DE112012003123T5

DE112012003123T5 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE112012003123T5
Application number: DE112012003123.7T
Authority: DE
Inventors: Tsuguo Nishimura
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-04-10
Also published as: JP2013027242A; WO2013015214A1; US20140140103A1; US9178435B2

Abstract

Es wird ein Schaltnetzteil bereitgestellt, das mit geringerer Wahrscheinlichkeit beschädigt wird und weniger Bestandteile aufweist, wodurch eine Stoßspannung unterdrückt werden kann. Das Schaltnetzteil weist einen Transformator 14 auf, der eine von einer Brückenschaltung 13 umgewandelte Wechselspannung transformiert und die transformierte Spannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen L2 und L3 ausgibt, sowie zwei zweite Schalter M6, M5, die jeweils veranlassen, dass beide Enden der Sekundärspulen L2 und L3 in Kontakt mit einem festen elektrischen Potential gebracht bzw. davon getrennt werden. Durch Ein-/Ausschalten der zweiten Schalter M6, M5 gibt das Schaltnetzteil am Mittelabgriff die gleichgerichtete Gleichspannung aus. Das Schaltnetzteil weist ferner zwei Dioden D1, D2 auf, die mit den zwei Enden der Sekundärspulen L2 und L3 verbunden sind und von den jeweiligen Enden her mit Strom durchflossen werden, einen Kondensator C2, der die zum Fließen gebrachten Ströme speichert, und einen dritten Schalter M7, der zwischen den Kondensator C2 und den Mittelabgriff geschaltet ist, wobei durch Einschalten des dritten Schalters M7 der Kondensator C2 zur Glättungsschaltung L5 hin entladen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil, bei dem eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern eine Eingangs-Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, ein Transformator die umgewandelte Wechselspannung transformiert und die transformierte Wechselspannung an einem Mittelabgriff einer Sekundärspule abgibt und eine Glättungsschaltung die am Mittelabgriff ausgegebene Spannung glättet und die geglättete Spannung ausgibt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
11 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für eine Anordnung eines Schaltnetzteilgeräts aus Patentdokument 1 zeigt. Bei diesem Schaltnetzteilgerät wandelt ein Wechselrichter 1, der eine H-förmige Brücke aufweist, die von vier Schaltern gebildet wird, eine Gleichspannung Vin, die an Eingangskontakten T1, T2 anliegt, welche an den zwei Enden eines Kondensators 2 bereitgestellt sind, in eine Wechselspannung. Ein resonanter Induktor 4 und eine Primärspule eines Transformators 3 sind mit einem Brückenabschnitt der H-förmigen Brücke in Reihe geschaltet, so dass die von dem Wechselrichter 1 umgewandelte Wechselspannung von dem Transformator 3 transformiert wird und die transformierte Wechselspannung von einer Gleichrichterschaltung 5 gleichgerichtet wird.
Die Gleichrichterschaltung 5 weist eine Diode 51, deren Anode mit einem Kontakt (bzw. Anschluss) TA der Sekundärspulen des Transformators 3 verbunden ist, und eine Diode 52 auf, deren Anode mit einem weiteren Kontakt TB der Sekundärspulen verbunden ist. Die Kathoden der Dioden 51, 52 sind miteinander verbunden. Die Gleichrichterschaltung 5 gibt die gleichgerichtete Gleichspannung von den Kathoden der Dioden 51, 52, die miteinander verbunden sind, an eine Snubber- bzw. Dämpferschaltung 6 aus.
In der Dämpferschaltung 6 ist ein Kontakt eines Kondensators 61 mit den Kathoden der Dioden 51, 52 verbunden, die miteinander verbunden sind, und der andere Kontakt des Kondensators 61 ist mit einer Anode einer Diode 62 und einem Kontakt eines regenerativen Induktors 63 verbunden. Eine Kathode 62 und der andere Kontakt des regenerativen Induktors 63 sind mit dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen des Transformators 3 verbunden.
Die Gleichspannung, in der Stoßspannungen absorbiert und von der Dämpferschaltung 6 reduziert werden, wird von einer Glättungsschaltung 7 geglättet, und die geglättete Gleichspannung Vout wird an Ausgangskontakten T3, T4 ausgegeben. Bei der Glättungsschaltung 7 ist ein Kontakt eines Induktors 71 mit dem einen Kontakt des Kondensators 61 der Dämpferschaltung 6 verbunden, und der andere Kontakt des Induktors 71 ist mit dem Ausgangskontakt T3 und einem Kontakt eines Kondensators 72 verbunden. Der andere Kontakt des Kondensators 72 ist mit dem Ausgangskontakt T4 und dem Mittelabgriff zwischen den sekundärseitigen Spulen des Transformators 3 verbunden.
