DE1638310C - Gleichspannungs-Gegentaktwandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspan- gangs genannten Art dadurch, daß der Reihen·

nungs-Gegentaktwandler mit einer Reihenschaltung schwingkreis so bemessen ist, dsß bei Nennbelastung

aus der Primärwicklung eines Hauptübertragers und des Gleichspannungswandlers die Spitzenspannung

eines auf die Schaltfrequenz des Gleichspannungs- am Schwingkreiskondensator gerade gleich der waiidlers abgestimmten Reihenschwingkreises und S kleinstmöglichen Spannung der Speisespannung«·

mit zwei Schalttransistoren zur wechselweisen Um- quelle ist und daß der Schwingkreiskondensator auf

schaltung des einen Pols der Reihenschaltung, deren derjenigen Seite der Reihenschaltung aus HauptUber-

anderer Pol mit einem der beiden Pole der Speise- trager und Reihenschwingkreis angeordnet ist, deren

Spannungsquelle ständig verbunden ist, auf den posi- Pol mit der Speisespannungsquelle ständig verbuntiven und den negativen Pol der Speisespannungs- io den ist, und der von der Speisespannungsquelle ab-

quelle. gewendete Pol des Schwingkreiskondensators mit

Ein derart aufgebauter Gleichspannungs-Wechsel- dem Verbindungspunkt einer parallel zur Speisespan-

spannungs-Gegentaktwandler ist aus der britischen nungsquelle geschalteten Reihenschaltung zweier für

Patentschrift 959550 bekannt. Dort wird mit Hilfe die Speisespannungsquelle in Sperrichtung gepolter

von zwei Transistoren die Eingangsgleichspannung 15 Begrenzerdioden verbunden ist. Hierdurch ergibt

in eine rechteckförmige Wechselspannung umgeformt sich eine schaltungsmäßig äußerst einfache Über-

und durch den Serienschwingkreis ein nahezu sinus- strombegrenzung, durch die ein unbegrenztes Auf-

förmiger Strom im HauptUbertrager erzwungen, wäh- schaukeln der Schwingspannung vermieden wird und

rend dessen Nulldurchgängen die Umschaltung der die sich nach Verschwinden der Überlast selbsttätig

Transistoren erfolgt. Wenn die Sekundärspannung ao und unverzögert wieder abschaltet,

wieder gleichgerichtet wird, wird in an sich durch Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird

die deutsche Zeitschrift »Ionen und Elektronen«, ein im Überlastungsfalle auftretendes starkes Absin·

1959, Heft 9, Seite 9 bis 13, bekannter Weise aus ken der Frequenz dadurch beseitigt, daß in der Ver-

dem Glekhspannungs-Wechselspannungswandler ein bindung zwischen dem Kondensator und dem Ver-

Gleichspannungswandler. 35 bindungspunkt der Begrenzerdioden zusätzlich eine

Ein solcher Gleichspannungs-Gegentaktwandler Induktivität vorgesehen ist, deren Induktivitätswert

hat nur geringe Umschaltverluste, und er reduziert · etwa mit dem Induktivitätswert des Reihenschwing-

infolge des sinusförmigen Verlaufs der primären und kreises übereinstimmt.

sekundären Ströme die schädliche Wirkung der Halb- Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, den leiter-Spekherzeiten, weshalb er eine hohe Zuver- 30 Wandler dadurch regelfähig zu machen, daß parallel lässigkeit und einen hohen Wirkungsgrad auch bei zum Kondensator des Reihenschwingungskreises zuhohen Umschaltfrequenzen aufweist. Der gegenüber sätzlich eine steuerbare Induktivität, insbesondere ein Wandlern mit rechteckförmigem Stromverlauf grö- Transduktor, geschaltet ist.

ßere Aufwand an sekundären Siebmitteln fällt nicht Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ins Gewicht, wenn die Schwingfrequenz des Wandlers. 35 kann der Wandler unter Ausnutzung seiner Kurzgenügend hoch gewählt wird. Der bekannte Wandler Schlußfestigkeit auch dadurch geregelt werden, daß kann bei relativ geringem Aufwand hohe Leistungen ein weiterer Schalttransistor derart vorgesehen und übertragen; die Spannungsübersetzung ist weitgehend gesteuert ist, daß der Wandler sekundärseitig periounabhängig von der Sekundärleistung und fast aus- disch mittels des Schalttransistors während eines schließlich durch das Übersetzungsverhältnis festgc- 40 Teils jeder Stromhalbperiode kurzgeschlossen wird, legt. Aus letzterem ergeben sich aber für verschie- der mit dem Stromnulldurchgang endet und dessen dene Anwendungen die entscheidenden Nachteile, Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gedaß keine Überlastungs- oder Kurzschluß-Sicherheit steuert wird.

