DE10257578A1

DE10257578A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE10257578A1
Application number: DE10257578A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ota
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2003-07-03
Also published as: US6717827B2; KR20030052989A; CN1428924A; US20030117818A1

Abstract

Ein Schaltnetzteil umfaßt ein an eine Wechselstromquelle angeschlossenes Störfilter, einen an den Ausgang des Filters angeschlossenen Brückengleichrichter, einen Glättungskondensator zur Glättung der von dem Brückengleichrichter ausgegebenen Gleichspannung, einen Transformator und ein Schaltelement, die eine an einen Anschluß des Glättungskondensators angeschlossene Reihenschaltung bilden, und eine Regelschaltung zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens des Schaltelements, derart, daß eine konstante Gleichspannung an eine Last an der Sekundärseite des Transformators geliefert wird. Die Reihenschaltung aus einer ersten Drossel und einer ersten Diode ist zwischen einen Ausgangsanschluß des Brückengleichrichters und einen Anschluß des Glättungskondensators geschaltet und die Reihenschaltung aus einer zweiten Drossel und einer zweiten Diode ist zwischen den Verbindungspunkt, der die erste Drossel mit der ersten Diode verbindet, und den Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung und dem Schaltelement geschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein isoliertes Schaltnetzteil, das heißt ein Schaltnetzteil mit Potentialtrennung, welches Gleichstromleistung von einer Gleichspannungsquelle, die einen Brückengleichrichter enthält und eine geglättete Ausgangsgleichspannung liefert, über einen Transformator und ein Schaltelement an eine Last liefert. Insbesondere betrifft die Erfindung Techniken zur Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors und zur Verminderung der Schaltverluste und der stationären Verluste eines solchen Schaltnetzteils.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Schaltnetzteils mit einer Glättungsschaltung mit Drosseleingang zur Verbesserung des Leistungsfaktors (s. JP 9-131055 A).

In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Wechselstromquelle, die Bezugszahlen 2 und 4 Kondensatoren, die Bezugszahl 3 eine Gleichtaktdrossel mit zwei in gleicher Wicklungsrichtung um denselben Kern gewickelten Spulen, die Bezugszahl 5 einen Brückengleichrichter, die Bezugszahl 6 einen Glättungskondensator, die Bezugszahl 7 einen Transformator, die Bezugszahl 7a dessen Primärwicklung und die Bezugszahl 7b dessen Sekundärwicklung, die Bezugszahl 8 ein Schaltelement, die Bezugszahl 9 eine Diode, die Bezugszahl 10 einen Glättungskondensator, die Bezugszahl 11 eine Last, die Bezugszahl 12 eine Regelschaltung zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens des Schaltelements 8, und die Bezugszahl 13 eine Drosselspule.

Die Kondensatoren 2 und 4 bilden zusammen mit der Gleichtaktdrossel 3 ein Störfilter (im beschriebenen Stand der Technik sind tatsächlich zwei hier nicht dargestellte weiter Kondensatoren vorgesehen, von denen je einer je eine der Wicklungen der Gleichtaktdrossel 3 mit Masse verbindet; zusammen mit diesen Kondensatoren bilden die Elemente 2 bis 4 dort ein Gleichtaktstörfilter). Es sind auch Störfilter ohne den Kondensator 2 oder den Kondensator 4 bekannt. Ein Störfilter mit einer dieser Ausgestaltungen ist als Differenzstörfilter (normal mode noise filter) bekannt. Es dient dazu Störstrom auszufiltern, der über den positiven und den negativen Ausgang des Brückengleichrichters 5 fließt. Für ein einfaches Differenzstörfilter reicht eine Drossel mit einer einzigen Wicklung anstelle der Gleichtaktdrossel 3.

