DE10218455A1 - Flyback arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sperrwandleranordnung, die mehrere Übertrager (T1 bis TN) enthält, wobei die Primärwicklungen (P1 bis PN) der Übertrager (T1 bis TN) elektrisch in Reihe geschaltet und über einen gesteuerten Schalter (S) mit einer Gleichspannungsquelle (GQ) verbunden sind, und an Sekundärwicklungen (S1 bis SN) der Übertrager (T1 bis TN) jeweils ein Gleichrichter (D1 bis DN) mit Ausgangskondensatoren (C1 bis CN) sowie ein Ausgangsspannungsregler (SR1 bis SRN) angeschlossen sind. Vorzugsweise enthalten die Übertrager (T1 bis TN) jeweils einen Ferrit-Ringkern (RK1 bis RKN), der die jeweilige Sekundärwicklung (S1 bis SN) trägt, wobei die Reihenschaltung der Primärwicklungen (P1 bis PN) als eine durch alle Ferrit-Ringkerne (RK1 bis RKN) geführte hochspannungsisolierte Leiterschleife (SL) ausgeführt ist.The invention relates to a flyback converter arrangement which contains a plurality of transformers (T1 to TN), the primary windings (P1 to PN) of the transformers (T1 to TN) being electrically connected in series and connected via a controlled switch (S) to a DC voltage source (GQ ) are connected, and a rectifier (D1 to DN) with output capacitors (C1 to CN) and an output voltage regulator (SR1 to SRN) are connected to secondary windings (S1 to SN) of the transformers (T1 to TN). Preferably, the transformers (T1 to TN) each contain a ferrite toroid (RK1 to RKN) which carries the respective secondary winding (S1 to SN), the series connection of the primary windings (P1 to PN) as one through all ferrite toroids (RK1 to RKN) guided high voltage insulated conductor loop (SL).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sperrwandleranordnung, die insbesondere geeignet ist zur Stromversorgung von sogenannten Gate-Units, also Ansteuereinheiten zur Steuerung von Leistungs-Halbleiterschaltern in Hochspannungs-Schaltern oder Konvertern, in denen mehrere Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind. Neben der Stromrichtertechnik sind auch beispielsweise Staubabscheider zur Rauchgasreinigung oder Hochspannungspulsanwendungen in der Lebensmittel- und Medizintechnik potentielle Anwendungsgebiete. Dabei sind in solchen Hochspannungsanordnungen MOSFETs und IGBTs die typischen verwendeten, elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter, wobei für die Stromversorgung der Ansteuereinheiten eine Potentialtrennung bei großen Spannungsunterschieden benötigt wird. The invention relates to a flyback converter arrangement which is particularly suitable for Power supply for so-called gate units, i.e. control units for Control of power semiconductor switches in high-voltage switches or Converters in which several semiconductor switches are connected in series. In addition to the Power converter technology are also, for example, dust separators for flue gas cleaning or high-voltage pulse applications in food and medical technology potential areas of application. There are in such high voltage arrangements MOSFETs and IGBTs are the typically used, electrically connected in series Semiconductor switch, one for the power supply of the control units Electrical isolation is required for large voltage differences.
Stand der Technik ist die Versorgung der Ansteuereinheiten durch jeweils einzelne
Stromversorgungseinrichtungen mit hoher Potentialtrennung, entweder
- a) mittels an einen Niederspannungs-AC-Bus parallel angeschlossenen hochisolierenden Transformatoren, meistens in 50 Hz-Technik, oder
- b) mittels an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossenen, eingangsspannungsseitig parallelgeschalteten separaten hochisolierenden DC/DC-Wandlern.
- a) by means of highly insulating transformers connected in parallel to a low-voltage AC bus, mostly in 50 Hz technology, or
- b) by means of separate, highly isolating DC / DC converters connected to a DC voltage supply and connected in parallel on the input voltage side.