besteht. Bei Überlastung oder Kurzschluß können Bei dieser Art der Regelung ergibt sich der Vorsieh der Schwingstrom und die Schwingspannung an 45 teil, daß sämtliche Elemente des Regelkreises Sekunden Elementen des Reihenschwingkreises unbegrenzt därseitig angeordnet sind, so daß die bei Anwendung aufschaukeln. der Schutzklasse II (Schutzisolation) sich stellenden

Im Gegensatz dazu sind die bekannten Sperr- erhöhten Forderungen an die Isolierung lediglich wandler kurzschlußfest. Sie weisen jedoch als Nach- einmal zwischen der Primär- und der Sekundärwickteile besonders hohe Transistor-Belastungen und 50 lung des Hauptübertragers auftreten und ohne be- -Verluste auf, weil hier der Transistor jeweils im sonderen Aufwand auch verwirklicht werden kön-Augenblick des höchsten Stromes abgeschaltet wird nen, weil die bei einem Transformator mit relativ und infolge der Streuinduktivität des Übertragers der dicker Zwischenisolation auftretende erhöhte Streudabei theoretisch auftretende Wert der Sperrspan- induktivität ohne Nachteil in die Induktivität des nung weit überschritten werden kann. Die Gefahr für 55 Reihenschwingkreises einbezogen werden und diese einen sekundären Durchbruch des Schalttransistors im Extremfall ersetzen kann,
ist deshalb beim Sperrwandler in besonderem Maße Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden gegeben, weshalb er für hohe Leistungen und Fre- nachfolgend an Hand mehrerer Ausführungsbeiquenzert wenig geeignet ist. spiele, die in den F i g. 1 bis 6 dargestellt sind, er-

Die Erfindung bezweckt, die Vorteile beider Wand- 60 läutert. Es zeigt

lertypen (hohe Durchgangsleistung und geringe Ver- F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungs-

luste sowie Kurzschlußfähigkeit) zu vereinigen und beispiels,

die Nachteile der Sperrwandler betreffend die er- F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem Schaltbild eines

höhten Anforderungen bzw. Gefahren bezüglich eines zweiten Ausführungsbeispiels, das im Überlastungs-

Sekundä'rdurchbruches der Transistoren zu vermei- 65 falle die normale Umschaltfrequenz beibehält,

den. F i g. 3 einen Ausschnitt aus einem Schaltbild eines

Die Erfindung erreicht die Kurzschlüßfähigkeit bei dritten Ausführungsbeispiels, bei dem die Ausgangs-

einem Gleichspannungs-Gegentaktwandler der ein- spannung mittels eines Transduktors regelbar ist,

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F1 g. 4 Belastung»- bzw. Regelkennlinien der An- wirksame Kapazität unabhängig vom jeweiligen ohm-

ordnungen gemäß Fig.2 bzw, 3, sehen Widerstand der Begrenzerdioden einen kon-

F1 g. 5 ein Schaltbild eines vierten Ausfllhrungs- stamen Wert beibehält. Die Schwingkreisinduktivität

beispiels, bei dem die Ausgangsspannung mittels wird im zweiten Ausflihrungsbeispiel ausschließlich

eines periodisch betätigten, sekundärseitig am Last- -s von der Streuinduktivität des Hauptübertragers 20

Stromkreis angreifenden Kurzschlußschalters geregelt gebildet,
wird, und Der Wandler weist eine Belastungskennlinie

Fig.6 ein Schaltbild eines fünften Ausführung«- (Fig.4) auf, die innerhalb tfines Betriebsbereichs

beispiels, bei dem die Ausgangsspannung mittels des Ausgangsstromes einen Ast 40 mit konstanter

eines periodisch betätigten KurzschlußschaJters ge- ίο Ausgangsspannung'41 hat, der an seinem Ende bei

regelt wird, der auf einen besonderen Sekundär- Erreichen eines maximalen Ausgangsstromes 42 in