Obschon nicht dargestellt, wird (wie oben für den beschriebenen Stand der Technik schon angedeutet) ein Gleichtaktstörfilter dadurch gebildet, daß jede Wicklung der Gleichtaktdrossel 3 über einen Kondensator an Masse gelegt wird. Das Gleichtaktstörfilter dient dazu, symmetrische Störströme, die beim Schalten des Schaltelements 8 zwischen dem positiven und dem negativen Ausgang des Brückengleichrichters einerseits und Masse andererseits fließen, auszufiltern.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird die von dem Brückengleichrichter 5 abgegebene doppelweg-gleichgerichtete Gleichspannung von einer Glättungsschaltung mit Eingangsdrossel, gebildet aus der Drosselspule 13 und dem Glättungskondensator 6 geglättet und nach Maßgabe des Einschalt- und Ausschaltbetriebs des Schaltelements 8 über den Transformator 7, die Diode 9 und den Glättungskondensator 10 als nahezu konstante Gleichspannung an die Last 11 geliefert. Die Regelschaltung 12 steuert das Ein/Aus-Tastverhältnis des Schaltelements 8 mittels Pulsweitenmodulation (PWM) oder auf andere Weise, um die vorgenannte Gleichspannung auf einem Sollwert zu halten.

Ladestrom wird dem Glättungskondensator 6 von der Wechselstromquelle 1 über das Störfilter, den Brückengleichrichter 5 und die Drosselspule 13 geliefert. Die Induktivität der Drosselspule 13 drückt den Spitzenwert und erhöht die Stromflußdauer dieses Ladestroms. Anders ausgedrückt, der Ladestrom, der zum Glättungskondensator 6 fließt, wird von der Drosselspule 13 geglättet, wodurch der Leistungsfaktor verbessert wird (s. JP 9-131055 A).

Da jedoch dieses Schaltnetzteil bei Schaltfrequenzen im Bereich der Netzfrequenz oder dem doppelten der Netzfrequenz verwendet wird, braucht die Drosselspule 13 eine große Induktivität von wenigstens etlichen mH, was zu einer entsprechenden Größe und zu schwerem Gewicht führt, die beide für praktische Anwendungen nachteilig sind. Die große Induktivität verlangt ihrerseits eine entsprechend hohe Anzahl von Spulenwindungen, wodurch der Spannungsabfall infolge des Widerstands der Windungen größer wird und die Gleichstromzwischenkreisspannung absinkt. Dies wiederum erhöht den effektiven Strom und bewirkt Probleme wie erhöhte Schaltverluste und eine Verringerung des Wirkungsgrads des Netzteils.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ist es aber bereits bekannt, eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur einzusetzen, um den Eingangsstrom nahezu sinusförmig zu machen und einen Leistungsfaktor von nahezu 1 zu erreichen, wobei hochfrequente Komponenten aus dem Eingangsstrom entfernt werden.

In Fig. 6 bezeichnet die Bezugszahl 14 ein zweites Schaltelement, die Bezugszahl 15 eine Diode, die Bezugszahl 16 einen Strommeßwiderstand, die Bezugszahl 17 eine Drossel und die Bezugszahl 18 eine Steuerschaltung. Die übrigen Schaltungselemente in Fig. 6 sind die gleichen wie die in Fig. 5. Im Fall von Fig. 6 werden die Spannung des Glättungskondensators 6 und der von dem Strommeßwiderstand 16 gemessene Stromwert der Steuerschaltung 18 eingegeben, die das zweite Schaltelement auf der Basis dieser Eingangssignale ein- und ausschaltet.

Bei diesem Beispiel des Standes der Technik bilden die Drossel 17, das zweite Schaltelement 14, die Diode 15, der Glättungskondensator 6, der Strommeßwiderstand 16 und die Steuerschaltung 18 eine Spannungserhöhungsschaltung (boost converter). Eine PWM-Steuerung des Schaltelements 14 durch die Steuerschaltung 18 macht den Eingangsstrom sinusförmig, beseitigt Hochfrequenzkomponenten und verbessert den Leistungsfaktor.

