to the main input coil and another end of the main input coil being connected to ground. In particular, a magnetic tension builds up in the main transmission device, in particular in the air gap.
In einer Sperrphase, wobei die Haupteingangsspule von der Masse getrennt ist, wird die Hauptübertragungseinrichtung über die Ausgangseinrichtung entladen. Während der Sperrphase erfolgt somit ein Übertrag von Energie von der Eingangseinrichtung über die Hauptübertragungseinrichtung auf die Ausgangseinrichtung.In an off phase, with the main input coil isolated from ground, the main transmission device is discharged through the output device. During the blocking phase, energy is therefore transferred from the input device via the main transmission device to the output device.
Die Sperrwandlervorrichtung weist ein Low-Side-Schaltelement auf, wobei das Low-Side-Schaltelement seriell zu der Haupteingangsspule angeordnet und ausgebildet ist, die Haupteingangsspule auf Masse zu schalten. Beispielsweise ist das Schaltelement als ein Mosfet ausgebildet. Durch das Low-Side-Schaltelement kann die Eingangseinrichtung zwischen der Leitphase und der Sperrphase umgeschaltet werden.The flyback converter device has a low-side switching element, the low-side switching element being arranged and configured in series with the main input coil, the main input coil being grounded to switch. For example, the switching element is designed as a mosfet. The input device can be switched between the conducting phase and the blocking phase by the low-side switching element.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sperrwandlervorrichtung eine Prüfeinrichtung aufweist, wobei die Prüfeinrichtung insbesondere als eine dritte Teilschaltung ausgebildet ist. Die Prüfeinrichtung weist einen Testausgang zur Bereitstellung einer Testspannung auf. Die Prüfeinrichtung ist bevorzugt mit der Eingangseinrichtung galvanisch verbunden und/oder von der Ausgangseinrichtung galvanisch getrennt.In the context of the invention, it is proposed that the flyback converter device has a test device, with the test device being designed in particular as a third sub-circuit. The testing device has a test output for providing a test voltage. The testing device is preferably electrically connected to the input device and/or electrically isolated from the output device.
Die Sperrwandlervorrichtung ist ausgebildet, in der Sperrphase die Prüfeinrichtung mit der Haupteingangsspule leitend zu verbinden, um die Hauptübertragungseinrichtung zumindest teilweise in die Prüfeinrichtung zu entladen und die Testspannung bereitzustellen. Somit wird die in der Hauptübertragungseinrichtung gespeicherte Energie vorzugsweise größtenteils auf die Ausgangseinrichtung übertragen, jedoch zumindest teilweise auch auf die Prüfeinrichtung übergeleitet, so dass diese eine Testspannung bereitstellen kann, welche ein Relativwert für die Ausgangsspannung der Ausgangseinrichtung ist. Die Testspannung entspricht der Ausgangsspannung oder ist z.B. nach einem Spannungsteiler proportional zu dieser oder ist zumindest äquivalent dazu, so dass über eine Messung der Testspannung auf die Ausgangsspannung zurückgeschlossen werden kann. Insbesondere ist die Sperrwandlervorrichtung ausgebildet, die Prüfeinrichtung in der Leitphase von der Hauptübertragungseinrichtung zu trennen.The flyback converter device is designed to conductively connect the test device to the main input coil in the blocking phase in order to at least partially discharge the main transmission device into the test device and to provide the test voltage. Thus, the energy stored in the main transmission device is preferably largely transferred to the output device, but at least partially also transferred to the test device, so that it can provide a test voltage which is a relative value for the output voltage of the output device. The test voltage corresponds to the output voltage or is e.g. proportional to it after a voltage divider or is at least equivalent to it, so that conclusions can be drawn about the output voltage by measuring the test voltage. In particular, the flyback converter device is designed to separate the testing device from the main transmission device in the conducting phase.