Bei dem Schaltnetzteilgerät mit einer solchen Anordnung bilden der Kondensator 61 der Dämpferschaltung 6 und der resonante Induktor 4, der auf der Primärseite des Transformators 3 bereitgestellt ist, einen seriellen LC-Reihenschwingkreis, der die Unterdrückung einer an den Dioden 51, 52 der Gleichrichterschaltung 5 angelegten Stoßspannung ermöglicht.
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument Nr. 1: JP 2005-137178A

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABEN
Bei dem vorstehend beschriebenen Schaltnetzteilgerät wird mittels Unterdrücken einer Stoßspannung durch die Dämpferschaltung 6 verhindert, dass die Dioden 51, 52 der Gleichrichterschaltung 5 beschädigt werden. Wenn jedoch ein solches Schaltnetzteilgerät bei einem Hochstrom-Gleichstromwandler Anwendung findet, besteht dass Problem, dass, da die Sekundärspulen des Transformators 3, der eine Stoßspannung verursacht, eine hohe Induktivität aufweisen, ein hoher Strom durch den regenerativen Induktor 63 der Dämpferschaltung 6 fließt, was zu hohen Verlusten in dem regenerativen Induktor 63 führt.
Die vorliegende Erfindung entstand angesichts der vorstehend beschriebenen Umstände, und ihr liegt als Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil bereitzustellen, das einen niedrigen Verlust und wenige Komponenten aufweist sowie eine Stoßspannung unterdrücken kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Ein Schaltnetzteil gemäß einer ersten Erfindung weist auf eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung umzuwandeln; einen Transformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird und der dazu eingerichtet ist, die transformierte Spannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen des Transformators auszugeben; zwei zweite Schalter, die dazu dienen, zwei Enden der Sekundärspulen jeweils mit einem festen elektrischen Potential in Kontakt zu bringen bzw. davon zu trennen, und eine Glättungsschaltung, die den Spannungsausgang am Mittelabgriff glättet, wobei am Mittelabgriff eine gleichgerichtete Gleichspannung ausgegeben wird, indem die zweiten Schalter jeweils mittels mit dem Schaltvorgang synchronisierten Steuersignalen an- bzw. ausgeschaltet werden, und die von der Glättungsschaltung geglättete Gleichspannung von dem Schaltnetzteil ausgegeben wird, wobei das Schaltnetzteil weiterhin aufweist: zwei Dioden, die jeweils an eines der zwei Enden der Sekundärspulen angeschlossen sind und von den jeweiligen Enden her mit Strom durchflossen werden, einen Kondensator, der die durch die Dioden geflossenen Ströme speichert, und einen dritten Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff geschaltet ist, wobei der Kondensator dadurch zur Glättungsschaltung hin entladen wird, dass der dritte Schalter mittels eines zweiten mit dem Schaltvorgang synchronisierten Steuersignals eingeschaltet wird.
Bei dem Schaltnetzteil wandelt die Brückenschaltung, die mehrere Schalter aufweist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung um, und der Transformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird, gibt die transformierte Spannung an dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen aus. Die zwei zweiten Schalter veranlassen jeweils, dass zwei Enden der Sekundärspulen mit einem festen elektrischen Potential in Kontakt gebracht bzw. davon getrennt werden, und die Glättungsschaltung glättet den Spannungsausgang am Mittelabgriff. Die zweiten Schalter werden mit den Steuersignalen, die mit dem Schaltvorgang der Brückenschaltung synchronisiert sind, jeweils ein-/ausgeschaltet und geben dadurch die gleichgerichtete Gleichspannung an dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen ab, und die Glättungsschaltung gibt die geglättete Gleichspannung ab. Die zwei Dioden, die an die zwei Enden der Sekundärspulen angeschlossen sind, veranlassen jeweils, dass Ströme von den zwei Enden der Sekundärspulen her fließen, und der Kondensator speichert die durch die beiden Dioden geflossenen Ströme. Der dritte Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen geschaltet ist, wird durch das zweite Steuersignal eingeschaltet, das mit dem Schaltvorgang der Brückenschaltung synchronisiert ist, und dadurch wird der Kondensator zu der Glättungsschaltung hin entladen.
Das Schaltnetzteil gemäß einer zweiten Erfindung ist so eingerichtet, dass das zweite Steuersignal auf Grundlage geschalteter Teile der Steuersignale generiert wird.
Bei diesem Schaltnetzteil wird das zweite Steuersignal, das den dritten Schalter ein-/ausschaltet, auf Basis der geschalteten Teile der Steuersignale der zweiten Schalter geschaltet.
