DE19612365A1 - Gleichspannungs-Abwärtswandler für hohe Eingangsspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Abwärtswandler mit einem elektronischen Schalter und einer Drossel, die in Serie geschaltet sind und im Betrieb an einem Pol einer Betriebsspannung liegen, wobei der dem Schalter abgewandte Anschluß der Drossel den Ausgang für die verringerte Gleichspannung bildet, der andere Pol der Betriebsspannung den anderen Pol des Ausgangs bildet und der Schalter durch eine Steuervorrichtung der­ art steuerbar ist, daß er den Stromfluß durch die Drossel fortlaufend ein­ schaltet und unterbricht, mit einer Diode, die mit der Drossel derart verbun­ den ist, daß sie den beim Sperren des Schalters von der Drossel erzeugten Freilaufstrom leitet. Derartige Abwärtswandler sind bekannt.

Es gibt Anwendungsgebiete, wo aus einer hohen Eingangsgleichspannung (z. B. 300 Volt) eine niedrigere Gleichspannung, z. B. 15 Volt oder 5 Volt ohne galvanische Trennung erzeugt werden muß.

Bisher existierende Abwärtswandler sind nur für niedrige Eingangsspannun­ gen (maximal etwa 60 Volt) geeignet, denn die als integrierte elektronische Schaltung ausgebildete Steuervorrichtung des Wandlers wird von der Ein­ gangsspannung direkt versorgt und ist nicht für Spannungen über etwa 60 Volt geeignet. Der Schalter des Wandlers ist als PNP-Transistor ausgeführt. Von Nachteil ist die Beschränkung auf relativ kleine Eingangsspannungen und die durch die verfügbaren Transistoren beschränkte Ausgangsleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abwärtswandler für Gleich­ spannungen zu schaffen, der für eine höhere Gleichspannung als bisher am Eingang geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung über einen Wider­ stand, der für eine ständige Stromversorgung der Steuervorrichtung einen zu hohen ohmschen Widerstand hat, mit dem einen Pol der Betriebsspan­ nung zu verbinden ist, daß ein zweiter Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung mit einem Schaltungspunkt verbunden ist, der im we­ sentlichen das Potential des dem Schalter zugewandten Anschlusses der Drossel hat, daß der andere Anschluß der Drossel über eine weitere Diode mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung auf derjenigen Seite des genannten Widerstands gekoppelt ist, der dem erstge­ nannten Pol der Betriebsspannung abgewandt ist, und daß die weitere Dio­ de so gepolt ist, daß sie den Freilaufstrom der Drossel leitet.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, daß deswegen, weil die Steuervorrichtung nicht an fixierten Betriebsspannungen (Masse und hohe Eingangsspannun­ gen) liegt, sondern mit einer "schwimmenden" Spannungsversorgung verse­ hen ist, die an der Steuervorrichtung selbst wirksamen Spannungsdifferen­ zen auch bei einer Eingangsspannung von z. B. 300 Volt auf die von bekann­ ten elektronischen Steuerungen verarbeitbaren Werte, z. B. 15-60 Volt, abgesenkt sind. Die Höhe der demgegenüber sehr viel höheren Eingangs­ spannung wird nicht durch die Steuervorrichtung begrenzt, sondern durch die Eigenschaften des verwendeten elektronischen Schalters, der die Ein­ gangsspannung schalten muß, durch erstgenannte Diode (Freilaufdiode) und durch die die Ausgangsspannung zur Steuervorrichtung führende Di­ ode (nachfolgend auch als Bootstrap-Diode bezeichnet). Derartige Dioden und elektronische Schalter stehen auch für sehr hohe Eingangsspannungen preiswert zur Verfügung.

Die erfindungsgemäße Schaltung weist, wie bei Abwärtswandlern an sich be­ kannt, eine in den Weg vom Eingang zum Ausgang eingeschaltete Speicher­ drossel auf. Bei der Erfindung ist besonders von Vorteil, daß diese Speicher­ drossel beim Leitendwerden des Schalters den Spannungsanstieg am Aus­ gang wegen ihrer magnetischen Eigenschaften stark verzögert, so daß am Ausgang keine hohen Spannungen auftreten können, wenn der Schalter rechtzeitig wieder abgeschaltet wird. Nach dem Sperren des Schalters wird die in der Drossel gespeicherte magnetische Energie nahezu verlustfrei in elektrische Energie zurück verwandelt und dem Ausgang zugeführt, wobei dort zweckmäßigerweise ein Kondensator zur Speicherung und Glättung der Ausgangsspannung vorhanden ist.

Am einfachsten ist der zweite Spannungsversorgungsanschluß der Steuer­ vorrichtung mit dem Verbindungspunkt der Drossel mit der Diode verbun­ den.