Es ist somit ein Vorteil der Erfindung, dass durch die Prüfeinrichtung die Testspannung als eine Referenzspannung zu der Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann, wobei die Prüfeinrichtung von der Eingangseinrichtung nicht galvanisch getrennt sein muss. Somit kann diese Testspannung gemessen werden und zwar ohne Zwischenschaltung von einem Opto-Koppler oder einem ähnlichen galvanisch-isolierenden Element. Damit kann durch die Erfindung auf einen derartigen Opto-Koppler verzichtet werden und trotzdem eine verlässliche Führungsgröße zur Kontrolle der Eingangseinrichtung bereitgestellt werden. Eine derartige Führungsgröße ist notwendig, da ohne Kontrolle der Eingangseinrichtung in einem lastfreien Zustand der Ausgangseinrichtung die Spannung an der Ausgangseinrichtung unkontrolliert ansteigen würde.It is therefore an advantage of the invention that the test device can provide the test voltage as a reference voltage for the output voltage, with the test device not having to be electrically isolated from the input device. Thus, this test voltage can be measured without the interposition of an opto-coupler or a similar galvanically isolating element. The invention means that such an optocoupler can be dispensed with and a reliable reference variable for controlling the input device can nevertheless be provided. Such a command variable is necessary because without control of the input device, the voltage at the output device would rise in an uncontrolled manner when the output device was in a load-free state.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Sperrwandlervorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Kontrolle der Eingangseinrichtung auf. Es ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung die Eingangseinrichtung auf Basis der Testspannung kontrolliert. Insbesondere bildet die Testspannung eine oder die Führungsgröße für die Kontrolleinrichtung.In a preferred development of the invention, the flyback converter device has a control device for controlling the input device. Provision is made for the control device to control the input device on the basis of the test voltage. In particular, the test voltage forms one or the reference variable for the control device.
Die Sperrwandlervorrichtung ist bevorzugt so umgesetzt, dass die unbelastete Ausgangsspannung gleich der Testspannung ist, so dass der Wert der Testspannung statt dem eigentlichen Wert der Ausgangsspannung ohne Änderung übernommen werden kann.The flyback converter device is preferably implemented in such a way that the no-load output voltage is equal to the test voltage, so that the value of the test voltage can be accepted without change instead of the actual value of the output voltage.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Sperrwandlervorrichtung ein High-Side-Schaltelement auf, wobei das High-Side-Schaltelement zwischen dem Spannungseingang und der Hauptübertragungseinrichtung, insbesondere der Haupteingangsspule, angeordnet ist. Das High-Side-Schaltelement hat die Funktion, während der Sperrphase, die Hauptübertragungseinrichtung, insbesondere die Haupteingangsspule, von dem Spannungseingang zu trennen, so dass während der Sperrphase keine Energie in die Hauptübertragungseinrichtung nachgeliefert werden kann. Somit wird die in der Hauptübertragungseinrichtung gespeicherte Energie auf die Ausgangseinrichtung und die Prüfeinrichtung verteilt werden, wobei durch den Anteil der auf die Prüfeinrichtung verteilte Energie die Testspannung vorgegeben ist. Insbesondere wird durch die Trennung sichergestellt, dass die Ausgangsspannung und die Testspannung gleich oder zumindest äquivalent sind.In a preferred development of the invention, the flyback converter device has a high-side switching element, with the high-side switching element being arranged between the voltage input and the main transmission device, in particular the main input coil. The high-side switching element has the function of separating the main transmission device, in particular the main input coil, from the voltage input during the blocking phase, so that no energy can be subsequently supplied to the main transmission device during the blocking phase. The energy stored in the main transmission device is thus distributed to the output device and the test device, the test voltage being predetermined by the proportion of the energy distributed to the test device. In particular, the separation ensures that the output voltage and the test voltage are the same or at least equivalent.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sperrwandlervorrichtung einen Sperrentladezweig auf. Der Sperrentladungszweig verbindet die Masse mit dem Eingang zu der Haupteingangsspule. In dem Sperrentladungszweig ist eine Sperrentladediodeneinrichtung angeordnet, wobei die Sperrentladediodeneinrichtung in Durchflussrichtung zu dem Eingang gerichtet ist. Über den Sperrentladungszweig wird es ermöglicht, dass ein Ausgleichsstrom an dem Eingang der Haupteingangsspule anliegt, so dass eine Umladung der Energie von der Hauptübertragungseinrichtung zu der Ausgangseinrichtung und/oder zu der Prüfeinrichtung erfolgen kann.In a further preferred configuration of the invention, the flyback converter device has a flyback discharge branch. The reverse discharge path connects ground to the input to the main input coil. A reverse discharge diode device is arranged in the reverse discharge branch, the reverse discharge diode device being directed in the flow direction toward the input. The blocking discharge branch makes it possible for a compensating current to be present at the input of the main input coil, so that the energy can be recharged from the main transmission device to the output device and/or to the test device.