Ein Schaltnetzteil gemäß einer dritten Erfindung weist auf eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung umzuwandeln; einen Transformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird und der dazu eingerichtet ist, die transformierte Spannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen des Transformators auszugeben; zwei Dioden, deren Kathoden mit zwei Enden der Sekundärspulen verbunden sind und deren Anoden mit einem festen elektrischen Potential verbunden sind; und eine Glättungsschaltung, die den Spannungsausgang am Mittelabgriff glättet, wobei die von der Glättungsschaltung geglättete Gleichspannung von dem Schaltnetzteil ausgegeben wird, wobei das Schaltnetzteil weiterhin aufweist: zwei zweite Dioden, die jeweils an eines der zwei Enden der Sekundärspulen angeschlossen sind und von den jeweiligen Enden her mit Strom durchflossen werden, einen Kondensator, der die durch die zweiten Dioden geflossenen Ströme speichert, und einen zweiten Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff geschaltet ist, wobei der Kondensator dadurch zur Glättungsschaltung hin entladen wird, dass der zweite Schalter synchron zu dem Schaltvorgang eingeschaltet wird.
Bei diesem Schaltnetzteil wandelt die Brückenschaltung, die mehrere Schalter aufweist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung um, und der Transformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird, gibt die umgewandelte Spannung an dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen aus. Die Kathoden der beiden Dioden sind mit den zwei Enden der Sekundärspulen verbunden, und die Anoden der beiden Dioden sind mit einem festen elektrischen Potential verbunden, und die Glättungsschaltung glättet den Spannungsausgang am Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen und gibt die geglättete Gleichspannung aus. Die zwei zweiten Dioden, die jeweils mit einem der zwei Enden der Sekundärspulen verbunden sind, bewirken, dass Ströme von den beiden Enden der Sekundärspulen her fließen, und der Kondensator speichert die durch die zweiten Dioden geflossenen Ströme. Der zweite Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen geschaltet ist, wird synchron zu dem Schaltvorgang der Brückenschaltung eingeschaltet, und dadurch wird der Kondensator zu der Glättungsschaltung hin entladen.
Das Schaltnetzteil gemäß einer vierten Erfindung ist so eingerichtet, dass die Glättungsschaltung mit einer Spule versehen ist, die einen Strom am Mittelabgriff glättet, und der zweite Schalter abhängig von einer Spannung zwischen beiden Enden der Spule eingeschaltet wird.
Bei diesem Schaltnetzteil ist die Glättungsschaltung solchermaßen eingerichtet, dass die Spule den Strom glättet, der von dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen aus fließt, und der zweite Schalter von der Spannung zwischen beiden Enden der Spule eingeschaltet wird.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Gemäß dem Schaltnetzteil der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Schaltnetzteil zu realisieren, das einen niedrigen Verlust und wenige Komponenten aufweist und in der Lage ist, eine Stoßspannung zu unterdrücken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild, das eine Anordnung eines Hauptabschnitts eines Schaltnetzteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für den Betrieb des Schaltnetzteils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 zeigt Zeitablaufdiagramme, die Beispiele für den Betrieb des Schaltnetzteils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
4 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine Anordnung einer Steuersignalgeneratoreinheit veranschaulicht.
5 zeigt Zeitablaufdiagramme, die Beispiele für den Betrieb der Steuersignalgeneratoreinheit veranschaulichen.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für den tatsächlichen Betrieb des Schaltnetzteils aus 1 veranschaulicht.
7 zeigt Darstellungen von Wellenformen, die Beispiele für den tatsächlichen Betrieb des Schaltnetzteils aus 1 veranschaulichen.
8 zeigt Darstellungen von Wellenformen, die Beispiele für den Betrieb eines herkömmlichen Schaltnetzteils veranschaulichen.
9 ist ein Schaltbild, das eine Anordnung eines Hauptabschnitts des Schaltnetzteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 zeigt Zeitablaufdiagramme, die Beispiele für den Betrieb des Schaltnetzteils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
11 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für eine Anordnung eines herkömmlichen Schaltnetzteilgeräts zeigt.
Bezugszeichenliste

10: Steuereinheit
11: Steuersignalgeneratoreinheit
13: H-förmige Brückenschaltung
14: Transformator
C1, C2: Kondensator
D1 bis D6: Diode
L1: Primärspule
L2, L3: Sekundärspule
L5: Drosselspule (Spule)
M1 bis M4: FET (Schalter)
M5, M6: Gleichrichtereinrichtung (zweiter Schalter)
M7: FET (zweiter Schalter, dritter Schalter)

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild, das eine Anordnung eines Hauptabschnitts eines Schaltnetzteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Schaltnetzteil ist mit einer H-förmigen Brückenschaltung 13 versehen, die durch vier N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren (FETs, Schalter) M1 bis M4 gebildet wird und eine angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Die Brücke der H-förmigen Brückenschaltung 13 wird durch eine Primärspule L1 eines Transformators 14 gebildet, und die Sekundärspule des Transformators 14 wird durch zwei Spulen L2 und L3 gebildet, die voneinander durch einen Mittelabgriff getrennt sind.