Das Schaltnetzteil von Fig. 6 erfordert zwei Regel/Steuerschaltungen 12 und 18 und hat folglich einen komplexen Schaltungsaufbau und hohe Kosten. Darüber hinaus erfordern nicht viele Anwendungen die vollständige Beseitigung aller Hochfrequenzkomponenten aus dem Eingangsstrom unter Aufrechterhaltung eines Leistungsfaktors von nahezu 1. Für die meisten Anwendungen ist es ausreichend, daß die Hochfrequenzkomponenten ein vorgegebenes Maß nicht überschreiten, das etwa durch Spezifikationen oder dergleichen festgelegt ist; für solch letztere Anwendungen geht das Schaltnetzteil hinsichtlich seiner Funktionalität und seiner Kosten unnötigerweise über die Erfordernisse hinaus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil zu schaffen, das ohne Zunahme von Größe und Kosten der Anordnung in der Lage ist, den Leistungsfaktor durch Ausdehnung des Stromflußwinkels über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen zu verbessern, Hochfrequenzkomponenten im Eingangsstrom in einem für praktische Bedürfnisse ausreichendem Maß zu verringern, Schaltverluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltnetzteil gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 5 gekennzeichnet.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1 bis 4 das Schaltbild eines ersten, eines zweiten, eines dritten bzw. eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 das Schaltbild eines bekannten Schaltnetzteils, und

Fig. 6 das Schaltbild eines weiteren bekannten Schaltnetzteils.

In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen und werden, soweit sie bereits in der vorangegangenen Beschreibung erläutert wurden, in der nachfolgenden Beschreibung nicht noch einmal erläutert.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Schaltnetzteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dem Anspruch 1 entspricht. Es sei hervorgehoben, daß das Störfilter in verschiedenster Weise ausgebildet sein kann.
In Fig. 1 ist ein Anschluß einer ersten Drossel 19 mit dem positiven Ausgangsanschluß des Brückengleichrichters 5 verbunden, während der andere Anschluß der Drossel 19 über eine erste Diode 21 mit einem Anschluß des Glättungskondensators 6 verbunden ist. Der genannte andere Anschluß der Drossel 19 ist außerdem über eine zweite Diode 22 und eine zweite Drossel 20 mit dem Verbindungspunkt der Primärwicklung 7a des Transformators 7 mit dem Schaltelement 8 verbunden.
Die Arbeitsweise des Schaltnetzteils in Verbindung mit dem Schalten des Schaltelements 8 wird nachfolgend im zeitlichen Ablauf beschrieben.

Intervall 1

Wenn bei diesem Aufbau das Schaltelement 8 eingeschaltet wird, fließt Endladestrom von dem Glättungskondensator 6 längs dem Weg, der sich von der Primärwicklung 7a des Transformators 7 über das Schaltelement 8 zum Glättungskondensator 6 erstreckt, weshalb während dieses Einschaltintervalls Erreger- oder Magnetisierungsenergie im Transformator 7 gespeichert wird. Nachfolgend werden die einzelnen Vorgänge chronologisch erläutert.
Der Strom durch die Drossel 19, der von der Wechselstromquelle 1 über das Störfilter (Kondensatoren 2 und 4 und Gleichtaktdrossel 3) und dann durch den Brückengleichrichter 5 fließt, teilt sich in eine Stromkomponente, die längs dem Weg von der Drossel 19 über die Diode 22, die Drossel 20, das Schaltelement 8 und den Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 1 bezeichnet) und die Drossel 20 erregt bzw. magnetisiert, sowie eine andere Stromkomponente, die längs dem Weg von der Drossel 19 über die Diode 21, den Glättungskondensator 6 und den Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 2 bezeichnet).

