DE1588718C - Schaltungsanordnung zur Symmetrierung in Gleichspannungswandlern - Google Patents

Description

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ander verglichen und an Hand der Zündzeitpunkte Die Ausgangsspannung Ua wird durch Imptlls-

an den Wechselrichterventilen auf Gleichheit ge- breitensteuerung konstant gehalten. Die Steuerung

regelt (BBC-Nachrichten, 1964, S. 629 bis 632). für die Transistoren TsI, Ts 2 wird in einem eigenen.

Weitere schaltungsmäßige Einzelheiten dieser Fluß- Steuerteil 5 in Abhängigkeit von der Ausgangsspan-

ausgleichsregelung sind nicht bekannt. 5 nung erzeugt. Infolge der abwechselnd leitend gesteu-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine erten Transistoren TsI, Ts 2 liegt an der Primärwick-

einfache und wirksame Schaltungsanordnung zur . lung des Transformators TrI eine Spannung in Form

Symmetrierung der rechteckförmigen Wechselspan- verkürzter Rechteckhalbwellen mit anschließenden

nungshalbwellen im Transformator von Gleichspan- Nullzeiten. Solange der Transistor TiI oder Ts 2 lei-

nungswandlern mit im Gegentakt arbeitenden Steuer- io tet, fließt über den Transformator und über die Dros-

baren elektronischen Schaltern zu schaffen. sei Dr ein ansteigender Strom. Sind die Transistoren

Gemäß der Erfindung ist eine solche Schaltungs- TiI und Ts2 gesperrt, dann wird ein Teil der in der

anordnung gekennzeichnet durch zwei Sättigungs- Drossel Dr gespeicherten Energie wieder abgebaut,

drosseln zur Impulsbreitensteuerung der Spannungs- Es fließt ein abnehmender Strom über die Gleich-

halbwellen, deren Steuerwicklungen gegensinnig in 15 richterbrücke Gr, die Speicherdrossel Dr und den

Reihe geschaltet sind, und durch eine Meßschaltung, ' Lastwiderstand R_L; während dieser Zeit ist derTrans-

die einen der Unsymmetrie nach Betrag und Vor- formator über den Gleichrichter kurzgeschlossen,

zeichen entsprechenden Steuerstrom an die Steuer- Die Spannung der Primärwicklung des Transforma-

wicklungen liefert. tors hat während der Sperrdauer annähernd den

Es ist auch bereits ein geregelter Gleichspannungs- ao Wert Null und während der Einschaltdauer entweder wandler mit im Gegentakt arbeitenden steuerbaren die Amplitude +V* U_B oder -Vi U_B.
elektronischen Schaltern mit einem Ausgangstransfor- Der schaltungsmäßige Aufbau des Steuerteils 5 zur mator bekannt, bei dem unter Verwendung von zwei Steuerung der Schalttransistoren TsI und Ts2 ist aus Sättigungsdrosseln pulsbreitenmodulierte Steuerim- F i g. 1 ersichtlich. Es wird zusätzlich zur Symmetriepulse zur Spannungsregelung erzeugt werden: Die 25 rung der Spannungshalbwellen benutzt. Das Steuerteil Steuerwicklungen der Drosseln, von denen die eine besteht im wesentlichen aus einem Hilfswechselrichvon einem dem Spannungssollwert entsprechenden ter mit dem Transformator Tr 2, der eine rechteckför-Strom und die andere von einem dem Istwert entspre- mige Spannung konstanter Frequenz liefert, und aus chenden Strom beaufschlagt ist, sind gleichsinnig in zwei Sättigungsdrosseln DrI und Dr 2, die nach dem Reihe geschaltet (Philips' Telecommunication Review, 30 Prinzip der spannungssteueraden Magnetverstärker Vol. 22, Nr. 4, Juli 1961, S. 166 bis 169). · · arbeiten. Im Steuerteil wird die Größe des Steuer-Unabhängig davon, welche Bauteile Ursache der gleichstroms von einem Regler R in die proportionale Unsymmetrie sind, wird mit der erfindungsgemäßen Einschaltdauer der Schalttransistoren umgesetzt. Dazu Schaltungsanordnung das Tastverhältnis der elektro- dienen die Sättigungsdrosseln DrI und Dr2, die ein nischen Schalter in jedem Betriebszustand so nach- 35 Kernmaterial mit rechteckförmiger Hystereseschleife gestellt, daß die Symmetrie der Spannungshalbwellen besitzen. Jeder Kern wird in einer Halbwelle auf- und erhalten bleibt, in der nächsten Halbwelle teilweise abmagnetisiert.