Erste Enden der jeweiligen Spulen L2 und L3 sind über den Mittelabgriff miteinander verbunden, und zweite Enden der jeweiligen Spulen L2 und L3 sind mit den Drain-Kontakten der Gleichrichtereinrichtungen (zweiten Schalter) M6 und M5 verbunden, bei denen es sich um N-Kanal-MOSFETs handelt. Der Source-Kontakt der Gleichrichtereinrichtung M6 ist geerdet, und der Gate-Kontakt der Gleichrichtereinrichtung M6 ist über einen Widerstand R3 geerdet und über einen Widerstand R4 mit einer Konstantspannungsquelle V1 verbunden. Der Source-Kontakt der Gleichrichtereinrichtung M5 ist geerdet, und der Gate-Kontakt der Gleichrichtereinrichtung M5 ist über einen Widerstand R2 geerdet und über einen Widerstand R5 mit einer Konstantspannungsquelle V2 verbunden.
Die zweiten Enden der jeweiligen Spulen L2 und L3 sind außerdem auch mit den Anoden von Dioden D1, D2 verbunden, und die Kathoden der Dioden D1, D2 sind beide mit einem Kontakt eines Kondensators C2 verbunden. Der andere Kontakt des Kondensators C2 ist geerdet. Der eine Kontakt des Kondensators C2 ist außerdem auch mit dem Drain-Kontakt eines N-Kanal-MOSFETs (dritter Schalter) M7 verbunden, und der Source-Kontakt des FETs M7 ist mit dem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 des Transformators 14 verbunden. Die Dioden D1 und D2, der Kondensator C2 und der FET M7 bilden eine Dämpferschaltung zum Absorbieren eines von den Sekundärspulen L2 und L3 des Transformators 14 ausgehenden Stoßes.
Der Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen des Transformators 14 ist außerdem auch mit einem Kontakt einer Drosselspule (Spule) L5 verbunden, und der andere Kontakt der Drosselspule L5 ist mit einem Kontakt eines Kondensators C1 verbunden. Der andere Kontakt des Kondensators C1 ist geerdet. Die Drosselspule L5 und der Kondensator C1 bilden eine Glättungsschaltung, und die von der Glättungsschaltung geglättete Gleichspannung wird von den beiden Kontakten des Kondensators C1 als Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ausgegeben.
Den Gate-Kontakten der FETs M1 bis M4 und den Gate-Kontakten der Gleichrichtereinrichtungen M5, M6 werden von einer Steuereinheit 10 Steuersignale zugeführt. Die Steuersignale, die den Gleichrichtereinrichtungen M5, M6 von der Steuereinheit 10 zugeführt werden, werden auch einer Steuersignalgeneratoreinheit 11 zugeführt, und die Steuersignalgeneratoreinheit 11 generiert auf Basis der zugeführten Steuersignale ein Steuersignal für den FET M7 und führt das generierte Steuersignal dem Gate-Kontakt des FET M7 zu.
Nachstehend wird anhand der schematischen Darstellung aus 2 und des Zeitablaufdiagramms aus 3 ein Beispiel für den Betrieb des Schaltnetzteils mit einer solchen Anordnung beschrieben. In der H-förmigen Brückenschaltung 13 werden die FETs M1 und M4 und die FETs M2 und M3 durch die Steuersignale der Steuereinheit 10 in einem vorbestimmten Zyklus ein- und ausgeschaltet. Demgemäß wird in der Primärspule L1 des Transformators 14 eine Wechselspannung (ein Wechselstrom) mit einem vorbestimmten Zyklus generiert, wodurch in den Sekundärspulen L2 und L3 Wechselspannungen induziert werden, die den Wicklungsverhältnissen der Sekundärspulen entsprechen.
Wenn die Gleichrichtereinrichtungen M6, M5 zu Zeitpunkten eingeschaltet werden, bei denen Spannungen an den Enden der Sekundärspulen L2 und L3, die sich nicht auf der Seite des Mittelabgriffs befinden, jeweils negative Werte annehmen, fließen Ströme von den geerdeten Seiten zu den Sekundärspulen L2 und L3, und die Spannungen an den Enden der Sekundärspulen L2 und L3 werden ungefähr auf 0 V gehalten. Daher steigt durch die Spannungen an den Enden, die eigentlich negative Werte haben sollten, die Spannung des Mittelabgriffs, und am Mittelabgriff wird eine vollweggleichgerichtete Gleichspannung generiert.