Nachteile der bekannten Anordnungen sind im Fall der Variante a), daß Transformatoren in der typischen 50 Hz-Technik voluminös, schwer und teuer sind, und der Montageaufwand erheblich ist. Disadvantages of the known arrangements in the case of variant a) are that Transformers in the typical 50 Hz technology are bulky, heavy and expensive, and that Assembly effort is significant.
Bei den Varianten a) und b) ergeben sich Probleme mit Isolation/Kriechstrecken, da der Versorgungs-AC- respektive DC-Bus bis zu jeder Schalterstufe geführt und dort angezapft werden muß. With variants a) and b) there are problems with insulation / creepage distances, because the supply AC or DC bus is routed to each switch level and there must be tapped.
In der Hochleistungs-Stromrichtertechnik, insbesondere wenn eine Reihenschaltung von Leitungsschaltelementen zum Einsatz kommt, bestehen erhöhte Anforderungen an die Isolation verwendeter Transformatoren in den jeweiligen Ansteuerungen und insbesondere auch an deren parasitäre kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis. Diese Kopplung muß unbedingt sehr niedrig sein, um Beeinflussungen der Elektronik auf den Gate-Units durch Lade-/Entladeströme der parasitären Koppelkapazitäten zu vermeiden. Nach dem Stand der Technik werden deshalb vergossene Übertrager eingesetzt, um den Isolationsanforderungen gerecht zu werden. Diese besitzen in der Regel aber eine unerwünscht hohe parasitäre Koppelkapazität, insbesondere wenn es sich um Transformatoren in 50 Hz-Technik handelt. In high-performance converter technology, especially when connected in series line switching elements are used, there are increased requirements to the isolation of used transformers in the respective controls and in particular also at their parasitic capacitive coupling between primary and Secondary circuit. This coupling must be very low in order to Influences on the electronics on the gate units by charge / discharge currents of the parasitic To avoid coupling capacities. Therefore, according to the state of the art encapsulated transformers used to meet the insulation requirements. As a rule, however, these have an undesirably high parasitic coupling capacity, especially when it comes to transformers with 50 Hz technology.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zur Stromversorgung von auf unterschiedlichem Hochspannungspotential befindlichen Verbrauchern geeignete Anordnung anzugeben, mit der sowohl hohen Anforderungen an die Potentialtrennung, als auch an eine kleine Koppelkapazität entsprochen werden kann. The invention is therefore based on the object of supplying power to different high-voltage potential consumers Specify arrangement with both high demands on the Isolation, as well as a small coupling capacity can be met.
Diese Aufgabe wird durch eine Sperrwandleranordnung gelöst, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a flyback converter arrangement, which has the Features specified. Advantageous refinements are in others Claims specified.
Mit der Erfindung wird demnach eine Sperrwandleranordnung vorgeschlagen, die mehrere Übertrager enthält, wobei ein Primärkreis mit einer Reihenschaltung der Primärwicklungen der Übertrager, einem gesteuerten Schalter und einer Gleichspannungsquelle gebildet ist. An die Sekundärwicklungen der Übertrager sind jeweils Gleichrichter, Ausgangskondensatoren und ein Ausgangsspannungsregler angeschlossen. The invention accordingly proposes a flyback converter arrangement which contains several transformers, a primary circuit with a series connection of Primary windings of the transformers, a controlled switch and one DC voltage source is formed. To the secondary windings of the transformers are each Rectifiers, output capacitors and an output voltage regulator connected.
Die Übertrager enthalten vorzugsweise jeweils einen Ferrit-Ringkern, der die jeweilige Sekundärwicklung trägt, wobei die Reihenschaltung der Primärwicklungen als eine durch alle Ferrit-Ringkerne geführte hochspannungsisolierte Leiterschleife ausgeführt ist. The transformers preferably each contain a ferrite toroid, which carries the respective secondary winding, the series connection of the primary windings as a high-voltage insulated conductor loop that runs through all ferrite toroids is executed.
