DE19546663A1

DE19546663A1 - Spannungswandler

Info

Publication number: DE19546663A1
Application number: DE19546663A
Authority: DE
Inventors: Horst Wolf
Original assignee: EUROATLAS GES fur LEISTUNGSEL
Current assignee: EUROATLAS GES fur LEISTUNGSEL
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 1997-06-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einer zwischen einer Gleich spannungsquelle und einem Ladekondensator mit angeschlossener Last im Längs zweig liegenden Induktivität, einem sich anschließenden, periodisch ein- und ausschaltenden Haupttransistor im Querzweig und einem im Längszweig liegenden Gleichrichter, der den Strom beim Abschalten des Haupttransistors von der Indukti vität übernimmt und in den Ladekondensator speist.

Bei einem solchen Spannungswandler tritt, insbesondere bei höheren Leistungen und Ausgangsspannungen, das Problem auf, daß der im Längszweig liegende Gleichrichter beim Einschalten des im Querzweig liegenden Haupttransistors nicht schnell genug sperrt, also eine hohe Sperrverzugszeit aufweist. Dies hat zur Folge, daß beim jeweiligen Einschalten des Haupttransistors ein hoher Stromstoß ent steht, dessen Energie aus dem Ladekondensator geliefert wird, und zwar so lange, bis der Gleichrichter sperrt. Dies führt zu unzulässigen Verlusten im Haupttransistor und kann zu dessen Zerstörung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungswandler dieser Art so auszubilden, daß diese unzulässigen Überlastungen des Haupttransistors sowie auch des im Längszweig liegenden Gleichrichters vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Spannungswandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in Serie mit dem Haupttransistor eine Hilfsinduktivität geschal tet ist, die den Sperrstrom des Gleichrichters bei dessen Abschalten auf einen zulässigen Wert des Haupttransistors begrenzt, und daß eine Entladeschaltung für die in der Hilfsinduktivität gespeicherten Energie vorgesehen ist.

Durch diese Maßnahme werden die vorstehend angegebenen Kurzschlußstrom spitzen aufgrund der hohen Sperrverzugszeit des Gleichrichters verhindert, und außerdem wird ein langsamerer Stromanstieg im Haupttransistor bewirkt, wodurch die Einschaltverluste stark reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung kann nicht nur bei einem aus einer Gleichspannungs quelle gespeisten Spannungswandler angewandt werden, sondern als Gleichspan nungsquelle kann auch eine Wechselstromquelle mit nachgeschaltetem Vollweg gleichrichter benutzt werden.

Um die in der Hilfsinduktivität gespeicherte Energie nicht nutzlos vernichten zu müssen, was den Wirkungsgrad des Spannungswandler verschlechtert, ist als Entladeschaltung für die Hilfsinduktivität gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein über einen Gleichrichter angeschlossener Hilfskondensator vorgesehen. Dieser Hilfskondensator wird vorzugsweise über einen Hilfstransistor, der gleichzeitig mit dem Haupttransistor angesteuert wird, vor dem Ausschaltzeit punkt des Haupttransistors entladen. In Serie mit dem Hilfstransistor ist vorzugs weise die Primärwicklung eines Hilfstransformators geschaltet, dessen Sekundär wicklung über einen Gleichrichter zwecks Rückspeisung der Energie an den Lade kondensator angeschlossen ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die in der Hilfsinduktivität bei der Strombegrenzung gespeicherte Energie in den Ladekon densator gespeist wird, so daß der Wirkungsgrad des Spannungswandlers durch diese Schutzmaßnahme kaum nachteilig beeinflußt wird.

Eine besonders wirkungsvolle Rückspeisung der Energie in den Ladekondensator kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erfolgen, daß die Entladung des Hilfskondensators in der Form eines Resonanzvorganges derart erfolgt, daß in einer Viertelwelle die Spannung am Hilfskondensator den Wert Null erreicht, wobei die Resonanzfrequenz durch die Kapazität des Hilfskondensators und die Primärinduktivität des Hilfstransformators bestimmt wird.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Kondensators über eine entsprechend dimensionierte Streuinduktivi tät des Hilfstransformators, die mit dem Kondensator einen Serienresonanzkreis bildet, mit einer sinusförmigen Stromhalbwelle erfolgt. Um den hierbei auftretenden Magnetisierungsstrom des Hilfstransformators abzubauen, ist vorzugsweise parallel zur Primärwicklung des Hilfstransformators ein Schaltelement angeschlossen, das vorzugsweise aus der Anti-Serienschaltung eines Gleichrichters mit einer Zenerdio de besteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das vereinfachte Schaltbild eines Spannungswandlers ge mäß der vorliegenden Erfindung, wobei die in einer zweiten Ausführungsform benutzten zusätzlichen Bauelemente ge strichelt angedeutet sind;

Fig. 2 Impulsbilder an den verschiedenen Schaltungspunkten einer ersten Ausführungsform;

Fig. 3 das Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 4 Impulsformen an den verschiedenen Schaltungspunkten der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Spannungswandler dargestellt, dessen Aufbau, wenn die innerhalb der strichpunktierten Linie liegenden Bauelemente fortgelassen werden, an sich bekannt ist.