Wie in 3A gezeigt ist, kommt es dabei zu Stößen in der Drain-Source-Spannung Vds der Gleichrichtereinrichtung M5, beispielsweise zu Stößen auf der positiven Spannungsseite zu Zeitpunkten, an denen die FETs M1 und M4 sowie die FETs M2 und M3 ein-/ausgeschaltet werden und die Stromflussrichtung in der primären Spule L1 umgeschaltet wird. Die Stoßspannung ist durch I × √L/C gegeben, wobei I für den Strom steht, der durch die Sekundärspulen L2 und L3 fließt, L für eine kombinierte Induktivität der Sekundärspulen L2 und L3 und C für eine kombinierte Kapazität der Sekundärspulen L2 und L3.
Es sei angemerkt, dass, wie in 3C gezeigt ist, die Spannung VL des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 halb so hoch wie die Drain-Source-Spannung Vds (= Vt) der Gleichrichtereinrichtung M5 ist (3A). Wenn eine Stoßspannung auftritt, fließt der Strom, der die Stoßspannung transportiert, durch die Diode D2 und wird in dem Kondensator C2 gespeichert, und eine Ladespannung VC, mit der der Kondensator C2 geladen ist, ändert sich wie in 3B gezeigt. Der Kondensator C2 nimmt sofort seinen vollständig geladenen Zustand an und wird danach nicht weiter aufgeladen, bis er wieder entladen wird.
Der Kondensator 2 muss die Ladespannung entladen haben, bevor die Stromflussrichtung der Primärspule L1 das nächste Mal umgeschaltet wird und in der Drain-Source-Spannung Vds der Gleichrichtereinrichtung M6 auf der positiven Spannungsseite ein Stoß auftritt. Damit dies geschieht, erzeugt, wie in 3D gezeigt, die Steuersignalgeneratoreinheit 11 ein Ansteuersignal Vg für den FET M7 und legt das generierte Ansteuersignal an den Gate-Kontakt des FET M7 an, wenn die Spannung VL (3C) des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 abfällt. Der FET M7 wird eingeschaltet, wenn die Source-Spannung (Spannung VL des Mittelabgriffs) auf eine Spannung abgefallen ist, die niedriger als die Gate-Spannung (Vg) ist.
Daher entlädt, wie durch einen Pfeil a in 2 angegeben ist, der Kondensator C2 den Strom über den FET M7 und die Drosselspule L5, und der Entladestrom IdM1 des Kondensators C2 fließt wie in 3E gezeigt. Das bedeutet, dass die in dem Kondensator C2 gespeicherte Energie der Stoßspannung als Ausgang des Schaltnetzteils abgegeben wird, wenn der Strom zurück zu der Drosselspule L5 fließt, wodurch ein Anstieg der Verluste verhindert und eine Stoßspannung unterdrückt wird. Der FET M7 wird bereits abgeschaltet worden sein, wenn die Stromflussrichtung in der Primärspule L1 das nächste Mal umgeschaltet wird und ein Stoß in der Drain-Source-Spannung Vds der Gleichrichtereinrichtung M6 auf der positiven Spannungsseite auftritt, und eine Ladung, die die Stoßspannung transportiert, wird in dem Kondensator C2 gespeichert.
4 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine Anordnung der Steuersignalgeneratoreinheit 11 veranschaulicht. Die Steuersignalgeneratoreinheit 11 weist eine Diode D3, deren Kathode das Steuersignal Vgs5 für die Gleichrichtereinrichtung M5 zugeführt wird, und eine Diode D4 auf, deren Kathode das Steuersignal Vgs6 der Gleichrichtereinrichtung M6 zugeführt wird. Die Steuersignalgeneratoreinheit 11 weist ferner einen Verstärker 12 auf, der mit einem Eingangskontakt versehen ist, an den beide Anoden der Dioden D3, D4 angeschlossen ist, und der von einer elektronischen Versorgungsspannung Vcc über einen Widerstand R1 hochgezogen wird. Der Verstärker 12 gibt das Steuersignal Vgs7 (Vg) für den FET M7 an einem Ausgangskontakt des Verstärkers 12 aus.
5 zeigt Zeitablaufdiagramme, die Beispiele für den Betrieb der Steuersignalgeneratoreinheit 11 veranschaulichen. Wie in den 5A und 5B gezeigt ist, werden die Steuersignale (Ansteuersignale) Vgs5, Vgs6 für die Gleichrichtereinrichtungen M5, M6 wiederholt in Zyklen ein-/ausgeschaltet, die gegeneinander um etwa einen halben Zyklus verschoben sind, wobei aber ein vorderer Flankenabschnitt eines EIN-Signals einen hinteren Flankenabschnitt eines weiteren EIN-Signals überlappt. Die Dioden D5, D6 und der Widerstand R1 bilden eine UND-Schaltung aus und, wie in 5C gezeigt ist, wenn eines der Steuersignale Vgs5 oder Vgs6 sich in einem AUS-Zustand befindet, nimmt aufgrund eines von dem Widerstand R1 verursachten Spannungsabfalls auch das Eingangssignal des Verstärkers 12 einen AUS-Zustand an.
