DE10334338A1

DE10334338A1 - Gesteuerter Synchrongleichrichter zum Regeln einer Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils

Info

Publication number: DE10334338A1
Application number: DE10334338A
Authority: DE
Inventors: genannt Berghegger Ralf Schröder
Original assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Current assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US20050057951A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils, das einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist. Die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist an einem Kondensator, der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar. Die Regelschaltung ist mit einem Anschluss des Kondensators und einem Anschluss der Sekundärwicklung verbindbar, wobei die Regelschaltung ein steuerbarer Synchrongleichrichter ist. Dadurch kann eine verbesserte Regelgenauigkeit erreicht werden und eine vorhandene Restwelligkeit der Ausgangsspannung kann ausgeglichen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Regelschaltung in einem primär gesteuerten Schaltnetzteil, das einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist, wobei die Ausgangsspannung an einem Kondensator, der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Schaltnetzteil zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, wobei das Schaltnetzteil die Regelschaltung verwendet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils.
Schaltnetzteile sind getaktete Stromversorgungen, die eine gleichgerichtete, gesiebte Netzspannung zerhacken. Sie haben sich gegenüber konventionellen Netzteilen mit Netztransformatoren in vielen Anwendungsfällen durchgesetzt, da sie ab einer gewissen Leistungsklasse einen besseren Wirkungsgrad aufweisen und insbesondere einen geringeren Platzbedarf haben.
Durch den Einsatz von elektronischen Schaltern entstehen im Wesentlichen nur Schaltverluste, wobei anstelle der Netzspannung eine hochfrequente Wechselspannung transformiert wird. Anstatt der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz kann die hochfrequente Wechselspannung beispielsweise im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz liegen.
Da die erforderlichen Windungszahlen des Transformators umgekehrt proportional zur Frequenz sinken, lassen sich dadurch die Kupferverluste stark reduzieren, und der notwendige Transformator wird wesentlich kleiner. Eine Regelung erfolgt entweder durch eine Veränderung des Tastverhältnisses bei konstanter Frequenz oder durch die Änderung der Frequenz bei festem oder variablen Taktverhältnis.
Die Größe der Ausgangsspannung lässt sich durch das Taktverhältnis bestimmen, mit dem der elektronische Schalter geschlossen wird. Die durch den elektronischen Schalter zerhackte Spannung kann in jede beliebige andere Spannung transformiert und gleichgerichtet werden. Um daraus eine gewünschte Ausgangsgleichspannung eines Schaltnetzteils zu erhalten, benötigt man zunächst einen Tiefpassfilter, das den zeitlichen Mittelwert bildet, z.B. einen LC-Tiefpassfilter. Da sich dieser auf der Sekundärseite des Transformators befindet, bezeichnet man solche Netzteile auch als sekundär getaktete Schaltnetzteile.
Wenn aber zur Regelung der Gleichspannung das Tastverhältnis des Schalters auf der Primärseite verändert wird, so spricht man in diesem Fall von primär getakteten Schaltnetzteilen.
Bei beiden Prinzipien wird mit einem Schalter eine Wechselspannung erzeugt, deren Tastverhältnis die Ausgangsspannung bestimmt. Primär getaktete Netzteile werden wegen ihres höheren Wirkungsgrades im allgemeinen bevorzugt, wobei sekundär getaktete Stromversorgungen hauptsächlich als Gleichspannungswandler für kleine Leistungen eingesetzt werden.
1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen primär getakteten Schaltnetzteils, wobei das Schaltnetzteil einen primärseitigen Schalter 100 und einen Transformator mit einer Primärwicklung 102 und einer Sekundärwicklung 103 aufweist. Eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung und dem Schalter empfängt eine Eingangsspannung, die in eine bestimmte Ausgangsspannung umgewandelt werden soll. Der Schalter 100 wird durch eine primärseitige Steuerung gesteuert. Eine primärseitige Steuerung ist z.B. aus D 19805847.0-32 bekannt, und wird daher nicht im Detail beschrieben.
Eine Diode 105 ist in Reihe mit der Sekundärwicklung 103 geschaltet, wobei die Diode 105 in bestimmten Betriebsphasen den sekundärseitigen Stromkreis vom Transformator abkoppelt. Parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Diode ist ein Kondensator 104 geschaltet. Der Kondensator 104 ist ein Glättungskondensator zum Glätten der Netzteilausgangsspannung.
Bei geschlossenem Schalter ist die Anoden-Kathodenspannung der Gleichrichterdiode 105 negativ, d. h. es fließt kein Strom in der Sekundärwicklung des Transformators. In der Primärwicklung fließt ein Magnetisierungsstrom, der im Transformator als magnetische Energie gespeichert wird. Beim Öffnen des Schalters kehrt sich die Spannung an den Wicklungen um. Die Spannung an der Sekundärwicklung steigt, bis die Gleichrichterdiode 105 leitend wird, also auf den Wert der Ausgangsspannung Uaus. Da der magnetische Fluss im Transformator annähernd stetig verläuft, fließt im Zeitpunkt des Öffnens des Schalters in der Sekundärwicklung der entsprechend dem Übersetzungsverhältnis transformierte Strom der Primärwicklung. Deshalb speist die Gleichrichterdiode 105 den Kondensator 104, der in der Lage sein muss, den hohen Strom aufzunehmen.
Es ist dabei das Ziel, die entstehende Sekundärwechselspannung mit der Gleichrichterdiode 105 gleichzurichten und mittels Kondensator 104 zu glätten und eine möglichst glatte und stabile Versorgungsspannung für diverse elektronische Baugruppen zur Verfügung zu stellen. Die sekundärseitige Anordnung der Gleichrichterdiode 105 und des Glättungskondensators 104 erweist sich jedoch in manchen Fällen als unzureichend, wobei eine Nachregelung einer Restwelligkeit der Ausgangsspannung notwendig ist.

Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Regelschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung eines primär gesteuerten Schaltnetzteils sowie ein entsprechendes Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines primär gesteuerten Schaltnetzteils bereitzustellen, die eine erhöhte Regelgenauigkeit bei gleichzeitig reduzierter Baugröße ermöglicht.

Diese Aufgabe ist durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass bei einer unzureichenden Glättung der Ausgangsspannung durch die Verwendung einer sekundärseitigen Regelschaltung eine unerlaubt hohe Restwelligkeit der Ausgangsspannung kompensiert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche Regelschaltung zum Regeln einer Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils bereitgestellt. Das Schaltnetzteil weist einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf. Die Ausgangsspannung ist an einem Kondensator, der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar. Die Regelschaltung ist mit einem Anschluss des Kondensators und mit einem Anschluss der Sekundärwicklung verbindbar, wobei die Regelschaltung ein steuerbarer Synchrongleichrichter ist. Dabei besteht der Vorteil des steuerbaren Synchrongleichrichters darin, dass dieser sowohl in primärgesteuerten als auch in sekundär gesteuerten Schaltnetzteilen zum analogen Nachregeln von Restwelligkeiten der Ausgangsspannungen eingesetzt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Regelschaltung einen sekundärseitigen Schalter mit einer dazu parallel geschalteten Paralleldiode, wobei der sekundärseitige Schalter mit der parallel geschalteten Paralleldiode mit der Sekundärwicklung verbindbar ist. Die Regelschaltung umfasst weiterhin eine Synchrongleichrichteransteuerung zum Ansteuern des sekundärseitigen Schalters und eine Spannungsreglereinheit zum Regeln eines Einschaltpegels der Synchrongleichrichteransteuerung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung. Hier ist von Vorteil, dass zum Steuern des sekundärseitigen Schalters keinerlei Hilfswicklungen, z.B. zum Bereitstellen von Referenzspannungen oder anderen Hilfsspannungen, verwendet werden müssen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der sekundärseitige Schalter ein Feldeffekttransistor, wobei die Paralleldiode durch eine integrierte Diode gebildet ist, die zwischen einem Source- und einem Drainanschluss des Feldeffekttransistors geschaltet ist. Die Verwendung eines Feldeffekttransistors als sekundärseitige Schalter ermöglicht es in vorteilhafter Weise, die Diode als zusätzliches Bauteil einzusparen. Des Weiteren ist der Feldeffekttransistors ein handelsübliches und billiges Bauteil, welches eine kostengünstige Herstellung der Regelschaltung ermöglicht. Es müssen wiederum keine Hilfswicklungen verwendet werden.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer einfachen Realisierung eines primär getakteten herkömmlichen Schaltnetzteils;
2 ein Schaltbild eines primär gesteuerten Schaltnetzteils mit einer Regelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Schaltbild eines primär gesteuerten Schaltnetzteils mit einer Regelschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
2 zeigt eine Regelschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung eines primär gesteuerten Schaltnetzteils in ihrer Applikationsumgebung. Die Regelschaltung 203 umfasst einen sekundärseitigen Schalter 200 mit einer dazu parallel geschalteten Paralleldiode 204, der mit der Sekundärwicklung 103 verbindbar ist, eine Synchrongleichrichteransteuenang 201 zum Ansteuern des sekundärseitigen Schalters und eine Spannungsreglereinheit 202 zum Regeln eines Einschaltpegels der Synchrongleichrichteransteuerung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Uaus. Der sekundärseitige Schalter 200 und die dazu parallel geschaltete Paralleldiode 204 sind in Reihe mit der Sekundärwicklung 103 angeordnet. Zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Schalter mit Paralleldiode ist ein Kondensator 104 geschaltet, wobei die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils an dem Kondensator 104 abgreifbar ist.