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Kontrolleinrichtung ein PWM-Modul zur Steuerung des mindestens einen Schaltelements, insbesondere des Low-Side-Schaltelements und/oder des High-Side-Schaltelements, auf. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einem High-Signal des PWM-Ausgangs das jeweilige Schaltelement geschlossen und die Haupteingangsspule mit der Masse und mit dem Spannungseingang verbunden ist und bei einem Low-Signal des PWM-Ausgangs das jeweilige Schaltelement geöffnet ist, so dass die Haupteingangsspule von der Masse und dem Spannungseingang getrennt ist. Es ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung des PWM-Modul auf Basis der Testspannung kontrolliert, insbesondere steuert und/oder regelt. Beispielsweise kann eine Frequenz oder ein Duty-Cycle als Stellgröße angepasst werden.In a preferred development of the invention, the control device has a PWM module for controlling the at least one switching element, in particular the low-side switching element and/or the high-side switching element. For example, it can be provided that with a high signal of the PWM output, the respective switching element is closed and the main input coil is connected to ground and to the voltage input, and if the PWM output has a low signal, the respective switching element is open, so that the main input coil is isolated from ground and the voltage input. It is provided that the control device controls the PWM module on the basis of the test voltage, in particular controls and/or regulates it. For example, a frequency or a duty cycle can be adjusted as a manipulated variable.
In einer schaltungstechnischen Weiterbildung der Erfindung weist die Ausgangseinrichtung eine Hauptspeicherkapazität auf, welche schaltungstechnisch parallel zu der Hauptausgangsspule angeordnet ist. Ferner weist die Ausgangseinrichtung eine Hauptdiodeneinrichtung auf, wobei die Hauptdiodeneinrichtung zwischen der Hauptspeicherkapazität und dem Spannungsausgang angeordnet ist.In a further development of the invention in terms of circuitry, the output device has a main storage capacitance which is arranged in parallel with the main output coil in terms of circuitry. Furthermore, the output device has a main diode device, the main diode device being arranged between the main storage capacitance and the voltage output.
Alternativ oder ergänzend weist die Prüfeinrichtung eine Prüfspeicherkapazität auf, wobei die Prüfspeicherkapazität schaltungstechnisch parallel zu der angeordnet ist. Ferner weist die Prüfeinrichtung eine Prüfdiodeneinrichtung auf, wobei die Prüfdiodeneinrichtung zwischen der Hilfsausgangsspule und dem Testausgang für die Testspannung angeordnet ist. Die Energie aus der Hauptübertragungseinrichtung wird auf die Hauptspeicherkapazität und/oder Prüfspeicherkapazität umgeladen. Insbesondere wird in der Leitphase die Prüfeinrichtung durch die Prüfdiodeneinrichtung von der Haupteingangsspule getrennt.Alternatively or additionally, the test device has a test storage capacity, with the test storage capacity being arranged in parallel with the circuitry. Furthermore, the test device has a test diode device, the test diode device being arranged between the auxiliary output coil and the test output for the test voltage. The energy from the main transmission device is transferred to the main storage capacity and/or test storage capacity. In particular, in the conduction phase, the test device is separated from the main input coil by the test diode device.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sperrwandlervorrichtung, insbesondere die Prüfeinrichtung, einen Hilfswiderstand auf, wobei der Hilfswiderstand parallel zu der Prüfspeicherkapazität angeordnet ist. Der Hilfswiderstand bildet insbesondere eine konstante Last in der Prüfeinrichtung. In der Ausgangseinrichtung liegt dagegen am Spannungsausgang eine variable Last vor. Trotzdem bildet die Testspannung einen Referenzwert für die Ausgangsspannung, da die Energie aus der Hauptübertragungseinrichtung stets auf die Ausgangseinrichtung Prüfeinrichtung verteilt wird, so dass bei einer größeren Last an der Ausgangseinrichtung zugleich mehr Energie in die Ausgangseinrichtung und weniger Energie in die Prüfeinrichtung übertragen wird.In a further development of the invention, the flyback converter device, in particular the test device, has an auxiliary resistor, the auxiliary resistor being arranged in parallel with the test storage capacitance. In particular, the auxiliary resistance forms a constant load in the test device. In the output device, on the other hand, there is a variable load at the voltage output. Nevertheless, the test voltage forms a reference value for the output voltage, since the energy from the main transmission device is always distributed to the output device test device, so that with a larger load on the output device, more energy is transmitted to the output device and less energy to the test device.