Wenn sich beide Steuersignale Vgs5, Vgs6 in einem EIN-Zustand (Vcc) befinden und der vordere Flankenabschnitt eines EIN-Signals den hinteren Flankenabschnitt eines anderen EIN-Signals überlappt, wird von dem Widerstand R1 kein Spannungsabfall verursacht, und das Eingangssignal des Verstärkers 12 befindet sich im EIN-Zustand (Vcc) (siehe 5C). Der Verstärker 12 veranlasst, wie in 5D gezeigt, dass dieses EIN-Signal um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert wird, und gibt das verzögerte EIN-Signal als Steuersignal (Ansteuersignal) Vgs7 für den FET (Schalteinrichtung) M7 aus.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für den tatsächlichen Betrieb des Schaltnetzteils aus 1 veranschaulicht. 7 zeigt Darstellungen von Wellenformen, die Beispiele für diesen Betrieb veranschaulichen. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall eine Spannung, die in die Brückenschaltung 13 eingegeben wird, 288 V beträgt, und ein Strom, der von dem Schaltnetzteil ausgegeben wird, 100 A beträgt. Wie in 7A gezeigt ist, ist, wenn ein Stoß in der Drain-Source-Spannung Vds der Gleichrichtereinrichtung M5 auftritt, das Steuersignal Vgs7 (7C) für den FET M7 niedriger als die Ausgangsspannung VL (Source-Spannung des FET M7) (7B) des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3, und somit befindet sich der FET M7 im AUS-Zustand.
Wenn daher ein Stoß in der Drain-Source-Spannung Vds der Gleichrichtereinrichtung M5 auftritt, fließt ein Strom Id (7F), der die Stoßspannung transportiert, durch die Diode D2 und erreicht den Kondensator C2, wo der Strom Id gespeichert wird, und eine Ladespannung VC (7D) des Kondensators C2 steigt an. Wenn die Drain-Source-Spannung Vds (7A) der Gleichrichtereinrichtung M5 synchron mit dem Schaltvorgang der Brückenschaltung 13 abfällt (1), nimmt das Steuersignal Vgs7 (7C) für den FET M7 einen EIN-Zustand an und steigt an. Daher ist das Steuersignal Vgs7 (7C) höher als die Ausgangsspannung VL (Source-Spannung des FET M7) (7B) des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3, und der FET M7 wird eingeschaltet.
Wenn der FET M7 eingeschaltet wird, entlädt der Kondensator C2 den Strom, und der Entladestrom Ifet (7E) des Kondensators C2 fließt über den FET M7 zu der Drosselspule L5. Demgemäß fällt die Ladespannung VC (7D) des Kondensators C2 ab. Wenn sich das Steuersignal Vgs7 (7C) für den FET M7 im AUS-Zustand befindet und eine Spannung aufweist, die niedriger als die Ausgangsspannung VL (Source-Spannung des FET M7) (7B) des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 ist, wird der FET M7 ausgeschaltet. Nachstehend wird die Gleichrichtereinrichtung M6 beschrieben. Es wird derselbe Arbeitsvorgang ausgeführt wie bei der Gleichrichtereinrichtung M5, und die Gleichrichtereinrichtungen M5 und M6 arbeiten abwechselnd.
Wie obenstehend beschrieben, fließt der Strom Id (7F), der die Stoßspannung transportiert, durch die Diode D2 und wird in dem Kondensator C2 gespeichert, so dass die Stoßspannung bis auf ungefähr 68 V unterdrückt werden kann (siehe 7A). Bei einem Schaltnetzteil wie in 8, das die Dioden D1, D2 und den Kondensator C2 nicht aufweist, erreicht die Stoßspannung ungefähr 108 V.
Ausführungsform 2
9 ist ein Schaltbild, das eine Anordnung des Hauptabschnitts eines Schaltnetzteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Schaltnetzteil wird eine Wechselspannung, die von einer H-förmigen Brückenschaltung 13 (nicht gezeigt, siehe 1) mit vier N-Kanal-MOSFETs (Schaltern) M1 bis M4 eingegeben wird, an eine Primärspule L1 (nicht gezeigt, siehe 1) eines Transformators 14 angelegt, und eine von dem Transformator 14 transformierte Spannung wird an einem Mittelabgriff zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 ausgegeben.