Ausgehend von dem sekundärseitigen Schalter 200 und der dazu parallel geschalteten Paralleldiode 204 ist durch eine Leitung die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils nach außen geführt. An dieser Leitung ist auch der Kondensator 104 und der Spannungsregler 202 angeschlossen. Dadurch wird eine Rückführung des Potentialniveaus der Ausgangsspannung zum ausgangsspannungsabhängigen Ansteuern des Schalters 200 sicher gestellt.
Der Spannungsregler 202 kann ein einfacher konventioneller Linearregler sein. Der Linearregler ist dabei angepasst zum Regeln eines Einschaltpegels der Synchrongleichrichteransteuerung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Uaus. Die Synchrongleichrichteransteuerung 201 kann eine beliebige konventionelle Synchrongleichrichteransteuerung sein. Der Spannungsregler 202 und die Synchrongleichrichteransteuerung 201 bilden mit dem elektronischen Schalter einen Regelkreis aus, der angepasst ist zum sekundärseitigen Feinregeln der Ausgangsspannung Uaus.
3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, wobei anstelle des Schalters 200 und der Paralleldiode 204 ein Feldeffekttransistor 300 verwendet wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Paralleldiode 204 durch eine integrierte Diode gebildet, die zwischen dem Source- und dem Drainanschluss des Feldeffekttransistors 300 geschaltet ist. Die integrierte Diode wird oft als Substratdiode bezeichnet.
Der sekundäre Feldeffekttransistor 300 wird von dem Spannungsregler 202 und der Synchrongleichrichteransteuerung 201 analog so geregelt, dass eine Restwelligkeit der Ausgangsspannung kompensiert wird. Fällt z. B. zu einem bestimmten Zeitpunkt die Ausgangsspannung um ein ΔU zu hoch aus, dann stellt sich der interne Widerstand zwischen dem Source- und Drainanschluss des Feldeffekttransistors so ein, dass genau dieses ΔU durch einen größeren Spannungsabfall an dem inneren Widerstand des Feldeffekttransistors 300 kompensiert wird.
Die Regelung funktioniert im Bereich des Spannungsabfalls der Diodenstrecke, wobei im Extremfall nur noch die Paralleldiode im Feldeffekttransistor wirkt und dadurch ein Spannungsabfall von ca. 0,5 bis 0,7 V entsteht. Somit kann eine Regelabweichung des Primärreglers 101 von bis zu 0,5 V ausgeglichen werden. Bei Volllast ist der Spannungsabfall des Synchrongleichrichters gering, weil dann der Feldeffekttransistor voll eingeschaltet ist. In diesem Fall wird ein maximaler Wirkungsgrad erreicht, als wäre keine Regelschaltung mit einem gesteuerten Synchrongleichrichter vorhanden.
Bei geringer Last hingegen steigt die Ausgangsspannung des Gerätes durch die Regelabweichung des Primärreglers an. Dann wird der Feldeffekttransistor im Synchrongleichrichter soweit gesperrt, dass der Anstieg der Ausgangsspannung durch den Spannungsabfall an dem internen Widerstand des Feldeffekttransistors 300 ausgeglichen wird.
Im Leerlauf wirkt der Synchrongleichrichter zwar nicht mehr leistungsoptimierend, da aber ohnehin nur wenig Strom fließt, macht sich das in der Leistungsbilanz kaum bemerkbar.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass durch einfache Maßnahmen die Restwelligkeit der Netzteilspannung kompensiert werden kann. Des Weiteren erspart der erfindungsgemäße Regler die Verwendung von Hilfswicklungen zum Generieren von Hilfsspannungen, die zum sekundärseitigen Regeln verwendet werden.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, ein verbessertes Schaltnetzteil zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Uaus bereitzustellen. Durch die primärseitige Steuerung 101 wird eine Vorsteuerung der Höhe einer primärseitigen Spannung Uein in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Uaus durchgeführt. Durch Erzeugen eines sekundärseitigen Steuersignals in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Uaus wird es ohne Zuhilfenahme einer zusätzlichen Hilfswicklung ermöglicht, durch Regeln einer Spannung, die an dem sekundärseitigen Schalter abfällt, ein sekundärseitiges Feinregeln der Ausgangsspannung Uaus durchzuführen.
Mit dieser und allen anderen oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann eine hohe Regelgenauigkeit erreicht werden und damit kann gewährleistet werden, dass eine vorhandene Restwelligkeit der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils vollständig ausgeglichen wird.