Die Sperrwandlervorrichtung kann sowohl im continuous conduction mode (CCM) als auch im discontinuous conduction mode (DCM) betrieben werden.The flyback converter device can be operated both in continuous conduction mode (CCM) and in discontinuous conduction mode (DCM).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der Sperrwandlervorrichtung wie diese zuvor beschrieben wurde, wobei in einer Leitphase die Hauptübertragungseinrichtung durch die Eingangseinrichtung aufgeladen wird und in einer Sperrphase sich die Hauptübertragungseinrichtung über die Ausgangseinrichtung und die Prüfeinrichtung entlädt, so dass in der Prüfeinrichtung die Testspannung bereitgestellt ist.Another subject matter of the invention relates to a method for operating the flyback converter device as described above, with the main transmission device being charged by the input device in a conducting phase and the main transmission device being discharged via the output device and the test device in a blocking phase, so that in the test device the Test voltage is provided.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
-
1 ein schematisches Schaltbild von einer Sperrwandlervorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 die Sperrwandlervorrichtung inder 1 während einer Leitphase; -
3 die Sperrwandlervorrichtung inder 1 während einer Sperrphase mit Stromfluss; -
4 die Sperrwandlervorrichtung inder 1 während der Sperrphase ohne Stromfluss; -
5 ein schematisches Schaltbild von einem Simulationsmodell der Sperrwandlervorrichtung; -
6 Signalverläufe ausdem Simulationsmodell der 5 ; -
7 Signalverläufe ausdem Simulationsmodell der 5 .
-
1 a schematic circuit diagram of a flyback converter device as an embodiment of the invention; -
2 the flyback device in the1 during a lead phase; -
3 the flyback device in the1 during a blocking phase with current flow; -
4 the flyback device in the1 during the blocking phase without current flow; -
5 a schematic circuit diagram of a simulation model of the flyback converter device; -
6 Signal curves from thesimulation model 5 ; -
7 Signal curves from thesimulation model 5 .
Die
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist eine Eingangseinrichtung 4 auf, wobei die Eingangseinrichtung 4 den Spannungseingang 2 umfasst, welcher mit einer Spannungsquelle 5 verbunden ist. Der Spannungseingang 2 weist einen ersten Eingang mit einem Pluspol 6 auf sowie einen zweiten Eingang, welcher eine Masse 7 bildet.The
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist ferner eine Ausgangseinrichtung 8 auf, wobei die Ausgangseinrichtung 8 dem Spannungsausgang 3 zur Bereitstellung der Ausgangsspannung Vout aufweist. Der Spannungsausgang 3 weist einen zweiten Pluspol 9 sowie eine zweite Masse 10 (Ground) auf, welche jedoch galvanisch von der ersten Masse 7 getrennt ist.The
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist eine Hauptübertragungseinrichtung 11 auf, wobei die Hauptübertragungseinrichtung 11 eine Haupteingangsspule 12 sowie eine Hauptausgangsspule 13 aufweist. Die Haupteingangsspule 12 ist schaltungstechnisch mit der Eingangseinrichtung 4 verbunden, die Hauptausgangsspule 13 ist schaltungstechnisch mit der Ausgangseinrichtung 8 verbunden. Die beiden Spulen 12, 13 sind ähnlich wie bei einem Transformator zueinander angeordnet. Beispielsweise sind die Spulen 12, 13 parallel zueinander angeordnet, wobei jedoch ein Luftspalt in einem Kern vorhanden ist, um ein Magnetfeld zu speichern und/oder eine magnetische Spannung aufzubauen.The