Erste Enden der jeweiligen Spulen L2 und L3 sind über den Mittelabgriff miteinander verbunden, und an die zweiten Enden der jeweiligen Spulen L2 und L3 sind – anstelle der Gleichrichtereinrichtungen M6, M5 (1) – Kathoden der Dioden D6, D5 angeschlossen, und die Anoden der Dioden D6, D5 sind geerdet. Der Gate-Kontakt eines FET (zweiter Schalter) M7 ist statt mit der Steuersignalgeneratoreinheit 11 (1) mit einem ausgangsseitigen Kontakt einer Drosselspule L5 verbunden, und der FET M7 wird von einer Gate-Source-Spannung Vgs (der Spannung zwischen den beiden Enden der Drosselspule L5) ein- und ausgeschaltet. Die übrigen Anordnungen dieses Schaltnetzteils entsprechen denen des für die erste Ausführungsform beschriebenen Schaltnetzteils (1), und daher tragen gleiche Elemente bzw. Abschnitte gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben.
Nachstehend wird anhand der Ablaufdiagramme aus 10 der Betrieb eines Schaltnetzteils mit einer solchen Anordnung beschrieben. Analog zu dem bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Schaltnetzteil schaltet die H-förmige Brückenschaltung 13 (1) die FETs M1 und M4 und die FETs M2 und M3 in einem vorbestimmten Zyklus ein und aus und erzeugt in einem vorbestimmten Zyklus eine Wechselspannung an der Primärspule L1 des Transformators 14, welche an den Sekundärspulen L2 und L3 Wechselspannungen induziert, die den Wicklungsverhältnissen der Sekundärspulen L2 und L3 entsprechen.
Wenn hierbei die Spannungen an den Enden der Sekundärspulen L2 und L3, die der Seite des Mittelabgriffs gegenüberliegen, negative Werte annehmen, fließt ein Strom von der geerdeten Seite zu durch die Dioden D6, D5 den Sekundärspulen L2 und L3, und die Spannungen an den Enden der Sekundärspulen L2 und L3 werden ungefähr auf 0 V gehalten. Daher steigt durch Spannungen an den Enden, die eigentlich negative Werte haben sollten, die Spannung am Mittelabgriff, und somit wird am Mittelabgriff eine vollweggleichgerichtete Gleichspannung generiert.
Wie in 10A gezeigt ist, kommt es dabei zu Stößen der Spannung Vds zwischen beiden Enden der Diode D5, beispielsweise zu Stößen auf der positiven Spannungsseite zu Zeitpunkten, an denen die FETs M1 und M4 sowie die FETs M2 und M3 (1) ein-/ausgeschaltet werden und die Stromflussrichtung in der primären Spule L1 des Transformators 14 umgeschaltet wird. Die Stoßspannung ist durch I × √L/C gegeben, wobei I für den Strom steht, der durch die Sekundärspulen L2 und L3 fließt, L für die kombinierte Induktivität der Sekundärspulen L2 und L3 und C für die kombinierte Kapazität der Sekundärspulen L2 und L3. Außerdem ist, wie in 10C gezeigt ist, die Spannung VL des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 halb so hoch wie die Spannung Vds (= Vt) (10A) zwischen beiden Enden der Diode D5. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Strom, der die Stoßspannung transportiert, durch die Diode (zweite Diode) D2 und wird in dem Kondensator C2 gespeichert, und eine Ladespannung VC, mit der der Kondensator C2 geladen ist, ändert sich wie in 10B gezeigt. Der Kondensator C2 nimmt sofort seinen vollständig geladenen Zustand an und wird danach nicht weiter aufgeladen, bis er wieder entladen wird.
Der Kondensator 2 muss die Ladespannung entladen haben, bevor die Stromflussrichtung der Primärspule L1 das nächste Mal umgeschaltet wird und in der Spannung Vds zwischen beiden Enden der Diode D6 auf der positiven Spannungsseite ein Stoß auftritt. Damit dies geschieht, wird, wie in 10C gezeigt, der FET M7 genau zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, an dem die Spannung VL des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 abfällt, und der Kondensator C2 entlädt den Strom.
Obwohl, wie oben beschrieben, die Spannung VL (10C) des Mittelabgriffs zwischen den Sekundärspulen L2 und L3 zyklisch abfällt, wird diese Spannung VL von der Glättungsschaltung, d. h. von der Drosselspule L5 und dem Kondensator C1 (siehe 10D) geglättet und als Ausgangsspannung Vout ausgegeben, die niedriger als die Spannung VL (= Vt/2) des Mittelabgriffs ist. Da diese Ausgangsspannung Vout (Ausgangskontaktspannung der Drosselspule L5) dem Gate-Kontakt des FET M7 zugeführt wird, nimmt die Gate-Source-Spannung Vgs (Spannung beider Enden der Drosselspule L5 = Vout – VL) des FET M7 einen positiven Wert an, wie in 10E gezeigt ist, wenn die Source-Spannung (Spannung VL des Mittelabgriffs) des FET M7 abfällt.