Claims

Regelschaltung zum Regeln einer Ausgangsspannung (Uaus) eines Schaltnetzteils, wobei das Schaltnetzteil einen primärseitigen Schalter (100) und einen Transformator mit einer Primärwicklung (102) und einer Sekundärwicklung (103) aufweist, wobei die Ausgangsspannung an einem Kondensator (104), der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar ist, wobei die Regelschaltung (203) mit einem Anschluss des Kondensators und einem Anschluss der Sekundärwicklung verbindbar ist, und wobei die Regelschaltung ein steuerbarer Synchrongleichrichter (201) ist.
Regelschaltung nach Anspruch 1, umfassend: einen sekundärseitigen Schalter (200) mit einer dazu parallelgeschalteten Paralleldiode (204), der mit der Sekundärwicklung (103) verbindbar ist, eine Synchrongleichrichteransteuerung (201) zum Ansteuern des sekundärseitigen Schalters, und eine Spannungsreglereinheit (202) zum Regeln eines Einschaltpegels der Synchrongleichrichtersteuerung in Abhängigkeit von der Ausgangspannung (Uaus).
Regelschaltung nach Anspruch 2, wobei der sekundärseitige Schalter (200) ein Feldeffekttransistor (300) ist.
Regelschaltung nach Anspruch 3, wobei die Paralleldiode (204) durch eine integrierte Diode gebildet ist, die zwischen einem Source- und einem Drainanschluss des Feldeffekttransistors (300) geschaltet ist.
Regelschaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Feldeffekttransistor (300) als steuerbarer Widerstand betrieben ist.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Feldeffekttransistor (300) ein n-Kanal-Isolated-Gate-Feldeffekttransistor ist.
Regelschaltung nach Anspruch 2, wobei die Spannungsreglereinheit (202) zum Begrenzen der Gatespannung des Feldeffekttransistors (300) in Abhängigkeit der Ausgangsspannung (Uaus) angepasst ist.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei von der Primärwicklung (102) zu der Sekundärwicklung (103) eine primärseitig mindestens in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (Uaus) vorgeregelte Spannung übertragen wird.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schaltnetzteil ein primärgesteuertes Schaltnetzteil ist.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schaltnetzteil ein sekundärgesteuertes Schaltnetzteil ist.
Schaltnetzteil zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (Uaus), wobei das Schaltnetzteil aufweist: einen primärseitigen Schalter (100) und einen Transformator mit einer Primärwicklung (102) und einer Sekundärwicklung (103) aufweist, wobei die Ausgangsspannung an einem Kondensator (104), der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar ist, und eine Regelschaltung (203) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung (Uaus) eines Schaltnetzteils mit einem primärseitigen Schalter (100), einem Transformator mit einer Primärwicklung (102) und einer Sekundärwicklung (103), wobei die Ausgangsspannung (Uaus) an einem Kondensator (104), der parallel zu der Sekundärwicklung geschaltet ist, abgreifbar ist mittels einer Regelschaltung (203), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Vorregeln einer Höhe einer primärseitigen Spannung in Abhängigkeit der Ausgangsspannung (Uaus) durch einen primärseitigen Regler, Erzeugen eines sekundärseitigen Steuersignals in Abhängigkeit der Ausgangsspannung (Uaus) und Anlegen des Steuersignals an eine Synchrongleichrichteransteuerung, Regeln einer Spannung, die an einem sekundärseitigen Schalter abfällt zum sekundärseitigen Feinregeln der Ausgangsspannung (Uaus).