Intervall 2

Wenn die Stromkomponente im Weg 2 null wird, während das Schaltelement 8 eingeschaltet ist, bleibt nur noch die Stromkomponente im Weg 1. Zu diesem Zeitpunkt erregt der Strom beide Drosseln 19 und 20, und die Wechselstromquelle 1 ist die Quelle dieses Stroms. Die an den Drosseln 19 und 20 anliegende Spannung gleicht im wesentlichen der Spannung der Wechselstromquelle, die im Verhältnis ihrer Impedanzen auf die Drosseln 19 und 20 aufgeteilt ist.
Eine Regelschaltung 12 regelt die an die Last 11 angelegte Spannung auf einen Sollwert, durch Pulsweitensteuerung der Einschaltdauer des Schaltelements 8.

Intervall 3

Während des aufgrund eines Befehls von der Regelschaltung 12 eingeleiteten Abschaltintervalls des Schaltelements 8 wird die im Transformator 7 gespeicherte Energie von der Sekundärwicklung 7b an die Diode 9 und den Glättungskondensator 10 geliefert und in eine Gleichspannung für die Last 11 umgewandelt.
Der Strom der Drossel 19, der von der Wechselstromquelle 1 über das Störfilter und dann durch den Brückengleichrichter 5 fließt, teilt sich auf in eine Stromkomponente, die auf dem Weg von der Drossel 19 zur Diode 22, der Drossel 20, der Primärwicklung 7a des Transformators 7, dem Glättungskondensator 6 und dem Brückengleichrichter 5 zu der Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 3 bezeichnet) und die Drossel 20 entlädt, sowie eine andere Stromkomponente, die auf dem Weg von der Drossel 19 zur Diode 21, dem Glättungskondensator 6 und dem Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (Weg 2).
Zu diesem Zeitpunkt hat die an der Drossel 20 anliegende Spannung dieselbe Höhe (aber entgegengesetzte Polarität) wie die an der Primärwicklung 7a des Transformators 7 anliegende Spannung. Der Glättungskondensator 6 wird aus einer Quelle aufgeladen, die die Spannung der Wechselstromquelle 1 und die Spannung der Drossel 19 umfaßt, und der Strom im Weg 3 wir null.