Dadurch, dass die Gate-Source-Spannung Vgs einen positiven Wert aufweist, wird der FET M7 eingeschaltet, und der Kondensator C2 entlädt den Strom über den FET M7 und die Drosselspule L5. Das bedeutet, dass die in dem Kondensator C2 gespeicherte Energie der Stoßspannung als Ausgang des Schaltnetzteils abgegeben wird, wenn der Strom zurück zu der Drosselspule L5 fließt, wodurch ein Anstieg der Verluste verhindert und eine Stoßspannung unterdrückt wird. Da die Gate-Source-Spannung Vgs des FET M7 einen Wert gezeigt haben wird, der kleiner oder gleich 0 ist, und der FET M7 bereits abgeschaltet worden sein wird, wenn die Stromflussrichtung in der Primärspule L1 das nächste Mal umgeschaltet wird und ein Stoß in der Spannung Vds zwischen beiden Enden der Diode D6 auf der positiven Spannungsseite auftritt, werden die Ladungen, die die Stoßspannung transportieren, somit in dem Kondensator C2 gespeichert.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung findet bei einem Schaltnetzteil Anwendung, bei dem eine Brückenschaltung eine Eingangs-Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, ein Transformator die umgewandelte Wechselspannung transformiert und die transformierte Wechselspannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen ausgibt und eine Glättungsschaltung den Spannungsausgang am Mittelabgriff glättet und die geglättete Spannung ausgibt.

Claims

Schaltnetzteil, das aufweist: eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung umzuwandeln; einen Transformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird und der dazu eingerichtet ist, die transformierte Spannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen des Transformators auszugeben; zwei zweite Schalter, die dazu dienen, zwei Enden der Sekundärspulen jeweils mit einem festen elektrischen Potential in Kontakt zu bringen bzw. davon zu trennen, und eine Glättungsschaltung, die den Spannungsausgang am Mittelabgriff glättet, wobei die zweiten Schalter jeweils mittels mit dem Schaltvorgang synchronisierten Steuersignalen an- bzw. ausgeschaltet werden, so dass am Mittelabgriff eine gleichgerichtete Gleichspannung ausgegeben wird, und die von der Glättungsschaltung geglättete Gleichspannung von dem Schaltnetzteil ausgegeben wird, wobei das Schaltnetzteil weiterhin aufweist: zwei Dioden, die jeweils an eines der zwei Enden der Sekundärspulen angeschlossen sind und von den jeweiligen Enden her mit Strom durchflossen werden, einen Kondensator, der die durch die Dioden geflossenen Ströme speichert, und einen dritten Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff geschaltet ist, wobei der Kondensator dadurch zur Glättungsschaltung hin entladen wird, dass der dritte Schalter mittels eines zweiten mit dem Schaltvorgang synchronisierten Steuersignals eingeschaltet wird.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, wobei das zweite Steuersignal auf der Grundlage von Umschaltabschnitten der Steuersignale generiert wird.
Schaltnetzteil, das aufweist: eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangs-Gleichspannung durch Schalten in eine Wechselspannung umzuwandeln; einen Tansformator, an dessen Primärspule die von der Brückenschaltung umgewandelte Wechselspannung angelegt wird und der dazu eingerichtet ist, die transformierte Spannung an einem Mittelabgriff zwischen Sekundärspulen des Transformators auszugeben; zwei Dioden, deren Kathoden mit zwei Enden der Sekundärspulen verbunden sind und deren Anoden mit einem festen elektrischen Potential verbunden sind; und eine Glättungsschaltung, die den Spannungsausgang am Mittelabgriff glättet, wobei die von der Glättungsschaltung geglättete Gleichspannung von dem Schaltnetzteil ausgegeben wird, wobei das Schaltnetzteil weiterhin aufweist zwei zweite Dioden, die jeweils an eines der zwei Enden der Sekundärspulen angeschlossen sind und von den jeweiligen Enden her mit Strom durchflossen werden, einen Kondensator, der die durch die zweiten Dioden geflossenen Ströme speichert, und einen zweiten Schalter, der zwischen den Kondensator und den Mittelabgriff geschaltet ist, wobei der Kondensator dadurch zur Glättungsschaltung hin entladen wird, dass der zweite Schalter synchron zu dem Schaltvorgang eingeschaltet wird.
Schaltnetzteil nach Anspruch 3, wobei die Glättungsschaltung mit einer Spule versehen ist, die einen Strom am Mittelabgriff glättet, und der zweite Schalter abhängig von einer Spannung zwischen den beiden Enden der Spule eingeschaltet wird.