Stromkreis einwirkt. einen dazu senkrecht verlaufenden Ast 43 mit nach

Beim ersten Ausflihrungsbeispiel (Fig. 1) liegt ein Null gehender Ausgangsspannung übergeht. Damit erster Anschluß einer Primärwicklung 10 eines ist der Wandler kurzschlußfähig. Hauptübertragers über eine Primärwicklung 1 eines 15 Beim dritten AusfUhrungsbeispiel (F i g. 3) ist Steuerübertragers am Verbindungspunkt des Kollek- dem mit der Reiheninduktivität 3Oo zusammenartors eines Schalttransistors 2 und des Emitters eines beitenden Schwingkreiskondensator 35 über einen Schalttransistors 3, deren Basis-Emitterstrecken je- Gleichstrom-Trennkondensator 34 α zusätzlich eii. ■ weils mit einer von zwei Sekundärwicklungen des steuerbare Induktivität 34 parallel geschaltet. Es han-Steuerübertrages verbunden sind und abwechselnd *o delt sich dabei um einen Transduktor, dessen Steuerausgesteuert werden. Der Kollektor des Schalttran- wicklung nicht besonders dargestellt ist. Die steuersistors 3 ist mit dem einen und der Emitter des bare Induktivität 34 bewirkt, daß ein Teil des durch Schalttransistors 2 ist mit dem anderen Anschluß den Schwingkreiskondensator 35 fließenden Schwingeiner Speisespannungsquelle 4 verbunden. Ein zwei- stromes nicht über die Primärwicklung 30 des Hauptter Anschluß der Primärwicklung 10 des Hauptüber- »5 Übertragers fließt. In Abhängigkeit von der jeweiligen tragers liegt über einen Schwingkreiskondensator 5, Größe der zusätzlichen steuerbaren Induktivität 34 der zusammen mit einer Reiheninduktivität 10a unter ergeben sich dabei im Belastungskennlinienfeld Einbeziehung der Streuinduktivität des Hauptüber- (F i g. 4) parallel zueinander verschobene senkrechte tragers auf die Umschaltfrequenz des Wandlers ab- Äste 44.

gestimmt ist, an dem masseseitigen Anschluß der 30 Beim vierten Ausführungsbeispiel (F i g. 5) liegen

Speisespannungsquelle 4. unmittelbar am Gleichspannungsausgang eines von

Der Hauptübertrager weist einen primärseitigen einer Lastsekundärwicklung 50 gespeisten Lastgleich-

Schutzschirm, der mit dem masseseitigen Anschluß richters 51 die Emitter-Kollektorstrecke eines Schalt-

der Speisespannungsquelle 4 verbunden ist, und einen transistors 52 und über eine Entkopplungsdiode 53

sekundärseitigen Schutzschirm auf, der mit den 35 die Parallelschaltung eines Ladekondensators 54 und

masseseitigen Anschlüssen der Sekundärwicklungen 6, der Last 55.

7 des Hauptübertragers und damit der sekundären Der Schalttransistor 52 bildet einen periodisch von Stromkreise 8, 9 verbunden ist. Die Schutzschirme einem Steuergerät 56 betätigten Schalter, der jeweils sowie nicht näher dargestellte Isolierschichten sind während eines Teils einer Stromhalbperiode geschlosreichlich dimensioniert, da die dadurch hervorgeru- 4° sen ist, der mit dem Stromnulldurchgang endet und fene große Streuinduktivität der Primärwicklung 10 dessen Dauer von der Abweichung eines Istwertes nicht stört. Der Verbindungspunkt zweier gleichsin- von einem Sollwert der Ausgangsspannung bestimmt nig in Reihe geschalteter und in Sperrichtung an der wird. Von dem aus dem Hauptübertrager heraus-Speisespannungsquelle 4 liegender Begrenzerdioden fließenden Gesamtstrom wird also vom als Quer-11, 12 ist mit dem Verbindungspunkt des Schwing- 45 schalter wirkenden Schalttransistor 52 immer so viel kreiskondensators 5 und der Reiheninduktivität 10« übernommen, daß an der vom restlichen Strom verbunden. Auf diese Weise kann die Spitzenspan- durchflossenen Last 55 die Spannung konstant bleibt, nung am Schwingkreiskondensator 5 höchstens den Ein in der masseseitigen Rückleitung des Gleich-Wert der jeweiligen Speisespannun£ annehmen. Der Spannungsausgangs liegender Fühlwiderstand 57 Reihenschwingkreis 5, 10 a ist so bemessen, daß bei 50 dient der Bestimmung des Stromnulldurchgangs, der größten zulässigen Sekundärbelastung (Nenn- Die beim vierten Ausführungsbeispiel angewandte belastung des Wandlers) die Spitzenspannung am Art der Regelung, die sich die Kurzschlußfestigkeit Schwingkreiskondensator 5 gerade gleich der kleinst- des Wandlers zunutze macht, hat wie die primli■-möglichen Spannung der Speisespannungsquelle 4 ist. seitige Regelung mittels eines Transduktor den Vo. Die Begrenzerdioden U, 12 wirken erst im Über- 55 teil der praktischen Verlustfreiheit. Gegenüber der lastungsfall als parallel zum Schwingkreiskonden- Regelung mit einem Transduktor besteht hier noch sator5 liegende reelle Widerstände, die eine Schwin- der weitere Vorteil, daß der Regler auf der Sekungungsdämpfung und ein Absinken der UrnschaU- därseite angreift, auf der auch der SpannungSverfreqüenz zur Folge haben. gleich vorgenommen wird, so daß wesentliche Er-