Intervall 4

Wenn der Strom im oben beschriebenen Weg 3 null wird, bleibt nur noch der Strom im Weg 2, und der Kondensator 6 wird von einer Quelle geladen, die die Spannung der Wechselstromquelle 1 und die Spannung der Drossel 19 umfaßt.
Auf diese Weise wird nach Maßgabe des Ein- und Ausschaltens des Schaltelements 8 Energie an die Last 11 auf der Sekundärseite des Transformators geliefert. Da Wechselstrom selbst dann von der Wechselstromquelle 1 fließen kann, wenn die Spannung der Wechselstromquelle unter der des Glättungskondensators 6 liegt, kann der Leistungsfaktor durch Vergrößerung des Stromflußwinkels des Eingangsstroms verbessert werden. Da außerdem während des Intervalls 2 vom Strom im Weg 1 in der Drossel 19 gespeicherte Energie während der Intervalle 3, 4 und 1 zum Glättungskondensator 6 entladen wird, wird die Spannung des Glättungskondensators 6 erhöht.
Das Erhöhen der Spannung des Glättungskondensators 6 führt zu einer Verringerung des effektiven Stroms der Primärwicklung 7a des Transformators 7, der elektrische Leistung an die Last 11 liefert. Demzufolge nehmen auch die Verluste durch das mit der Primärwicklung 7a in Reihe geschaltete Schaltelement 8 ab.
Die Spannungserhöhung V_S des Glättungskondensators 6 ist durch die nachfolgende Gleichung (1) gegeben, in der V_ac die Spitzenspannung der Wechselstromquelle 1 ist, L₁₉ die Induktivität der Drossel 19 ist, L₂₀ die Induktivität der Drossel 20 ist, T der Schaltzyklus des Schaltelements 8 ist und T₂ die Dauer des vorgenannten Intervalls 2 ist.
Die Spannungserhöhung V_S des Glättungskondensators 6 ist über das Induktivitätsverhältnis der Drossel 19 und 20 einstellbar und unabhängig von den Einschalt- und Ausschaltintervallen des Schaltelements 8. Daher erlaubt der Einsatz einer einzigen Regelschaltung 12, daß die Spannung des Glättungskondensators 6 über einen weiten Bereich erhöht wird und der Leistungsfaktor verbessert wird. Da außerdem die erhöhte Spannung des Glättungskondensators 6 nach Maßgabe des Induktivitätsverhältnisses der Drosseln 19 und 20 auf einen geeigneten Wert eingestellt werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung (Wechselspannung) groß ist, kann als Glättungskondensator 6 ein Kondensator mit relativ niedriger Spannungsfestigkeit ausgewählt werden, wodurch die Kosten im Rahmen gehalten werden können.
Da ferner Komponenten für Hochfrequenzverwendung entsprechend der Schaltfrequenz des Schaltelements 8 (beispielsweise in der Größenordnung von 100 kHz) und mit Induktivitäten im Bereich von etlichen 10 bis etlichen 100 µH als Drosseln 19 und 20 eingesetzt werden können, kann ein kleines und preiswertes Schaltnetzteil realisiert werden.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das Anspruch 2 entspricht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Drossel 19 von Fig. 1 an der Eingangsseite des Brückengleichrichters 5 angeordnet. Die Anoden der Dioden 23 und 24 sind mit einem jeweiligen der Eingangsanschlüsse des Brückengleichrichters 5 verbunden, und die Kathoden der Dioden 23 und 24 sind über die Drossel 20 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung 7a und dem Schaltelement 8 verbunden. Die Drossel 19 und der Kondensator 4 wirken hier zugleich als Differenzstörfilter (normal mode noise filter), das Differenzstörströme in der positiven und der negativen Ausgangsleitung des Brückengleichrichters 5 entfernt.
In Fig. 2 ist die erste Drossel 19 von Fig. 1 zwischen die Gleichtaktdrossel 3 und den Kondensator 4 gesetzt. Je nach Ausgestaltung des Störfilters sind aber verschiedene Varianten möglich. So kann die Drossel 19 beispielweise zwischen den Kondensator 4 und den Brückengleichrichter 5 gesetzt werden, Kondensator 2 und/oder 4 kann entfallen, und ein Kondensator kann zwischen der Gleichtaktdrossel 3 und der Drossel 19 angeordnet werden.
Die Arbeitsweise des Schaltnetzteils in Verbindung mit dem Schalten des Schaltelements 8 wird nachfolgend im zeitlichen Ablauf beschrieben.

Intervall 1

Wenn das Schaltelement 8 eingeschaltet wird, teilt sich der Strom der Drossel 19, der von der Wechselstromquelle 1 durch das Gleichtaktstörfilter und das Differenzstörfilter sowie dann durch den Brückengleichrichter 5 fließt, in eine Stromkomponente, die längs dem Weg von der Drossel 19 über die Diode 23, die Drossel 20, das Schaltelement 8 und den Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 1' bezeichnet) und die Drossel 20 erregt, sowie eine Stromkomponente, die längs dem Weg von der Drossel 19 über den Brückengleichrichter 5, den Glättungskondensator 6 und den Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 2' bezeichnet).

Intervall 2

Wenn der Strom im Weg 2' während der Einschaltdauer des Schaltelements 8 null wird, bleibt nur noch die Stromkomponente im Weg 1' übrig. Zu diesem Zeitpunkt erregt der Strom beide Drosseln 19 und 20, und die Wechselstromquelle 1 ist die Quelle dieses Stroms. Die an den Drosseln 19 und 20 anliegende Spannung, ist gleich der Spannung der Wechselstromquelle, die im Verhältnis der Impedanzen der Drosseln auf diese aufgeteilt ist.
Wenn dann das Schaltelement durch einen Befehl von der Regelschaltung 12 abgeschaltet wird, wird während des Abschaltintervalls im Transformator 7 gespeicherte Energie über die Sekundärwicklung 7b zur Diode 9 und zum Glättungskondensator 10 entladen und dann in Gleichstromleistung für die Last 11 umgesetzt.
Auch hier arbeitet die Regelschaltung 12 so, daß die Spannung an der Last 11 praktisch konstant gehalten wird.