Die Grundfunktion des bekannten Spannungswandlers ist wie folgt: Gespeist wird der Spannungswandler im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Wechsel spannung, die über einen Brückengleichrichter D1 gleichgerichtet wird. In einem ersten Längszweig ist eine Induktivität L1 angeordnet, und es schließt sich in einem zweiten Längszweig ein Gleichrichter D2 an, an den ein Ladekondensator C1 und eine parallelgeschaltete Last R_L angeschlossen ist. Zwischen der Induktivität L1 und dem Gleichrichter D2 ist in einem Querzweig ein Haupttransistor V1 an geordnet, der periodisch ein- und ausgeschaltet wird.

Die Grundfunktion des Spannungswandlers ist wie folgt. Im eingeschalteten Zustand des Haupttransistors V1 fließt ein Gleichstrom vom Gleichspannungsein gang über die Induktivität L1 und den Haupttransistor V1. Bei der bekannten Schaltung ist anstelle der im strichpunktierten Feld vorgesehenen weiteren Indukti vität L2 eine direkte Verbindung vorgesehen. Beim Abschalten des Haupttransistors V1 kehrt sich die Spannung an der Induktivität L1 um, und der Strom der Induktivi tät L1 fließt weiter durch den am Ladekondensator C1 angeschlossenen Gleichrich ter. Wird nun der Haupttransistor V1 wieder eingeschaltet, so wird der Gleichrich ter D2 gesperrt, was jedoch wegen der immer auftretenden Sperrverzugszeit verzögert erfolgt. Dies hat zur Folge, daß ein Kurzschlußstrom vom Ladekondensa tor C1 in umgekehrter Richtung durch den Gleichrichter D2 zum eingeschalteten Haupttransistor V1 fließt und diesen überlastet.

Erfindungsgemäß ist nun im Stromkreis des Haupttransistors V1 eine Hilfsinduktivi tät L2 vorgesehen, die dafür sorgt, daß der Einschaltstrom des Haupttransistors V1 auf einen zulässigen Wert begrenzt wird. Gleichzeitig erfolgt ein langsamerer Stromanstieg in dem Haupttransistor V1, wodurch die Einschaltverluste stark reduziert werden.

Um nun die Energie der Induktivität L2 im Ausschaltmoment des Haupttransistors V1 abzubauen, ist ein Kondensator C2 vorgesehen, der über einen weiteren Gleichrichter D3 geladen wird. Dadurch, daß der Kondensator C2 vor dem Aus schaltzeitpunkt des Haupttransistors V1 entladen wird, erfolgt ein langsameres Ansteigen der Spannung am Haupttransistor V1 im Ausschaltmoment. Hierdurch werden die Ausschaltverluste des Haupttransistors V1 reduziert.

Um nun jedoch den Kondensator C2 für den nächsten Entladevorgang vorzuberei ten, ist ein Hilfstransistor V2 vorgesehen, der über die Primärwicklung eines Hilfstransformators T1 an den Kondensator T2 angeschlossen ist. Durch Einschal ten des Hilfstransistors V2 zum richtigen Moment wird die Energie des Kondensa tors C2 über die Primärwicklung entladen, und die in die Sekundärwicklung des Hilfstransformators T1 transformierte Energie wird über einen weiteren Gleichrich ter D4 dem Ladekondensator C1 zugeführt, so daß die von der Induktivität L2 abgenommene Energie nicht verloren geht.

Nachfolgend soll die Funktion des Spannungswandlers nach Fig. 1 anhand des Impulsdiagramms nach Fig. 2 beschrieben werden, wobei sich die gezeigten Ströme i und Spannungen u auf die im jeweiligen Index angegebenen Bauelemente beziehen. Außerdem sind die in Fig. 1 gestrichelt gezeigten Bauelemente D5 und D6 fortgelassen.

Zu Beginn ist der Haupttransistor V1 gesperrt und der Gleichrichter D2 leitend. Im Zeitpunkt 1 wird der Haupttransistor V1 leitend und die Spannung u_V1 wird schlag artig Null. Solange der Gleichrichter D2 noch leitet, steht die gesamte Spannung U_b ≈ U_a an der Induktivität L2 an, und diese bestimmt den Stromanstieg i_V1 im Haupttransistor V1.

Im Zeitpunkt 2 hat der Haupttransistor V1 den Strom des Gleichrichters D2 voll übernommen, der Einschaltvorgang ist beendet und der in die Induktivität L1 eingeprägte Strom fließt im Haupttransistor V1. Im Zeitpunkt 3 wird der Haupt transistor V1 ausgeschaltet. Während der Transistorstrom i_V1 praktisch schlagartig auf Null geht, fließt der in die Induktivität L1 eingeprägte Strom jedoch in den Kondensator C2 so lange weiter, bis die Spannung am Kondensator C2 den Span nungswert U_b erreicht und der Gleichrichter D2 leitend wird (Zeitpunkt 4). Danach gibt die Induktivität L2 ihre Energie an den Kondensator C2 ab. Die Spannung u_V1 ist bis zum Zeitpunkt 5 mit der Spannung am Kondensator C2 identisch, da er über den Gleichrichter D3 parallelgeschaltet ist. Durch den im Vergleich zum Stromabfall im Haupttransistor V1 langsameren Spannungsanstieg sind die Ausschaltverluste stark reduziert.

Zum Zeitpunkt 6 wird der Haupttransistor wieder eingeschaltet, und der Vorgang wie zum Zeitpunkt 1 wiederholt sich. Zusätzlich läuft jedoch ein Entladevorgang des Kondensators C2 ab, der vorstehend noch nicht beschrieben wurde.

Die Entladung des Kondensators C2 erfolgt über einen Hilfstransistor V2 und die Primärwicklung des Hilfstransformators T1. Der Hilfstransistor V2 wird zum glei chen Zeitpunkt wie der Haupttransistor V1 leitend gesteuert. Die Entladung erfolgt in Form eines Resonanzvorganges, wobei die Frequenz durch den Kondensator C2 und die Primärinduktivität des Hilfstransformators T1 bestimmt ist. Nach einer Viertelwelle, nämlich zum Zeitpunkt 7, erreicht die Kondensatorspannung 0 Volt, und der Strom durch die Primärwicklung des Hilfstransformators T1 erreicht die Amplitude _prim. In diesem Moment wird der Hilfstransistor V2 wieder gesperrt, die Primärwicklung des Hilfstransformators T1 induziert eine Spannung, die durch die Sekundärwicklung des Hilfstransformators und den Gleichrichter D4 auf die Aus gangsspannung am Kondensator C1 begrenzt wird. Hierdurch erfolgt der Abbau der induktiven Energie des Hilfstransformators T1, und dieser Vorgang ist zum Zeit punkt 8 abgeschlossen. Der Strom i_T1 zwischen den Zeitpunkten 6 und 7 fließt in der Primärwicklung des Hilfstransformators T1, während er zwischen den Zeitpunk ten 7 und 8 in der Sekundärwicklung des Hilfstransformators T1 fließt.

Als Induktivität L2 kann eine Sättigungsdrossel verwendet werden. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, den in Fig. 1 dargestellten Spannungs wandler nicht über den Brückengleichrichter D1 von einer Wechselspannungsquelle zu speisen, sondern am Eingang der Induktivität L1 eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) vorzusehen.

In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entladung des Kondensators C2 über den Hilfstransistor V2 und den Hilfstransformator T1 in einer anderen Weise. In dieser Variante sind der Primärwicklung des Hilfstrans formators T1 auch noch ein Gleichrichter D5 und eine Zenerdiode D6 in antipar alleler Serienschaltung parallelgeschaltet. Nachfolgend soll die andersgeartete Entladung des Kondensators C2 unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben werden.

Die Umladung vom Kondensator C2 zum Laststromkreis erfolgt bei dieser Aus führungsform über die Streuinduktivität L_ο des Hilfstransformators T1, welche zusammen mit dem Kondensator C2 einen Serienresonanzkreis bildet, so daß die Umladung des Kondensators C2 auf ein niedrigeres Niveau mit einer sinusförmigen Stromhalbwelle i_C2 = i_L _ο entsprechend der Resonanzfrequenz erfolgt (siehe das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 und das Impulsdiagramm nach Fig. 4). Diese Schal tungskonfiguration hat den Vorteil, daß die Umladung im Prinzip verlustfrei ist und daß der Hilfstransistor V2 im stromlosen Zustand wieder ausgeschaltet werden kann.

In den Fig. 3 und 4 bedeuten:
C, E und G: Kollektor, Emitter und Gate des Hilfstransistors V2
L, L_ο L_ο _p, L_ο _s und Ü: Gegeninduktivität, Gesamtstreuinduktivität, primäre Streuin duktivität, sekundäre Streuinduktivität und Übersetzungsverhältnis des Hilfstrans formators T1.

Um beim Übertragen der Ladung des Kondensators C2 mit dem Hilfstransformator T1 den Magnetisierungsstrom in dem Hilfstransformator T1 abzubauen, ist parallel zur Primärwicklung ein Schaltelement geschaltet, das aus der Anti-Serienschaltung aus einem Gleichrichter D5 und einer Zenerdiode D6 besteht. Beim Anschalten der Ladung des Kondensators C2 durch den Hilfstransistor V2 an die Primärwicklung des Hilfstransformators T1 schwingt die Transformatorspannung anschließend um, so daß der Magnetisierungsstrom durch das Schaltelement D5, D6 aufgenommen wird. Die hierbei entstehende Verlustleistung ist jedoch verhältnismäßig gering und nur ein Bruchteil dessen, was in der Induktivität L2 gespeichert ist.

Der Hilfstransistor V2 muß zum richtigen Zeitpunkt ein- und wieder ausgeschaltet werden, was durch eine entsprechende Steuereinheit erfolgt. Die einfachste Lösung besteht darin, daß der Hilfstransistor V2 etwa zeitgleich mit dem Haupt transistor V1 leitend, aber vor diesem wieder abgeschaltet wird. Wichtig ist nur, daß der Kondensator C2 vor dem nächsten Abschalten des Haupttransistors V1 wieder entladen wird.

Claims

1. Spannungswandler mit einer zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Ladekondensator (C1) mit angeschlossener Last (R_L) im Längszweig liegen den Induktivität (L1), einem sich anschließenden, periodisch ein- und ausschalten den Haupttransistor (V1) im Querzweig und einem im Längszweig liegenden Gleich richter (D2), der den Strom beim Abschalten des Haupttransistors (V1) von der Induktivität (L1) übernimmt und in den Ladekondensator (C1) speist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Serie mit dem Haupttransistor (V1) eine Hilfsinduktivität (L2) geschaltet ist, die den Sperrstrom des Gleichrichters (D2) bei dessen Abschalten auf einen zulässi gen Wert des Haupttransistors (V1) begrenzt, und
daß eine Entladeschaltung (D3, C2) für die in der Hilfsinduktivität (L2) gespeicher ten Energie vorgesehen ist.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungsquelle eine Wechselspannungs quelle mit nachgeschaltetem Vollweggleichrichter (D1) dient.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Entladeschaltung für die Hilfsinduktivität (L2) ein über einen Gleichrichter (D3) angeschlossener Hilfskondensator (C2) vorgesehen ist.

4. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskondensator (C2) über einen Hilfstransistor (V2), der gleichzeitig mit dem Haupttransistor (V1) angesteuert wird, vor dem Ausschaltzeitpunkt des Haupttransistors (V1) entladen wird.

5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit dem Hilfstransistor (V2) die Primärwick lung eines Hilfstransformator (T1) geschaltet ist, dessen Sekundärrichtung über einen Gleichrichter (D4) zwecks Rückspeisung der Energie an den Ladekondensator (C1) angeschlossen ist.

6. Spannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Hilfskondensators (C2) in der Form eines Resonanzvorganges derart erfolgt, daß in einer Viertelwelle die Spannung am Hilfskondensator (C2) den Wert Null erreicht, wobei die Resonanzfrequenz durch die Kapazität des Hilfskondensators (C2) und die Primärinduktivität des Hilfstrans formators (T1) bestimmt wird.

7. Spannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Kondensators (C2) über eine entsprechend dimensionierte Streuinduktivität (L_ο) des Hilfstransformators (T1), die mit dem Kondensator (C2) einen Serienresonanzkreis (L_o, C2) bildet, mit einer sinusförmigen Stromhalbwelle erfolgt.

8. Spannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Primärwicklung des Hilfstransformators (T1) ein Schaltelement (D5, D6) zum Abbau des Magnetisierungsstromes ange schlossen ist.

9. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (D5, D6) aus der Anti-Serien schaltung eines Gleichrichters (D5) mit einer Zenerdiode (D6) besteht.