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist eine Prüfeinrichtung 14 auf, wobei die Prüfeinrichtung 14 einen Testausgang 15 zur Bereitstellung einer Testspannung VFB aufweist. Die Prüfeinrichtung 14 ist mit der Ausgangsseite der Haupteingangsspule 12 sowie mit der Masse 7 verbunden.The
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist einen Sperrentladezweig 16 mit einer Sperrentladediodeneinrichtung 17, wobei der Sperrentladezweig 16 die Masse 7 mit der Eingangsseite der der Haupteingangsspule 12 verbindet. Die Durchlassrichtung der Sperrentladediodeneinrichtung 17 ist in Richtung der Haupteingangsspule 12 orientiert.The
Ferner weist die Sperrwandlervorrichtung 1, insbesondere die Eingangseinrichtung 4, ein High-Side-Schaltelement 18 sowie ein Low-Side-Schalelement 19 auf. DAS High-Side-Schaltelement 18 ist seriell zwischen dem Spannungseingang 2, insbesondere dem Pluspol 6, und der Eingangsseite der Haupteingangsspule 12 angeordnet. Das Low-Side-Schaltelement 19 seriell zu der Haupteingangsspule 12 zwischen deren Ausgangsseite und der Masse 7 angeordnet und ermöglicht es, die Haupteingangsspule 12 auf Masse 7 zu schalten.Furthermore,
Die Sperrwandlervorrichtung 1 weist eine Kontrolleinrichtung 20 zur Kontrolle der Eingangseinrichtung 4, insbesondere von den Schaltelementen 18, 19 auf. Die Eingangseinrichtung 4 wird auf Basis der Testspannung VFB aus dem Testausgang 15 kontrolliert. Die Kontrolleinrichtung 20 umfasst insbesondere ein PWM-Modul 21 zur Kontrolle der Schaltelemente 18, 19 mit einem Schaltsignal. Insbesondere können die Schaltelemente 18, 19 durch Änderung der Frequenz und/oder des Duty Cycle des jeweiligen Schaltsignals kontrolliert, insbesondere ein- und ausgeschaltet, werden.The
Die Ausgangseinrichtung 8 weist eine Hauptspeicherkapazität 22 auf, wobei die Hauptspeicherkapazität 22 schaltungstechnisch parallel zu der Hauptausgangsspule 13 angeordnet ist. Die Hauptspeicherkapazität 22 hat die Aufgabe, ein Umladen von Energie aus der Hauptübertragungseinrichtung 11 zu ermöglichen und die Ausgangsspannung Vout an dem Spannungsausgang 3 konstant zu halten und speichert Energie zwischen. Ferner weist die Ausgangseinrichtung 8 eine Hauptdiodeneinrichtung 23 auf, wobei die Hauptdiodeneinrichtung 23 zwischen der Hauptausgangsspule 13 und dem Pluspol 9 angeordnet ist, so dass Strom von der Hauptausgangsspule 13 zu dem Spannungsausgang 3 fließen kann, jedoch die Gegenrichtung gesperrt ist.The
Die Prüfeinrichtung 14 weist eine Prüfspeicherkapazität 24 auf, wobei die Prüfspeicherkapazität 24 zwischen der Eingangsseite der Haupteingangsspule 12 und der Masse 7 angeordnet ist. Die Prüfspeicherkapazität 24 hat die Funktion, ein Umladen von Energie aus der Hauptübertragungseinrichtung 11 zu ermöglichen und die Testspannung VFB über die Zeit konstant zu halten. Ferner weist die Prüfeinrichtung 14 eine Prüfdiodeneinrichtung 25 auf, wobei die Prüfdiodeneinrichtung 25 zwischen der Ausgangsseite der Haupteingangsspule 12 und dem Testausgang 15 und/oder der Prüfspeicherkapazität 24 so verschaltet ist, dass Strom in Richtung des Testausgangs15 bzw. der Prüfspeicherkapazität 24 fließen kann, jedoch in Gegenrichtung gesperrt ist.The