Die Erfindung wird an Hand mehrerer Ausfüh- Diese Vorgänge verlaufen in den beiden Sättigungs-

rungsbeispiele, die in den F i g. 1 bis 5 dargestellt drosseln in entgegengestzter Reihenfolge; während

sind, ausführlich erläutert. In den 40 der eine Kern aufmagnetisiert wird, wird der andere

F i g. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kern abmagnetisiert.

impulsgesteuerten Gleichspannungswandlers in Halb- Der Transformator Tr2 des Hilfswechselrichters

brückenschaltung mit Symmetrierschaltung darge- ist sekundärseitig mit mehreren getrennten Wicklun-

stellt; gen ausgerüstet, von denen die Wicklungen α und b

Fig. 3 bis 6 zeigen Grundschaltungen zur Mes- 45 die Steuerspannung für die Schalttransistoren TiI

sung der Halbwellensymmetrie in Gleichspannungs- und Ts2 liefern. An die Wicklungen c und d sind die

wandlern, die nach dem Prinzip der Halbbrücken- Arbeitswicklungen I der Sättigungsdrosseln DrI und

schaltung (Fig.3), derVollbrückenschaltung(Fig.4) Dr2 angeschlossen. Die Steuerwicklungen II liegen

und der Mittelpunktschaltung (F i g. 5, 6) arbeiten. an der Wicklung e des Transformators.

Die in der Schaltung nach F i g. 1 und 2 benutzte 50 Wenn die rechteckförmige Spannung am Transfor-Halbbrückenschaltung hat gegenüber der Mittel- mator Tr2 des Hilfswechselrichters ihre Polarität so punktschaltung den Vorteil, daß wegen der Span- ändert, daß an den Wicklungsanfängen positives nungsteilung an den Kondensatoren Cl und C 2 Potential liegt, so beginnt gleichzeitig mit dem EinTransistoren mit kleinerer Spannungsfestigkeit ver- schalten des zugehörigen Schalttransistors (z. B. wendet werden können. 55 TiI) die Auf magnetisierung der Steuerdrossel DrI.

Als Erläuterung der Gleichspannungswandlerschal- Während der Aufmagnetisierung fällt an der Drossel tung dient das vereinfachte Prinzipschaltbild nach DrI nahezu die gesamte Spannung ab. Die Spannung Fig. 2 An der aus den Transistoren TiI,"Ti2 und an einem mit der ArbeitswicklungI in Reihe liegenden Kapazitäten Cl, C2 gebildeten Halbbrücken- den Vorwiderstand RS ist dabei kleiner als der schaltung liegt in der einen Brückendiagonale die 60 Schwellwert der Diode GrI. Der Thyristor TnI ist Speisespannung U_B (Batteriespannung) und in der an- daher sicher gesperrt. Nach einer durch die vorangederen Brückendiagonale die Primärwicklung des gangene Abmagnetisierung bestimmten Zeit erreicht Transformators TrI. An die Sekundärwicklung des der Kern der Drossel DrI seine Sättigung. Im Wider-Transformators ist die Gleichrichterbrückenschaltung stand R 5 steigt der Strom steil an, und die Kathode Gr angeschlossen, deren Gleichstromausgang über die 65 des Thyristors Th 1 wird negativ gegenüber der Speicherdrossel Dr mit dem Lastwiderstand R_L ver- Steuerelektrode. Es kann jetzt ein Strom der Sekunbunden ist Die Kondensatoren Cl und C2 erhalten därwicklungc des Transformators Tr2 über die Dije die halbe Batteriespannung. " ode GrI, die Steuerelektrode-Kathoden-Strecke des

5 6 ·

Thyristors ThI, über die durchgeschaltete Sättigungs-' liehen Aufwand zu verwirklichen, da ein Teil der drossel DrI und den Gleichrichter Gr2 fließen. Der Einrichtungen für die Spannungs-bzw. Stromregelung Thyristors ThI zündet jetzt und sperrt den Schalt- mitbenutzt wird. Die Genauigkeit einer Symmetrietransistor TsI. rungsregelung kann bei Bedarf durch eine weitere,