Vorteilhaft ist der zur Realisierung der Sperrwandleranordnung erforderliche geringe Aufwand. Die Sperrwandleranordnung ist dadurch insbesondere für Hochspannungs- Stromrichter mit einer großen Anzahl in Reihe geschalteter Einzelelemente geeignet, da die Anzahl der den einzelnen Gate-Units zugeordneten Bauelemente der Sperrwandleranordnung minimal ist. Die Übertrager sind kleinvolumig und können direkt auf die übliche Leiterplatte der Gate-Units montiert werden. The small one required to implement the flyback converter arrangement is advantageous Expenditure. The flyback converter arrangement is therefore particularly suitable for high-voltage Suitable for converters with a large number of individual elements connected in series, since the number of components assigned to the individual gate units Flyback converter arrangement is minimal. The transformers are small-volume and can be used directly can be mounted on the usual PCB of the gate units.
Einer der Vorteile besteht weiterhin darin, daß Probleme mit Kriechstrecken nicht auftreten, da der Primärkreis nicht aufgetrennt und angezapft werden muß. Durch eine besonders günstige Ausführung des Primärkreises und der Übertrager wird auch eine sehr geringe parasitäre Koppelkapazität erzielt. One of the advantages is that problems with creepage distances are not occur because the primary circuit does not have to be opened and tapped. By a particularly favorable version of the primary circuit and the transformer also achieved a very low parasitic coupling capacity.
Zur Versorgung von Ansteuerschaltungen werden in der Regel stabilisierte positive und negative Spannungen benötigt. Mit der vorgeschlagenen Anordnung ist die Erzeugung solcher Versorgungsspannungen auf besonders einfache Weise möglich. Durch sekundärseitig unterschiedliche Windungszahlen oder Zusatzwicklungen können auch unterschiedlich hohe Ausgangsspannungen erzeugt werden. Stabilized positive ones are generally used to supply control circuits and negative tensions are needed. With the proposed arrangement Generation of such supply voltages is possible in a particularly simple manner. Due to different number of turns or additional windings on the secondary side output voltages of different levels can also be generated.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren dargestellt sind. A further explanation of the invention is given below with reference to Embodiments that are shown in drawing figures.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 eine Prinzipschaltung der Schaltnetzteilanordnung, Fig. 1 shows a basic circuit of the switching power supply arrangement,
Fig. 2 eine bevorzugte Anordnung der Schaltnetzteilübertrager mit Ringkernen und einer primärseitigen Leiterschleife, Fig. 2 shows a preferred arrangement of the switching power supply transformer having ring cores and a primary-side conductor loop,
Fig. 3 Schaltungsdetails einer ersten Variante der Sperrwandleranordnung, Fig. 3 circuit details of a first variant of the flyback converter arrangement,
Fig. 4 Schaltungsdetails einer zweiten Variante der Sperrwandleranordnung, und Fig. 4 circuit details of a second variant of the flyback converter arrangement, and
Fig. 5 Schaltungsdetails einer dritten Variante der Sperrwandleranordnung. Fig. 5 circuit details of a third variant of the flyback converter arrangement.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung der vorgeschlagenen Sperrwandleranordnung. Die Anordnung enthält mehrere Übertrager T1, T2 bis TN, mit jeweiligen Primärwicklungen P1, P2 bis PN, Sekundärwicklungen S1, S2 bis SN und Übertragerkernen ÜK1, ÜK2 bis ÜKN. Eine Reihenschaltung der Primärwicklungen P1, P2 bis PN bildet einen Primärkreis, in dem ein Primärstrom ipri fließt, den eine Gleichspannungsquelle GQ mit der Gleichspannung VDC liefert. Fig. 1 shows a basic circuit of the flyback converter arrangement proposed. The arrangement contains several transformers T1, T2 to TN, with respective primary windings P1, P2 to PN, secondary windings S1, S2 to SN and transformer cores ÜK1, ÜK2 to ÜKN. A series connection of the primary windings P1, P2 to PN forms a primary circuit in which a primary current i pri flows, which a DC voltage source GQ supplies with the DC voltage V DC .
Die Sekundärseiten enthalten jeweils Gleichrichterdioden D1, D2 bis DN (Dx), sowie jeweils einen Spannungsregler SR1, SR2 bis SRN (SRx). The secondary sides each contain rectifier diodes D1, D2 to DN (Dx), as well one voltage regulator each SR1, SR2 to SRN (SRx).
Der primärseitige Schalter S wird über eine (in Fig. 1 nicht dargestellte)
Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert (also nicht geregelt), vorzugsweise mit einer hohen
Schaltfrequenz. Die Anordnung stellt einen im Lückbetrieb (discontinuous conduction
mode DCM) arbeitenden current-mode Flyback-Konverter dar. Bei einem solchen
Konverter sind die Vorgänge Energiespeicherung und -übertragung vollkommen
getrennt, d. h. ein neuer Schaltzyklus wird erst eingeleitet, wenn alle Speicherübertrager
vollständig abmagnetisiert sind und damit die sekundärseitigen Ströme auf Null
abgefallen sind. Die Philosophie hinter diesem Konzept ist, den für alle Übertrager
gleichen Primärstrom ipri auf einen bestimmten, festen Wert ansteigen zu lassen und
damit bei jedem Schaltzyklus in jedem der Übertrager eine konstante Energie
zu speichern. In der Flybackphase werden die Übertrager über deren
Sekundärseiten alle vollständig abmagnetisiert und die Energie in die jeweiligen
Ausgangskondensatoren C1, C2 bis CN (Cx) übertragen. Da ein Flyback-Übertrager Energie
speichern muß, ist hier normalerweise ein Kern mit Luftspalt zu verwenden; dieser
Luftspalt reduziert gleichzeitig die Toleranz der Primärinduktivität Lpri, so daß man
von nahezu gleichen Impedanzen an den Klemmen der Primärwicklung ausgehen
kann. Das ist für die korrekte Funktion der Anordnung wichtig, denn nur damit wird
garantiert, daß auch wirklich auf jeder Stufe die gewünschte Energie gespeichert
werden kann.
The primary-side switch S is controlled (ie not regulated) via a pulse width modulation (PWM) (not shown in FIG. 1), preferably with a high switching frequency. The arrangement represents a current-mode flyback converter operating in discontinuous conduction mode (DCM). With such a converter, the processes of energy storage and transmission are completely separate, ie a new switching cycle is only initiated when all the memory transmitters have been completely demagnetized and so that the secondary currents have dropped to zero. The philosophy behind this concept is to allow the primary current ipri, which is the same for all transmitters, to rise to a certain, fixed value and thus a constant energy in each of the transmitters with each switching cycle
save. In the flyback phase, the transformers are all completely demagnetized via their secondary sides and the energy is transferred to the respective output capacitors C1, C2 to CN (Cx). Since a flyback transformer has to store energy, a core with an air gap should normally be used here; this air gap simultaneously reduces the tolerance of the primary inductance L pri , so that one can assume almost the same impedances at the terminals of the primary winding. This is important for the correct functioning of the arrangement, because this is the only way to guarantee that the desired energy can really be stored at every level.
Es versteht sich, daß ein solches Konzept impliziert, daß die gesamte pro Schaltzyklus übertragene Energie auch während dieser Zeitdauer verbraucht wird, ansonsten würde die Ausgangsspannung ansteigen. Als Spannungsregler SRx werden daher Querregler (Shuntregler) eingesetzt, die die überschüssige, von der am jeweiligen Ausgang angeschlossenen Last nicht benötigte Leistung in Wärme umsetzen. Eine solche Anordnung ist deshalb besonders vorteilhaft zur Speisung der Gate-Units in Hochspannungs-Halbleiterschaltern geeignet, die aus einer größeren Anzahl in Reihe geschalteter Einzelschaltelemente aufgebaut sind: Der Leistungsbedarf der einzelnen Gate-Units ist hierbei nämlich, bis auf unvermeidliche Toleranzen, gleich. Wesentlich für die in den Spannungsreglern SRx anfallende Verlustleistung sind daher die Toleranzen der Primärinduktivität Lpri; Diese Toleranzen sind nach Möglichkeit zu minimieren. It is understood that such a concept implies that the total pro Switching cycle transmitted energy is also consumed during this period, otherwise the output voltage would rise. SRx are therefore used as voltage regulators Transverse regulator (shunt regulator) used, the excess of which on the respective Convert the output of the connected load into heat. A such an arrangement is therefore particularly advantageous for feeding the gate units in High-voltage semiconductor switches suitable, which consist of a larger number A series of switched individual switching elements are constructed: The power requirement of the Individual gate units are the same, except for inevitable tolerances. It is therefore essential for the power loss that arises in the SRx voltage regulators the tolerances of the primary inductance Lpri; These tolerances are where possible to minimize.