Ferner weist die Prüfeinrichtung 14 noch einen Hilfswiderstand 26 auf, welcher schaltungstechnisch parallel zu der Prüfspeicherkapazität 24 angeordnet ist sowie einen Spannungsteiler 27 zum Abgriff des Testsignals VFB, wobei der Spannungsteiler 27 parallel zu dem Hilfswiderstand 26 und/oder der Prüfspeicherkapazität 24 geschalten ist. Das Testsignal VFB entspricht der Testspannung und wird als Führungsgröße zur Kontrolle der Eingangseinrichtung 4, insbesondere der Schaltelemente 18, 19, an die Kontrolleinrichtung 20 übergeben.Furthermore, the
Die
In der
Prinzipiell könnte aus dieser aus diesem Zustand in der
Nach einer gewissen Zeit werden die Schaltelemente 18, 19 über die Ansteuerung durch das PWM-Modul 21 wieder geschlossen, so dass die Hauptübertragungseinrichtung 11 wieder geladen werden kann (
Simulierte Ausführungsbeispiele:Simulated examples:
Die
Die Simulationsparameter sind wie folgt:
- 1) Vinmin = 4.5V
- 2) Schaltfrequenz Fsw: 150kHz,
- 3) Vout :16V
- 4) Lp : 3.3uH (Hauptübertragungseinrichtung 11)
- 5) lout : 0 to 500mA
- 6) Betriebsart: DCM
- 1) Vinmin = 4.5V
- 2) Switching frequency Fsw: 150kHz,
- 3) Vout :16V
- 4) Lp : 3.3uH (main transmission equipment 11)
- 5) out : 0 to 500mA
- 6) Operating mode: DCM
Die Signalverläufe zeigen:
In dem Signalverlauf 7.4 ist zu erkennen, dass die Spannung in der Prüfeinrichtung 14 gleich der Spannung in der Ausgangseinrichtung 8 ist, so dass das Testsignal als Führungsgröße zur Kontrolle der Eingangseinrichtung 4 geeignet ist.It can be seen in signal curve 7.4 that the voltage in
Die
Die Simulationsparameter sind wie folgt:
- 1) Vinmin = 4.5V
- 2) Schaltfrequenz Fsw: 150kHz,
- 3) Vout :16V
- 4) Part Number: MSD1260T-332ML;
- 5) lout : 0 to 500mA
- 6) Betriebsart: DCM
- 1) Vinmin = 4.5V
- 2) Switching frequency Fsw: 150kHz,
- 3) Vout :16V
- 4) Part Number: MSD1260T-332ML;
- 5) out : 0 to 500mA
- 6) Operating mode: DCM
Baugruppe 29:
- Core: MSD1260T-332ML
- Type : SMT
- Make: COILCRAFT
- Lm: 3.3 ±20% uH
- DCR : 0.02
- Llk : 0.2uH
- Isat: 11.5A
- Irms: 3.6A
- Core: MSD1260T-332ML
- Type : SMT
- Make: COILCRAFT
- Lm: 3.3 ±20%uH
- DCR : 0.02
- Llk : 0.2uH
- Isat: 11.5A
- Irms: 3.6A
Die Signalverläufe zeigen:
Im unbelasteten Zustand ergibt sich eine Ausgangsspannung von 16.514 V, im belasteten Zustand 11,576 V. In dem Signalverlauf 8.4 ist zu erkennen, dass die Spannung in der Prüfeinrichtung 14 zumindest ausreichend ähnlich der Spannung in der Ausgangseinrichtung 8 ist, so dass das Testsignal als Führungsgröße zur Kontrolle der Eingangseinrichtung 4 geeignet ist.In the unloaded state, there is an output voltage of 16,514 V, in the loaded state 11.576 V. In the signal curve 8.4 it can be seen that the voltage in the
Die Vorteile der Sperrwandlervorrichtung sind:
- - kein Optokoppler
- - Verwendung von Off-the-Shelf-Baugruppe 29 ist möglich
- - mechanisch robustes Design
- - hohe Lebensdauer (verglichen mit der begrenzten Lebenszeit von einem Optokoppler)
- - kann über einen weiteren Spannungsbereich wie z.B. 4.5 V... 70 V arbeiten
- - das PWM-Modul kann unspezifisch gewählt werden
- - schematisch ähnlich zu konventionellen Sperrwandlern
- - Gute Regulierung, da die Kontrolleinrichtung 20 in einem Strom-Mode ist.