Intervall 3

Der Strom der Drossel 19, der von der Wechselstromquelle 1 durch die beiden Störfilter und dann durch den Brückengleichrichter 5 fließt, teilt sich in eine Stromkomponente, die längs dem Weg von der Drossel 19 über die Diode 23, die Drossel 20, die Primärwicklung 7a, den Glättungskondensator 6 und den Brückengleichrichter 5 zur Wechselstromquelle 1 fließt (nachfolgend als Weg 3' bezeichnet) und bewirkt, daß die Drossel 20 entladen wird, sowie eine weitere Stromkomponente, die längs dem vorgenannten Weg 2' fließt. Der Strom im Weg 3' wird null.

Intervall 4

Wenn der Strom im oben genannten Weg 3' null wird, bleibt nur noch der Strom im Weg 2', und der Glättungskondensator 6 wird aus einer Quelle umfassend die Spannung der Wechselstromquelle 1 und die Spannung der Drossel 19 geladen.
Dementsprechend ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel derselbe Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Ferner wird aufgrund der Ausnutzung der Drossel 19 als Bestandteil eines Differenzstörfilters eine wirkungsvolle Nutzung der Schaltungskomponenten des Differenzstörfilters erreicht.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das Anspruch 3 entspricht.
Die Unterschiede zwischen diesem Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel liegen hauptsächlich in einem Snubber-Kondensator 26 und einer ersten Rückkopplungsdiode 25, die parallel zum Schaltelement 8 geschaltet sind. Damit der Snubber-Kondensator 26 entladen wird, ist eine geschlossene Schleife umfassend den Snubber-Kondensator 26, eine Tertiärwicklung 7c des Transformators 7 (die mit der Primärwicklung 7a in Reihe geschaltet ist), eine Diode 27 und ein Schaltelement 28 vorgesehen, und eine zweite Rückkopplungsdiode 29 liegt parallel zu dem Schaltelement 28. Abgesehen von den vorgenannten Unterschieden gleicht die Schaltung von Fig. 3 derjenigen von Fig. 1.
Damit die beiden Schaltelemente dieses Ausführungsbeispiels besser auseinandergehalten werden können, wird das Schaltelement 8 als Hauptschaltelement und das Schaltelement 28 als Hilfsschaltelement bezeichnet.
Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels wird nachfolgend beschrieben. Dabei beschränkt sich die Beschreibung auf Unterschiede der Arbeitsweise, die in Unterschieden im Schaltungsaufbau gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beruhen, da die grundlegende Schaltungsfunktion, nämlich die Lieferung einer Gleichspannung an eine Last aufgrund des Einschaltens und Ausschaltens des Hauptschaltelements 8 dieselbe wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist.
Wenn das Hilfsschaltelement 28 veranlaßt wird, vor dem Hauptschaltelement 8 einzuschalten, entlädt sich der Snubber-Kondensator 26 längs dem Weg, der von dem Snubber-Kondensator 26 über die Tertiärwicklung 7c des Transformators 7 und die Diode 27 zum Hilfsschaltelement 28 führt. Dieser Entladestrom erregt die Tertiärwicklung 7c, was Erregerenergie im Transformator 7 speichert, und fließt längs des Wegs vom Snubber-Kondensator 26 über die Primärwicklung 7a zum Glättungskondensator 6. Wenn veranlaßt wird, daß das Hauptschaltelement 8 nach Abschluß dieser Entladung eingeschaltet wird, wird es in einem spannungsfreien Zustand eingeschaltet, daß heißt die Spannung über seinen beiden Anschlüssen ist null, so daß keine Schaltverluste entstehen.
Wenn das Hauptschaltelement 8 ausgeschaltet wird, ist die Spannung über dem Snubber-Kondensator 26 null, und Strom der während der Einschaltdauer des Hauptschaltelements 8 durch dieses geflossen ist, kommutiert zum Snubber-Kondensator 26, so daß dieser aufgeladen wird und eine Spannung an das Hauptschaltelement 8 anlegt. Auch beim Ausschalten des Hauptschaltelements 8, befindet sich dieses daher im spannungslosen Zustand, so daß auch hierbei keine Schaltverluste entstehen.
Dementsprechend führt das Hauptschaltelement sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten weiche Schaltvorgänge aus, und, weil der Glättungskondensator 6 die Energie vom Snubber- Kondensator 26 regeneriert, können die Schaltverluste des Hauptschaltelements 8 verringert werden und der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils erhöht werden.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das Anspruch 4 entspricht.