Wenn die rechteckförmige Spannung am Transfor- 5 mit der Rückführung beschaltete Verstärkerstufe, die

mator TrI ihre Polarität so ändert, daß positives Po- zwischen der Meßeinrichtung und den Wicklungen III

tential an den Wicklungsenden liegt, so wird der Kern der Sättigungsdrosseln DrI und Dr2 anzuordnen ist,

der Sättigungsdrossel DrI über die Wicklung II ab- erhöht werden.

magnetisiert. Da die Spannungsamplitude am Trans- Die Anwendung der Symmetrienmgsschaltung in

formator TrI während der Halbwelle konstant ist, 10 nicht geregelten Gleichspannungswandlern oder

wird das Maß der Abmagnetisierung von der Leit- Wechselrichtern erfordert einen größeren Aufwand,

fähigkeit des Transistors Ts 3 im Regler R festgelegt. da ein vereinfachtes Steuerteil zur Impulsbreiten-

Ein stärker leitend gesteuerter Transistor Ts3 bringt · Steuerung · eigens für die Symmetrierungsschaltung

eine stärkere Abmagnetisierung, bzw. umgekehrt. Die · vorhanden sein muß.

folgende Aufmagnetisierung beansprucht mehr Zeit 15 Die Anwendung der Symmetrierungsschaltung ist

und bringt damit eine größere Einschaltdauer des zu- nicht auf Halbbrückenschaltungen beschränkt. Die

gehörigen Schalttransistors TsI. Vollbrückenschaltung (Fig. 4) und die Mittelpunkt-

Der zweite Teil der Schaltung mit der Sättigungs- schaltung (F i g. 5, 6) erfordern jedoch entsprechend

drossel Dr2, dem Thyristor Th2, den Dioden Gr3, abgewandelte Schaltungen zur Messung der Un-

Gr4 und dem WiderstandR6 arbeitet dementspre- ao symmetrie. In Fig. 3 ist die Grundschaltung zur

chend mit einer Phasenverschiebung von 180° gegen- Messung der Halbwellen-Symmetrie bei Halbbrücken-

über dem Teil mit der Sättigungsdrossel DrI. schaltungen noch einmal vereinfacht dargestellt. Die

Die Symmetrierungsschaltung besteht aus den Widerstände R1 bis R 3 sind hier fortgelassen. Wenn Widerständen R1 bis R 4 und den beiden Wicklun- der geregelte Gleichspannungswandler statt als Halbgen III der Sättigungsdrosseln DrI und Dr2. Die 95 brückenschaltung als Vollbriickenschaltung oder Widerstände Al, R2 und R4 bilden einen ohmschen Mittelpunktschaltung aufgebaut ist, müssen an Stelle Spannungsteiler, der dem kapazitiven Spannungsteiler der Spannungsteiler-Kondensatoren Cl und C2 klei-Cl, C2 parallel geschaltet ist. Sofern der zu regelnde nere Kondensatoren Cl', C2' treten, deren Gleich-Ausgang nicht galvanisch getrennt zu sein braucht, spannungswert dem Mittelwert der zugehörigen Spankönnen statt der Wicklungen III die Steuerwicklun- 30 nungshalbwelle proportional ist. Dieser Mittelwert gen II der Sättigungsdrosseln mitbenutzt werden." kann mit LC-Siebgliedern oder, wie in den Beispielen

Wenn wegen unzureichend gepaarter Bauteile, z. B. nach F i g. 4 bis 6 gezeigt, mit ÄCÄ-Siebgliedern geder Kerne der Sättigungsdrosseln DrI und Dr2, die bildet werden. Beim Übergang auf die Vollbrücken-Auf magnetisierungszeit der Drossel DrI und damit schaltung (Fig. 4) sind nur die Kondensatoren Cl die Impulsbreite etwas länger wird, dann entlädt sich 35 und C 2 durch die Halbwellen-Meßeinrichtungen der Kondensator Cl etwas mehr als der Kondensator R10, Cl', R11 und R12, C2', R13 ersetzt, die über C2. Ein kleiner Strom kann.von der Widerstands- Dioden Dl, D2 an die Brückenschaltung angekop-Spannungsteilermitte am Potentiometer R 4 über den pelt sind. Die Mittelpunktschaltung mit den Schalt-Widerstand R3 und die Wicklungen III der Sätti- transistoren TsIl, Tsl2 nach Fig.5 erfordert zugungsdrosselnDrl und Dr2 fließen. Die Drossel DrI 40 sätzlich zwei Wicklungen/, g im Transformator TrI, wird dadurch schneller und die Drossel Dr2 lang- ' an die in gleicher Weise wie bei der Vollbrückensamer auf magnetisiert, d. h., die Impulsbreiten wer- schaltung über Dioden die Halbwellen-Meßeinrichden der genauen Symmetrie angenähert. ■ tungen angeschaltet sind. Die Mittelpunktschaltung