Die Erzeugung mehrerer positiver oder negativer Ausgangsspannungen ist, wie aus der Literatur bekannt ist, durch das Flyback-Prinzip besonders einfach möglich. Dabei ist pro Übertrager nur an einer einzigen Wicklung ein Spannungsregler notwendig. The generation of several positive or negative output voltages is like from is known in the literature, particularly easily possible by the flyback principle. There is only one voltage regulator per transformer on a single winding necessary.
Die Übertrager Tx können besonders vorteilhaft als Stapel ausgeführt werden, wie in Fig. 2 schematisiert dargestellt ist. Dabei sind die Übertragerkerne ÜK1, ÜK2 bis ÜKN als Ferrit-Ringkerne RK1 bis RKN ausgeführt, die jeweils eine Sekundärwicklung S1 bis SN tragen. Die erforderliche Reihenschaltung von Primärwicklungen ist als Leiterschleife SL ausgeführt, die durch alle Kernöffnungen geführt und über einen - in Fig. 2 nicht dargestellten - Schalter an die - in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellte - Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Die nötige Potentialtrennung kann durch den Ringkerninnendurchmesser, die Isolationsbeschaffenheit, z. B. durch Wahl von Material, Dicke und halbleitende Beschichtung des für die Bildung der Primärwicklung als Leiterschleife SL verwendeten Kabels eingestellt werden. The transformers Tx can be designed particularly advantageously as a stack, as is shown schematically in FIG. 2. The transformer cores ÜK1, ÜK2 to ÜKN are designed as ferrite ring cores RK1 to RKN, each carrying a secondary winding S1 to SN. The required series connection of primary windings is designed as a conductor loop SL which passed through all of the core openings and a - not shown in Fig. 2 - switch on the - in Fig. 2, also not shown - DC voltage source is connected. The necessary electrical isolation can be determined by the inner diameter of the toroid, the insulation properties, e.g. B. can be adjusted by choice of material, thickness and semiconducting coating of the cable used for the formation of the primary winding as a conductor loop SL.
Eine erste Ausführungsvariante ist in Fig. 3 dargestellt. Im Primärkreis steuert dabei ein Standard-PWM-Schaltkreis einen Leistungsschalter S (vorzugsweise MOSFET oder IGBT) mit einem PWM-Signal an. Beim Erreichen des hier beispielhaft mit einem Potentiometer R eingestellten Spitzenstromes Imax im Primärkreis schaltet der Leistungsschalter S ab. Die Strommessung ist hier beispielhaft mittels eines Shuntwiderstandes Rcs ausgeführt. Die sekundärseitigen Spannungsregler SRx sind hier auf einfachste Weise als Zener-Dioden DZ1, DZ2 bis DZN ausgeführt. Es ist auch jede andere Art von Querregler, wie sie in der Literatur in großer Vielfalt beschrieben sind, einsetzbar. Beispielhaft sind hier außerdem Mittel Z1 bis ZN, D1- bis DN-, sowie C1- bis CN- für die Erzeugung einer zusätzlichen negativen Ausgangsspannung pro Übertrager Tx dargestellt; wesentlich ist, daß nur an jeweils einer einzigen Ausgangsspannung pro Kern ÜK1 bis ÜKN ein Spannungsregler eingesetzt ist. A first embodiment variant is shown in FIG. 3. In the primary circuit, a standard PWM circuit controls a power switch S (preferably MOSFET or IGBT) with a PWM signal. When the peak current Imax in the primary circuit, set here by way of example with a potentiometer R, is reached, the circuit breaker S switches off. The current measurement is carried out here by way of example using a shunt resistor R cs . The secondary-side voltage regulators SRx are designed here in the simplest way as Zener diodes DZ1, DZ2 to DZN. It is also possible to use any other type of transverse regulator, as described in great variety in the literature. By way of example, means Z1 to ZN, D1 to DN, and C1 to CN are also shown here for generating an additional negative output voltage per transformer Tx; it is essential that a voltage regulator is used only on a single output voltage per core ÜK1 to ÜKN.