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (F i g. 2) ist 60 leichterungen bezüglich Schutzisolation und Hoch-'

zwischen den Verbindungspunkt der beiden Be- frequenzstörungcn gegeben sind, da die Sekund;

grenzerdioden 21, 22 und den Verbindungspunkt des seite von der Primärseite vollständig isoliert werden

Schwingkreiskondensators 25 mit der Schwingkreis- kann. Daß der Hauptübertrager bei einer dickwan-

induktivität20a eine zusätzliche Induktivität 23 längs digen Isolation eine größere Streuinduktivität hat, ist

eingeschaltet, deren Induktivitätswert etwa der 65 deshalb unerheblich, weil diese sich vollständig in

Schwingkreisinduktivität 20α entspricht. Damit er- . die Dimensionierung des primären Reihenschwing·

gibt sich im Überlastungsfalle eine gleichbleibende kreises einbeziehen und so sinnvoll ausnutzen läßt. Umschaltfrequenz, weil die im Reihenschwingkreis Beim fünften Ausführungsbeispiel (F i g. 6} liefert

der Gleichspannungsausgang eine kleine Ausgangsspannung an die Last 65. Damit der als Querregler dienende Schalttransistor 62 in einem für seinen Betrieb günstigen Strom- und Spannungsbereich arbeiten kann,, greift er an einer besonderen Sekundärwicklung 68 mit einer Gleichrichteranordnung 61 an. Das Steuergerät 66 fühlt die an der Last 65 stehende Ausgangsspannung ab, und der Stromnulldurchgang wird an einem in der masseseitigen Rückleitung der besonderen Sekundärwicklung 68 liegenden Fühlwiderstand 67 abgegriffen, da während der Schließzeit des Schalttransistors 62 der die Last 65 speisende Gleichrichter keinen Strom führt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gieichspannungs-Gegentaktwandler mit einer Reihenschaltung aus der Primärwicklung eines Hauptübertragers und eines auf die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers abgestimmten Reihenschwingkreises und mit zwei ao Schalttransistoren zur wechselweisen Umschaltung des einen Poles der Reihenschaltung, deren anderer Pol mit einem der beiden Pole der Speisespannungsquelle ständig verbunden ist, auf den positiven und den negativen Pol der Speise- »5 Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschwingkreis so bemessen ist, daß bei Nennbelastung des Gleichspannungswandlers die Spitzenspannung am Schwingkreiskondensator (5; 25; 35) gerade gleich der kleinstmöglichen Spannung der Speisespannungsquelle (4) ist und daß der Schwingkreiskondensator (5; 25; 35) auf derjenigen Seite der Reihenschaltung aus Hauptübertrager (10, 6, 7) und Reihenschwingkreis angeordnet ist, deren Pol mit der Speisespannungsquelle (4) ständig verbunden ist, und der von der Speisespannungsquelle (4) abgewendete Pol des Schwingkreiskondensators mit dem Verbindungspunkt einer parallel zur Speisespannungsquelle geschalteten Reihenschaltung zweier für die Speisespannungsquelle in Sperrrichtung gepolter Begrenzerdioden (11,12; 21, 22) verbunden ist.

2. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem Kondensator (25) und dem Verbindungspunkt der Begrenzerdioden (21, 22) zusätzlich eine Induktivität (23) vorgesehen ist, deren Induktivitätswert etwa mit dem Induktivitätswert des Reihenschwingkreises übereinstimmt.

3. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (35) des Reihenschwingkreises zusätzlich eine steuerbare Induktivität (34) geschaltet ist.

4. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Ausgangsspannung ein weiterer Schalttransistor (52; 62) derart vorgesehen und gesteuert ist, daß der Wandler sekundärseitig periodisch mittels des Schalttransistors während eines Teiles jeder Stromhalbperiode kurzgeschlossen wird, der mit dem Stromnulldurchgang endet und dessen Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gesteuert wird.

5. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalttransistor (62) über eine Gleichrichteranordnung (61) parallel zu einer nur für die Spannungsregelung vorgesehenen Sekundärwicklung (68) des Hauptübertragers geschaltet ist.

6. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalttransistor (52) über einen Lastgleichrichter (51) parallel zu einer Lastsekundärwicklung (50) des Hauptübertragers geschaltet und zwischen den weiteren Schalttransistor (52) und einen parallel zum Lastausgang liegenden Ladekondensator (54) eine für den Laststrom in Durchlaßrichtung gepolte Entkopplungsdiode (53) vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen