DE1927590C - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verringerung der Umschaltverluste eines fremdgesteuerten Transistor-Gegentaktgleichspannungswandlers - Google Patents

Description

Steuerleistung geliefert wird und der Taktgeber 15
die Umsteuerung der Schalttransistoren des
Gleichspannungswandlers in der Weise bewirkt,

daß durch ihn zum Einleiten einer Umsteuerung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur

jeweils ein Stromkreis geschlossen wird, der dem Verringerung der Umschaltverluste eines von einem

jeweils zu sperrenden Schalttransistor einen von ao Taktgeber fremdgesteuerten Transistor-Gegentakt-

der Riickkopplungswicklung des jeweils in den gleichspannungswandler, dessen magnetisch ungc-

leitenden Zustand zu bringenden Schalttransistors sättigter Leistungsübertrager mit in den Basiskreisen

gelieferten Basis-Sperrstrom zuführt. der Schalttransistoren angeordneten Spannungsrück-

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des kopplungswicklungen versehen ist und dessen AusVerfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 gang eine Gleichrichterschaltung mit Ladekapazität zeichnet, daß von dem Taktgeber (7") über zwei aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Steuertransistoren (Ts2, Ts3) zwei gleichartig Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verausgebildete Schaltungszweige mit je einem fahrens.

Schalttransistor (Ts 4, 7"s5) und einer Riickkopp- Ein derartiger Gleichspannungswandler ist bekannt lungswicklung (Ha, II b) des Leistungsübertragers 30 (USA.-Patentschrift 2 987 664).
(7>) gesteuert sind, die über eine gemeinsame Für die Dimensionierung von Gleichspannungs-Parallelschaltung einer Diode (D 9) und eines wandlern ist die Berücksichtigung der in den Schalt-Kondensators (C4) mit dem Verbindungspunlt transistoren entstehenden Umschaltverluste von erder Emitter der beiden Schalttransistoren (7*4, heblicher Bedeutung. Eine Reihe von wichtigen TsS) verbunden sind. 35 Forderungen für derartige Geräte, wie z. B. kleines

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- Volumen, geringe Siebmittel und guter Wirkungsgrad, durch gekennzeichnet, daß jeder der -beiden die im allgemeinen an jeden Gleichspannungswandler Stromkreise zur Einleitung der Umsteuerung der gestellt werden, sind, abgesehen von der Leistung, Schalttransistoren (7s4, Ts5) aus der zum einen in hohem Maße von ihrer Betriebsfrequenz abhängig. Schalttransistor (7*4; Ts5) gehörigen Rückkopp- 40 Es ist bekannt, daß mit steigender Betriebsfrequenz lungswicklung (Ha; 116), der Kollektor-Emitter- das Volumen geringer und die Siebmittel einfacher Strecke des Steuertransistcrs (Ts2; Ts3) und werden. Einer willkürlichen Erhöhung der Betriebseiner die Rückkopplungswicklung (Ha; Ub) mit frequenz steht jedoch hindernd entgegen, daß die der Basis des anderen Schalttransistors (TsS; Umschaltverluste in den Transistoren unzulässig hohe Ts4) verbindenden Diode (D7; D8) sowie aus 45 Werte annehmen würden. Andererseits muß eine bedem Kondensator (C4) der Parallelschaltung be- sondere Auswahl von für höhere Schaltfrequenzen steht. geeigneten Schalttransistoren getroffen werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- Es ist bei einem fremdgesteuerten Transistordurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis jedes Gegentaktgleichspannungswandler bereits bekannt, Schalttransistors (7s 4; TsS) von der über einen 50 die Umschaltverluste in den Transistoren dadurch zu Widerstand (R 5, R 6) mit der Basis verbundenen verringern, daß der Ausräumvorgang der Basisladung Rückkopplungswicklung (Ha; lib) und einer nach der Umsteuerung durch Verwendung einer Reihenschaltung der dem Kondensator (C 4) par- ÄC-Schaltung in der Basisleitung der Transistoren allelgeschalteten Diode (D 9) und einer weiteren beschleunigt wird. Dabei verursacht die /?C-Schal-Diode (D 3; D 4) gebildet ist. 55 tung durch ständiges Umladen des Kondensators zu-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- sätzliche Verluste (Funkschau, 1969, Heft 2,«S. 49 durch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung für bis 52).

den jeweils gesperrten Schalttransistor (Ts4; Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel TsS) an der vom Basissteuerstrom des anderen und Wege aufzuzeigen, um die Umschaltverluste in Schalttransistors (Ts5; Ts4) durchflossenen 60 den Transistoren auf ein Minimum zu reduzieren Reihenschaltung der zwei Dioden (D 4, D9; und dadurch das einer wesentlichen Erhöhung der Dl, D9) über eine weitere Diode (D6; DS) ab- Betriebsfrequenz im Wege stehende Hindernis abgegriffen ist, die die zum anderen Schalttransistor zubauen.

(TsS; Ts4) gehörige Rückkopplungswicklung Diese Aufgabe wird bei einem Gleichspannungs- (IIb; Ua) und die diese Rückkopplungswicklung 65 wandler der eingangs genannten Art gemäß der Ermit der Basis des erstgenannten Schalttransistors findung durch ein Verfahren gelöst, bei dem von den (Ts4; TsS) verbindende Diode (D8;D7) über- Rückkopplungswicklungen die volle für die Schaltbrückt, transistoren erforderliche Steuerleistung geliefert wird

und der Taktgeber die Umsteuerung der Schalttransistoren des Gleichspannungswandlers in der Weise bewirkt, daß durch ihn zum Einleiten einer Umsteuerung jeweils ein Stromkreis geschlossen wird, der dem jeweils zu sperrenden Schalttransistor einen von der Rückkopplungswicklung des jeweils in den leitenden Zustand zu bringenden Schalttra-isistors gelieferten Basis-Sperrstrom zuführt

Der auf diese Weise erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß eine strenge zeitliche Trennung der Vorgänge zur Sperrung und Durchsteuerung der Schalttransistoren und der Gleichrichterdioden erreicht wird. Der Ablauf erfolgt selbsttätig, nachdem der Taktgeber die Umsteuerung eingeleitet hat.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung ir vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß von dem Taktgeber über zwei Steuertransistoren zwei gleichartig ausgebildete Schaltungszweige mit je einem Schalttransistor und einer Rückkopplungswicklung des Leistungsübeiliagers gesteuert sind, die über eine gemeinsame Parallelschaltung einer Diode und eines Kondensators mit dem Verbindungspunkt der Emitter der beiden Schalttransistoren verbunden sind.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird an Hand der Figur näher erläutert.

Der in der Figur im Prinzip dargestellte Gsgentaktgleichspannungswandler besteht im wesentlichen aus dem nur als Blockschaltbild dargestellten Taktgeber mit einer astabilen und einer bistabilen Kippstufe α und b, der zwischen dem Taktgeber T und den Schalttransistoren A4 und Ts5 befindlichen Steuerschaltung und dem eigentlichen Leistungsteil mit einem Ladekondensator C 6 am Gleichrichterausgang.

Taktgeber und Leistungsteil werden aus einer gemeinsamen Betriebsstromquelle mit der Eingangsspannung i/l versorgt. Dabei ist dem Taktgeber eine einfache Spannungsstabilisierung vorgeschaltet, die mit dem Serien-Transistor Tv 1 und der eine Referenzspannung liefernden Zenerdiode ZD arbeitet. Die astabile Kippstufe α des Taktgenerators erzeugt eine hohe Schaltfrequenz von z. B. T) kHz In der darauffolgenden bistabilen Kippstufe b (Teilerstufe) wird eine symmetrische Stcuerspannung (Taktfrequenz) von z. B. 35 kHz gebildet, mittels der über die Steuertransistoren TsI, Tsi und die Rückkopplungsschleife den Schalttransistoren Ts4, TsS des Leistungsteils der Takt aufgeprägt wird. Beide Kippstufen des Taktgebers bestehen vorteilhafterweise aus integrierten Schaltkreisen, da sie bei geringem Aufwand eine Steuerspannung mit besonders hnher Flankensteilheit und mit hoher zeitlicher Symmetrie der Halbschwingungen liefern.

Die Steuerschaltung, die im wesentlichen aus den beiden Steuertransistoren Ts2, 7v3, einer Kombination von mehreren Widersländen R 3 bis R 6 und Dioden Dl bis D9 sowie aus zwei Spannungsiiickkopplungswicklungen Ha und Wb des Leistungs-Übertragers Tr besteht, steuert in Abhängigkeit von der Taktspannung selbsttätig den Umschaltvorgang der im Gegentakt arbeitenden Sclialltransisioren in folgender zeitlicher festgelegter Reihenfolge: Sperrung des zunächst stromführenden Schalttransistors, Sperrung der Gleichrichter am Ausgang der Schaltung, Abmagnetisierung des Leistungsübertragers und Einschaltung des zunächst noch gesperrten zweiten Schalttransistors. Die Steuerleistung für die Schalttransistoren liefern die Rückkopplungswicklungen Ha, Ub des Leistungsübertragers,

Die Basiselektroden der Steuertransistoren Tv 2, Tj 3 sind über die Widerstände Λ3, R 4 mit den symmetrischen Ausgängen der Kippstufe b verbunden. Die Emitterelektroden beider Steuertransistoren sind zusammengeschaltet, und ihr Verbindungspunkt liegt einerseits am negativen Stromversorgungseingang des Taktgebers, andererseits über die für die Eingangsspannung Ul in Sperrichtung geschaltete Diode D 9 am Verbindungspunkt der beiden Emitteranschlüsse der Schalttransistoren Ts 4 u*id TsS.

Die Transistoren Ts 2 und Tj3 mit den Basiswiderständen A3, R4 am Eingang der Steuerschaltung können entfallen, wenn die an den Ausgängen der bistabilen Kipstufe b des Taktgebers T zur Verfugung stehende Steuerleistung zur Aussteuerung der Schalttransistoren Tv4, Ti 5 ausreichend groß ist. Die Ausgänge des Taktgebers sind in diesem Fall jeweils direkt mit der Kathode der Dioden D I und D 2 verbunden.

Der Kondensator C 4 ist der Diode D 9 parallel geschähet. An die Emitter-Kollektorstrecke beider Steuer transistoren ist je eine Gruppe von zwei gleichsinnig gepolten Dioden Dl, D3 bzw. DZ, D4 angeschaltet, wobei ihre Anode am Emitter der npn-Transistoren Tj2 und Tj 3 liegt. Jeweils zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Dioden Dl, D3 bzw. Dl, D4 und der Basiselektrode der Schalttransistoren Tj4, Ts5 ist über einen Widerstand RS bzw. R 6 die Rückkopplungswicklung Ii α bzw. Hb des Leistungsübertragers angeschaltet. Parallel zu beiden Hilfswicklungen ist je eine Serienschaltung von zwei an ihrer Anode zusammengeschalteten Dioden D 5, Dl bzw. D6, D8 angeschlossen. Der Verbindungspunkt der Dioden DS, Dl bzw. D6, D8 ist an die Basis des Schalttransistors Tj5 bzw. an die Basis des Schalttransislors Tj4 geführt.

Der Leistungsteil des Gleichspannungswundlers wird von den im Gegentakt zu steuernden Schalttransistoren Ts4 und TsS, dem Leistungsübertrager Tr mit den symmetrisch ausgebildeten Primärwicklungen Ia und \b, von der Sekundärwicklung III, die an den Brückengleichrichter GrI bis Gr4 angeschlossen ist, sowie von dem Ladekondensator C 6 am Gleichrichterausgang gebildet.

Die Wirkungsweise der Steueischaltung wird im folgenden näher erläutert. Wird davon ausgegangen, daß der Leistungstransistor Tj5 stromführend ist, so liefen der Transformator Tr eine Spannung, die an den mit einem Punkt gekennzeichneten Wicklungsenden positive Polarität aufweist. Die Spannung an der Rückkopplungswicklung Ub treibt einen Steuerstrom über den Widerstand R 6, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tj5, die Dioden D 9 und Z) 4. Der Steuertransistor Tj3, der vom Ausgang der bistabilen Kippstufe zur gleichen Zeit Basisstrom erhält und somit stromdurchlässig geschaltet ist, kanu keinen Kollektrostrom aus der als Spannungsquelle wirkenden Rückkopplungswicklung life ziehen, weil die Diode D 2 und die Polarität der Spannung an der Wicklung II b dieses verhindern. Der Steuertransistor Tj2 wird zu diesem Zeitpunkt an seiner Basis nicht angesteuert und ist somit gesperrt. Der ebenfalls gesperrte Leistungstransistor Tj4 erhält Basis-Sperrspannung aus der Wicklung Ub, in-

dem der Spannungsabfall an den Dioden D 9 und DX über die Diode D 6 als negative Spannung (etwa 0,8 V) an die Basis des Schalttransistors Ts 4 gelangt. Schallet die bistabile Kippstufe ihre Ausgänge um, so ist der bisher leitende Stcuerlransistor 7".s3 gesperrt und der Steuertransistor Ts2 leitend gesteuert. Die Rückkopplungswicklung Πα liefert dann einen Basis-Sperrstrom (Ausräumestrom), der die Funktion hat, die nachteilige Speicherzeit der Halbleiterschichten der Transistoren (Dioden) zu kürzen, indem die zu Beginn der Umschaltung der Transistoren in den gesperrten Zustand noch in den HaIbleiterschichtcn befindlichen Ladungsträger so schnell wie möglich ausgeräumt werden. Der Ausräumstrom fließt vom positiven, mit einem Punkt gckennzeichneten Ende der Wicklung Πα über die Diode Dl, den Transistor Ts 2, den parallel zur Diode D 9 liegenden Kondensator C 4, die Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors TsS und über die Diode Dl an den Anfang der Wicklung Ha zurück. Dieser ao Strom ist nur durch den inneren Widerstand der Wicklung Ha und die Innenwiderstände der Halbleiter begrenzt. Da in den Dioden der Gleichrichterschaltung GrI bis GrA in gleicher Weise der oben erwähnte Speichercffekt beim Umschaltvorgang vom *5 leitenden in den gesperrten Zustand wirksam ist, wird die Spannung am Transformator aus dem Ladekondensator C 6 mit der gleichen Polarität aufrechterhalten, solange die Gleichrichter GrI und Gr4 ihre Sperrfähigkeit noch nicht erreicht haben. Die Spannung am Transformator Tr bleibt bis zu diesem Zeitpunkt positiv; es gelangt an den Transistor TsS ab Erreichen seiner Stromlosigkeit eine Basis-Sperrspannung aus der Wicklung Πα. Diese Sperrspannung wird bis zum Ende der jetzt einsetzenden negativen Halbschwingung der Transformatorspannung aufrechterhalten. Gleichzeitig geht der Basis-Sperrstrom auf einen verschwindend kleinen Betrag zurück. Nach Ablauf der Speicherzeit der Ausgangsgleichrichter beginnt deren Umschaltzcit. Vom Beginn der Stromlosigkeit des Schalttransistors TsS bis zum Ende der Abschaltzeit der Ausgangsgleichrichter wird der Magnelisierungsstrom des Transformators Tr aus dem Ladekondensator C 6 geliefert. Wenn die Ausgangsgleichrichter ihre Sperrfähigkeit erlangt haben, kann der Magnetisierungsstrom nur in der Wicklung Ha weiterfließen. Er fließt als öffnender Basisstrom des Transistors Ts4 über den Widerstand RS, die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors Ts4 und die Dioden D 9, D3 zum Anfang der Wicklung zurück. Die in der Querinduktivität des Transformators vorhandene magnetische Feldstärke vermindert sich und damit wird die zeitliche Änderung des Magnetisierungsstromes negativ. Der Transformator wird in diesem Zeitpunkt zur Spannungsquelle mit geänderter Polarität. In den Wicklungen Ha und lib kehrt sich die Polarität nun ebenfalls um, und es fließt, wie bereits bei der Durchlaßphase des Schalttransistors Ts5 beschrieben, ein öffnender Basisstrom des Schalttransistors Ts4 für die Dauer seiner Durchlaßphase, bis der Sperrvorgang bei Umschaltung der Ausgänge der bistabilen Kippstufe durch den Steuertransistors Ti 3 eingeleitet wird.

Das beschriebene Steuerschaltungsprinzip kann auch für Gleichspannungswandler in Brücken- oder Halbbrückenschaltungen mit den genannten Vorteilen verwendet werden. Die dabei erforderlichen Schaltungsänderungen bzw. Schaltungsergänzungen bestehen darin, daß die Steuerspannung über einen Trcnn-Übertrager mit vier bzw. zwei Sekundärwicklungen aufgeteilt werden muß. Jeder der vier bzw. zwei Leistungstransistoren der Wandlerschaltung erhält nunmehr eine Hilfswicklung mit Mittelanzapfung, die aus der einen Hälfte die öffnende Spannung und die Dauer-Basis-Sperrspannung über der Basis-Vorwiderstand liefert. Die zweite Hälfte liefer die Spannung für die Einleitung der Sperrung übei den Steuertransistor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 6. Schaltungsanordnung nach einem der An- Patentanspriiche: Sprüche 2 bis 5 oder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

1. Verfahren zur Verringerung der Umschalt- net, daß der Taktgeber (T) am Eingang der Verluste eines von einem Taktgeber fremd- 5 Steuerschaltung aus einer astabilen Kippstufe (a) gesteuerten Transistor-Gegentaktgleichspannungs- und einer nachgeschalteten bistabilen Kippstufe wandlers, dessen magnetisch ungesättigter Lei- (b) mit zwei symmetrischen Ausgängen besteht, stungsübertrager mit in den Basiskreisen der 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, da-Schalttransistoren angeordneten Spannungsrück- durch gekennzeichnet, daß die Stufen des Taktkopplungswicklungen versehen ist und dessen io gebers aus integrierten Bausteinen bestehen.
Ausgang eine Gleichrichterschaltung mit Ladekapazität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß von den Rückkopplungswicklungen die

volle für die Schalttransistoren erforderliche