- - no optocoupler
- - Use of off-the-shelf assembly 29 is possible
- - Mechanically robust design
- - long lifetime (compared to the limited lifetime of an optocoupler)
- - Can operate over a wider voltage range such as 4.5V...70V
- - the PWM module can be selected unspecifically
- - Schematically similar to conventional flyback converters
- - Good regulation since the
controller 20 is in a current mode.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Sperrwandlervorrichtungflyback device
- 22
- Spannungseingangvoltage input
- 33
- Spannungsausgangvoltage output
- 44
- Eingangseinrichtungentrance facility
- 55
- Spannungsquellevoltage source
- 66
- Pluspolpositive pole
- 77
- MasseDimensions
- 88th
- Ausgangseinrichtungexit facility
- 99
- zweiter Pluspolsecond positive pole
- 1010
- zweite Massesecond mass
- 1111
- Hauptübertragungseinrichtungmain transmission facility
- 1212
- Haupteingangsspulemain input coil
- 1313
- Hauptausgangsspulemain output coil
- 1414
- Prüfeinrichtungtesting facility
- 1515
- Testausgangtest output
- 1616
- Sperrentladezweigblocking discharge branch
- 1717
- Sperrentladediodeneinrichtungreverse discharge diode device
- 1818
- High-Side-Schaltelementhigh-side switching element
- 1919
- Low-Side-SchalelementLow-side scarf element
- 2020
- Kontrolleinrichtungcontrol device
- 2121
- PWM-ModulPWM module
- 2222
- Hauptspeicherkapazitätmain storage capacity
- 2323
- Hauptdiodeneinrichtungmain diode device
- 2424
- Prüfspeicherkapazitättest memory capacity
- 2525
- Prüfdiodeneinrichtungtest diode setup
- 2626
- Hilfswiderstandauxiliary resistance
- 2727
- Spannungsteilervoltage divider
- 2828
- weiterer Widerstandfurther resistance
- 2929
-
Baugruppe für die Hauptübertragungseinrichtung 11Assembly for the
main transmission device 11 - Vinvintage
- Versorgungsspannungsupply voltage
- VoutVout
- Ausgangsspannungoutput voltage
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021214676.7A DE102021214676A1 (en) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | Flyback converter device with two switching elements and method for operating the flyback converter device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021214676.7A DE102021214676A1 (en) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | Flyback converter device with two switching elements and method for operating the flyback converter device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021214676A1 true DE102021214676A1 (en) | 2023-06-22 |
Family
ID=86606312
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021214676.7A Pending DE102021214676A1 (en) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | Flyback converter device with two switching elements and method for operating the flyback converter device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021214676A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000209854A (en) | 1999-01-11 | 2000-07-28 | Meidensha Corp | Separately excited flyback type switching regulator |
US20060007711A1 (en) | 2004-07-12 | 2006-01-12 | Ta-Yung Yang | Half-bridge flyback power converter |
GB2460272A (en) | 2008-05-23 | 2009-11-25 | Cambridge Semiconductor Ltd | Compensating for leakage inductance in a switch mode power supply |
-
2021
- 2021-12-20 DE DE102021214676.7A patent/DE102021214676A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000209854A (en) | 1999-01-11 | 2000-07-28 | Meidensha Corp | Separately excited flyback type switching regulator |
US20060007711A1 (en) | 2004-07-12 | 2006-01-12 | Ta-Yung Yang | Half-bridge flyback power converter |
GB2460272A (en) | 2008-05-23 | 2009-11-25 | Cambridge Semiconductor Ltd | Compensating for leakage inductance in a switch mode power supply |
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