Dieses vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel in gleicher Weise, wie sich das dritte Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Das heißt, bei dem vierten Ausführungsbeispiel sind im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel die Elemente 25 bis 29 so wie die Tertiärwicklung 7c mit der gleichen Wirkung hinzugekommen, wie sie in Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Dies führt dazu, daß die Grundfunktion des vierten Ausführungsbeispiels gleich derjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels ist, daß aber zusätzlich die weichen Schaltvorgänge des Hauptschaltelements 8, die für das dritte Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, unter Verringerung der Schaltverluste und Erhöhung des Wirkungsgrads des Schaltnetzteils erreicht werden.
Zusätzlich hat bei diesem Ausführungsbeispiel, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, die vor dem Brückengleichrichter liegende Drossel 19 die Wirkung der Reduzierung von Differenzstörsignalen (normal mode noise).
Konfigurationen, bei denen die erste Drossel 19 vor dem Brückengleichrichter eingefügt wird, wie oben in Verbindung mit dem zweiten und dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben, machen es möglich, die Streuinduktivität der Gleichtaktdrossel 3 als erste Drossel 19 zu verwenden. Dies führt zu einer Verringerung der Teilezahl und damit zu einer Verringerung sowohl der Herstellungskosten als auch des Gewichts des Schaltnetzteils.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß eine Auslegung gewählt wird, bei der der Wert der Streuinduktivität der Gleichtaktdrossel 3 dem der ersten Drossel 19 entspricht.
Ein Beispiel der Auslegung wird nachfolgend beschrieben. Für den weltweiten Eingangsspannungsbereich (von 100 V bis 240 V) wird ein Schaltnetzteil so ausgelegt, daß ein Kondensator mit einer Durchbruchsspannung von 450 V als Glättungskondensator 6 eingesetzt werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung bis zur oberen Grenze des genannten Spannungsbereichs erhöht wird. Preiswerte Allzweckkondensatoren sind als Kondensatoren einsetzbar, wenn die Durchbruchsspannung 450 V beträgt. Ein Schaltnetzteil sollte so ausgelegt sein, daß die an den Glättungskondensator 6 angelegte Spannung 420 V oder weniger beträgt, damit ein Sicherheitsabstand von etwa 10% für den Glättungskondensator 6 bestehen bleibt.
Wenn bei dem oben angegebenen Spannungsbereich eine Wechselspannungsschwankung von etwa 10% zu berücksichtigen ist, kann die maximale Eingangsspannung (Effektivwert) 264 V betragen. Da die Summe aus dieser maximalen Eingangsspannung und der Spannungserhöhung V_S 420 V oder weniger für die Auslegung des Schaltnetzteils betragen sollte, sollte die Spannungserhöhung V_S 45 V oder weniger betragen.
Wenn die Eingangsspannung 264 V beträgt und der Transformator 7 so ausgelegt ist, daß die Dauer T₂ des Intervalls 2 bei maximaler Last annähernd 20% des Schaltzyklus T des Hauptschaltelements 8 beträgt, werden die Induktivitäten L₁₉ (400 µH) und L₂₀ aus Gleichung 1 für die vorgenannte Erhöhungsspannung V_S so gewählt, daß ihr Verhältnis L₁₉/L₂₀ nicht mehr als 0,938 beträgt. Bei praktischen Anwendungen wird der Wert der Induktivität L₁₉ der Drossel 19 auf einen für ein Störfilter geeigneten Wert gesetzt, und der Wert der Induktivität L₂₀ der Drossel 20 wird so gewählt, daß das vorgenannte Verhältnis 0,938 nicht überschritten wird.
Wie voranstehend beschrieben, wird der Leistungsfaktor verbessert, indem der Stromflußwinkel des Eingangsstroms über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen vergrößert wird. Im Eingangsstrom enthaltene Hochfrequenzkomponenten werden so begrenzt, daß sie einen vorgegebenen Wert, der etwa durch Spezifikationen oder dergleichen festgelegt ist, nicht überschreiten, so daß die Hochfrequenzkomponenten auf ein für praktische Anwendungen akzeptables Maß reduziert sind. Die Schaltverluste des Hauptschaltelements und die Kondensatorspannungsfestigkeit werden verringert, so daß ein Schaltnetzteil mit hohem Wirkungsgrad und geringen Kosten erreicht wird.