Ein Kennzeichen dieser Symmetrierungsschaltung ermöglicht auch einen direkten Spannungsvergleich ist, daß die Abweichung der Kondensator-Spannungs- 45 (F i g. 6), bei dem keine zusätzlichen Transformatorteilermitte (Istwert) von einer Widerstands-Span- wicklungen erforderlich sind und der außerdem nungsteilermitte (Sollwert) gemessen wird. Ist eine weniger Leistung benötigt. Die Halbwellen-Meß-Abweichung vorhanden, so wird ein entsprechender einrichtung ist in diesem Fall über Dioden direkt an Steuerstrom über die Sättigungsdrosseln den Schalt- die Primärwicklung des Transformators TrI angetransistoren zugeleitet, die in Richtung auf geringere 50 schlossen. Die in Reihe geschalteten Wicklungen III Abweichung nachstellen. Eine derartige Symmetrie- der Sättigungsdrosseln sind hier in Parallelschaltung rungsschaltung ist mit einem sehr geringen zusatz- zu den Halbwellen-Meßeinrichtungen angeordnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

wellen in' Mittelpunktschaltungen, dadurch ge- Patentanspriiche: kennzeichnet, daß zwei Halbwellen-Meßschaltungen vorgesehen sind, die aus je einer Diode und

1. Schaltungsanordnung zur Symmetrierung der einem dieser nachgeschalteten, einen Kondensator rechteckförmigen Wechselspannungshalbwellen im 5 enthaltenden Siebglied zur Bildung des Span-Transformator von Gleichspannungswandlern mit nungsmittelwertes der betreffenden Halbwelle beim Gegentakt arbeitenden steuerbaren elektroni- stehen und eingangsseitig direkt an die Primärschen Schaltern, gekennzeichnet durch wicklungen des Transformators (Tr 1) angeschloszwei Sättigungsdrosseln (Dr 1, Dr2) zur Impuls- sen sind, und daß die Reihenschaltung der breitensteuerung der Spannungshalbwellen, deren io Steuerwicklungen (III) der Reihenschaltung der Steuerwicklungen (III) gegensinnig in Reihe ge- gegensinnig in Reihe geschalteten Ausgänge der schaltet sind, und durch eine Meßschaltung, die beiden Meßschaltungen parallel geschaltet ist einen der Unsymmetrie nach Betrag und Vor- (F i g. 6).

zeichen entsprechenden Steuerstrom an die Steuer- ^*

wicklungen (III) liefert. · 15

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrosseln
(DrI, Dr 2) nicht nur zur Symmetrierung der

Spannungshalbwellen, sondern auch zur Steue- Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsrung der Ausgangsspannung verwendet sind. ao anordnung zur Symmetrierung der rechteckförmigen