Eine zweite Ausführungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt. Mit dieser Variante läßt sich vermeiden, daß bei Einsatz der Übertrageranordnung nach Fig. 2 in die Ringkerne ein Luftspalt eingebracht werden muß (ein produktionstechnisch eher aufwendiger Vorgang). Vielmehr können preisgünstige Standard-Ferritkerne mit hoher Permeabilität eingesetzt werden; die Energiespeicherung erfolgt bei diesem Prinzip in den sekundärseitigen Drosselspulen L1 bis LN (Lx), die jeweils den Sekundärwicklungen S1 bis SN parallel geschaltet sind. Neben zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Dimensionierung (in der ersten Variante können sich, bedingt durch die feste Primärwindungszahl von Npri = 1, schlecht realisierbare Luftspaltmaße ergeben) lassen sich solche Drosseln Lx auch sehr leicht mit den geforderten Induktivitätstoleranzen herstellen. A second embodiment variant is shown in FIG. 4. With this variant it can be avoided that an air gap has to be introduced into the toroidal cores when using the transformer arrangement according to FIG. 2 (a process which is rather complex in terms of production technology). Rather, inexpensive standard ferrite cores with high permeability can be used; With this principle, the energy is stored in the secondary-side choke coils L1 to LN (Lx), which are connected in parallel to the secondary windings S1 to SN. In addition to additional degrees of freedom in dimensioning (in the first variant, due to the fixed number of primary windings of Npri = 1, air gap dimensions which are difficult to implement can be produced), such chokes Lx can also be produced very easily with the required inductance tolerances.
Eine dritte Ausführungsvariante zeigt Fig. 5. Dabei sind die Übertrager Tx jeweils mit mehreren, z. B. drei Sekundärwicklungen, z. B. S1a, S1b und S1c, angeordnet. Mit dieser dritten Variante können zwei oder mehrere Gate-Units mittels einem Übertrager, z. B. T1 gespeist werden. Ein Vorteil dieser Anordnung ist somit die reduzierte Zahl der Übertrager (die allerdings entsprechend mehr Sekundärwicklungen besitzen müssen) sowie der nur eine Spannungsregler SRx pro Übertrager, da pro Übertrager überhaupt nur ein Regler eingesetzt werden darf. Die nicht direkt geregelten Ausgänge werden durch das Flyback-Prinzip mitgeregelt. Interessant ist außerdem eine Kombination der Ausführungen gemäß der Fig. 4 und 5, da auch nur eine Drossel Lx pro Übertrager Tx benötigt wird. A third embodiment variant is shown in FIG. 5. The transformers Tx are each provided with several, e.g. B. three secondary windings, e.g. B. S1a, S1b and S1c arranged. With this third variant, two or more gate units can be connected by means of a transformer, e.g. B. T1 can be fed. An advantage of this arrangement is thus the reduced number of transformers (which, however, must have more secondary windings) and the only one voltage regulator SRx per transformer, since only one regulator may be used per transformer. The outputs that are not directly controlled are also controlled by the flyback principle. A combination of the embodiments according to FIGS. 4 and 5 is also interesting, since only one choke Lx is required per transformer Tx.
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