Claims

1. Schaltnetzteil, umfassend
ein Störfilter (2, 3, 4),
einen Brückengleichrichter (5), der über das Störfilter an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist,
einen Glättungskondensator (6) am Ausgang des Brückengleichrichters (5) zur Glättung der von dem Brückengleichrichter (5) ausgegebenen Gleichspannung,
einen Transformator (7), dessen Primärwicklung (7a) mit einem Schaltelement (8) eine an einen Anschluß des Glättungskondensators (6) angeschlossene Reihenschaltung bildet, und
eine Regelschaltung (12) zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens des Schaltelements (8) derart, daß eine durch Gleichrichtung der Spannung an der Sekundärwicklung (7b) des Transformators (7) gewonnene Gleichspannung auf einen Sollwert geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus einer ersten Drossel (19) und einer ersten Diode (21) zwischen einen Ausgangsanschluß des Brückengleichrichters (5) und einen Anschluß des Glättungskondensators (6) geschaltet ist und die Reihenschaltung aus einer zweiten Drossel (20) und einer zweiten Diode (22) zwischen den Verbindungspunkt, der die erste Drossel (19) mit der ersten Diode (21) verbindet, und den Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung (7a) und dem Schaltelement (8) geschaltet ist.

2. Schaltnetzteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Drossel (19) zwischen die Gleichtaktdrossel (3) und einen Eingangsanschluß des Brückengleichrichters (5) geschaltet ist, die Anode einer ersten Diode (23) und die Anode einer zweiten Diode (24) mit einem jeweiligen der Eingangsanschlüsse des Brückengleichrichters (5) verbunden sind und eine zweite Drossel (20) die Kathode dieser Dioden (23, 24) mit dem Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung (7a) und dem Schaltelement (8) verbindet.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Snubber- Kondensator (26) und eine erste Rückkopplungsdiode (25) jeweils parallel zu dem Schaltelement (8) geschaltet sind, eine geschlossene Schleife umfassend den Snubber-Kondensator (26), eine Tertiärwicklung (7c) des Transformators (7), eine weitere Diode (27) und ein Hilfsschaltelement (28) gebildet ist, und eine zweite Rückkopplungsdiode (29) parallel zu dem Hilfsschaltelement (28) geschaltet ist.

4. Schaltnetzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Störfilter eine Gleichtaktdrossel (3) enthält und die erste Drossel von der Streuinduktivität der Gleichtaktdrossel (3) gebildet wird.