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Wechselspannungshalbwellen im Transformator von oder 2 zur Symmetrierung der Spannungshalb- Gleichspannungswandlern mit im Gegentakt arbeitenwellen in Halbbrückenschaltungen mit kapazitiver den steuerbaren elektronischen Schaltern.
Spannungsteilung der Betriebsgleichspannung, ge- Gleichspannungswandler mit im Gegentakt gekennzeichnet durch eine derartige Meßschaltung, 35 schalteten elektronischen Schaltern (z. B. Transistodaß die Spannungsdifferenz zwischen der Konden- ren) arbeiten mit einem Transformator, an den eine satorspannungsteilermitte und einer den Konden- rechteckförmige Wechselspannung angelegt wird. Die satoren (Cl, C2) parallelgeschalteten Wider- Schalttransistoren müssen so gesteuert werden, daß Standsspannungsteilermitte (Rl, R 2, R4) gemes- die an den Transformator gelegten positiven und nesen wird (F i g. 1 bis 3). 3» gativen Spannungshalbwellen möglichst gleich sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Durch fehlende oder unzureichende Symmetrierung oder 2 zur Symmetrierung der Spannungshalb- bedingte SpannungshalbwelJen mit ungleichem Mitwellen in Vollbriickenschaltungen, dadurch ge- telwert ergeben ungleiche Magnetisierungsstromkennzeichnet, daß zwei Halbwellen-Meßschaltun- Halbwellen und treiben den Transformatorkern eingen vorgesehen sind, die aus je einer Diode (Dl, 35 seitig bis in den Sättigungsbereich. Zur Vermeidung D 2) und einem dieser nachgeschalteten, einen dieser unerwünschten Sättigungserscheinungen kön-Kondensator (CV, C 2') enthaltenden Siebglied nen gepaarte Bauteile verwendet oder die Betriebszur Bildung des Spannungsmittelwertes der be- induktivität des Transformators niedrig ausgelegt und treffenden Halbwellen bestehen, daß die beiden der magnetische Kreis gegebenenfalls mit einem Luft-Meßschaltungen eingangsseitig gleichsinnig in 40 spalt versehen werden. Der Nachteil der zuletzt geReihe geschaltet sind, diese Reihenschaltung par- nannten Maßnahmen besteht darin, daß die Transallel zur Eingangsgleichspannung des Gleichspan- formatoren größer bemessen sind, als sie für vollnungswandlers geschaltet und der Verbindungs- kommen gleiche Halbwellen ausgelegt wurden,
punkt zwischen den Eingängen der beiden Meß- Zur Erzielung einer Symmetrie der Spannungshalbschaltungen an dem einen Anschluß der Primär- 45 wellen ist auch bereits ein Wechselrichter in Halbwicklung des Transformators (TrI) liegt und daß brückenschaltung bekannt, bei dem die einer besondie beiden Meßschaltungen ausgangsseitig mit deren Wicklung entnommene Transformatorspannung einem ohmschen Spannungsteiler (R 4) eine Brük- dazu benutzt wird, über Dioden die an der Betriebs-

" kenschaltung bilden, in deren Meßzweig die Rei- spannung liegenden Spannungsteilerkondensatoren, henschaltung der Steuerwicklungen (III) angeord- 5° von deren Ladungszustand die Symmetrie der Spannet ist (F i g. 4). nungshalbwellen abhängt, möglichst gleich aufzuladen

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 (Electronics, 15. September 1961. S. 62 bis 65).
oder 2 zur Symmetrierung der Spannungshalb- Geregelte Gleichspannungswandler, die mit Impulswellen in Mittelpunktschaltungen, dadurch ge- breitensteuerung arbeiten, neigen wegen ihrer umkennzeichnet, daß zwei Halbwellen-Meßschaltun- 55 fangreichen Steuerung zusätzlich zur Unsymmetrie gen vorgesehen sind, die aus je einer Diode Dl,. und den damit verbundenen Sättigungserscheinungen D 2) und einem dieser nachgeschalteten, einen im Transformator. Die Auswahl gepaarter Bauteile, Kondensator enthaltenden Siebglied zur Bildung die bei allen Betriebszuständen und Temperaturen des Spannungsmittelwertes der betreffenden Halb- gleiches Verhalten zeigen müssen, ist zur Verringewelle bestehen und eingangsseitig an zusätzliche ⁶" rung der Unsymmetrie zu aufwendig und nicht immer Wicklungen (/, g) des Transformators (TrI) an- realisierbar.

geschlossen sind, und daß die beiden Meßschal- Es ist bereits eine zusätzliche Flußausgleichsrege-

tungen ausgangsseitig mit einem ohmschen Span- lung am Ausgang eines Wechselrichters bekannt, die

nungsteiler eine Brückenschaltung bilden, in dafür sorgen soll, daß kein Gleichstromanteil in der deren Meßzweig die Reihenschaltung der Steuer- 65 Ausgangswechselspannung erscheint, der an den

wicklungen (III) angeordnet ist (Fig. 5). nachgeschalteten Wechselrichtertransformatoren zu

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Sättigungserscheinungen führen würde. Hierzu wer- oder 2 zur Symmetrierung der Spannungshalb- den die Spannungszeitfiächen jeder Halbwelle mitein-