Zweckmäßig ist ein Kondensator an den Schaltungsausgang geschaltet: Auch ist es zweckmäßig, zwischen die beiden Spannungsversorgungsanschlüsse der Steuervorrichtung einen Kondensator zu schalten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine von der Ausgangsspan­ nung abhängige Spannung einem Eingang eines Komparators zwecks Spannungsregelung zugeführt. Dadurch kann ein gewünschter Wert der Aus­ gangsspannung weitgehend unabhängig von der Belastung eingehalten werden. In besonders einfacher Weise kann die von der Ausgangsspannung abhängige Spannung durch einen zwischen die Spannungsversorgungsan­ schlüsse der Steuervorrichtung geschalteten Spannungsteiler gebildet sein.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen des durch die Drossel fließenden Stroms und zum sperren des Schalters dann, wenn der Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet, vorgese­ hen. Hierdurch kann wirksam verhindert werden, daß die Ausgangsspan­ nung einen unerwünscht hohen Wert annimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den An­ sprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehre­ ren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Abwärtswandlers,

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Abwärts­ wandlers.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird die positive Versorgungsspan­ nung einem Anschluß +V zugeführt, der andere Anschluß der Versorgungs­ spannung liegt an einem Anschluß 0 V und kann als Massepotential betrach­ tet werden. In den Weg vom Anschluß +V nach Masse ist ein elektronisches Schalterelement 2 eingeschaltet, bei dem es sich im Beispiel um einen für die Spannung geeigneten Feldeffekttransistor handelt; statt dessen könnte ein sogenannter IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) oder ein anderes ein- und ausschaltbares Schalterelement verwendet werden. Im Beispiel ist der Anschluß +V mit dem Drain-Anschluß des Schalterelements 2 verbunden, ein Gate-Anschluß ist mit einem Steuerausgang einer Steuervorrichtung 10 ver­ bunden, und ein Source-Anschluß des Schalters 2 führt über einen kleinen Widerstand R1, der als Shunt zur Stromerfassung dient, zu dem einen An­ schluß einer Drossel L mit Ferritkern, deren anderer Anschluß den positiven Ausgang der Schaltung bildet, wobei an eine positive Ausgangsklemme 15 ein Verbraucher 16 anschließbar ist, dessen anderer Anschluß mit der nega­ tiven Ausgangsklemme 17 verbunden ist, die auch mit Masse verbunden ist. Zwischen die Anschlüsse 15 und 17 ist ein Speicherkondensator C1 ein­ geschaltet, der auch die Ausgangsspannung glättet. Zwischen den Anschluß 17 und den dem Schalterelement 2 zugewandten Anschluß der Drossel L ist eine Freilaufdiode D1 in einer derartigen Polung eingeschaltet, daß der beim Leitendwerden des Schalters 2 die Drossel L in der Fig. 1 von oben nach unten durchfließende positive Strom nach dem sperren des Schalters 2 seine Fließrichtung unverändert (Lenz′sche Regel) beibehalten kann, weil für diese Stromrichtung die Diode D1 in Durchlaßrichtung gepolt ist.

Mit dem Anschluß +V ist ein Anlaufwiderstand R8 verbunden, dessen ande­ rer Anschluß mit einem Spannungsversorgungsanschluß 7 der Steuervorrich­ tung 10 in Verbindung ist. Der letztgenannte Anschluß ist außerdem über einen zweiten Kondensator C2 mit dem Verbindungspunkt des Widerstands R1 mit der Drossel L und mit einem negativen Versorgungsspannungs­ anschluß der Steuervorrichtung 10 in Verbindung. Der Verbindungspunkt des Widerstands R8 mit dem Kondensator C2 ist außerdem mit der Kathode einer als Bootstrap-Diode D2 (d. h. Diode, die während des Betriebs, aber nicht unmittelbar nach dem Anlegen der Versorgungsspannung, die Strom­ versorgung der Steuervorrichtung 10 ermöglicht) verbunden, deren Anode mit dem Anschluß 15 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Schalterelement 2 führt zu einem Strommeßein­ gang der Steuervorrichtung 10.

Die Funktion der Schaltung nach Fig. 1 ist wie folgt: Beim Anlegen der Ver­ sorgungsspannung von beispielsweise 300 Volt an die Anschlüsse +V und Masse ist das Schalterelement 2 zunächst gesperrt. Es fließt ein durch den hochohmigen Widerstand R8 begrenzter kleiner Strom, der den Kondensa­ tor C2 auflädt, bis eine für die Funktion der Steuervorrichtung ausreichende Spannung erreicht ist. Nun wird, weil die Strommeßeinrichtung der Steuer­ vorrichtung 10 keinen Strom durch den Widerstand R1 feststellt, der elek­ tronische Schalter 2 leitend gesteuert. Es fließt Strom durch den Widerstand R2 und die Drossel L zum Kondensator C1 und einem eventuellen Verbrau­ cher 16, der durch ein Widerstandssymbol dargestellt ist. Die Größe des Stroms wird anhand des am Widerstand R1 entstehenden Spannungsabfalls gemessen. Sobald dieser Strom eine vorbestimmte Größe erreicht hat, spä­ testens jedoch nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, die so kurz ist, daß am Anschluß 15 noch keine gefährlich hohe Spannung auftritt, weil die Drossel L wegen ihrer magnetischen Eigenschaften den Stromanstieg verzö­ gert, wird der Strom abgeschaltet.

Die Drossel gibt die gespeicherte magnetische Energie als elektrische Ener­ gie ab, wobei der Strom durch die Drossel seine bisherige Richtung beibe­ hält. Dabei wird die Freilaufdiode D1 leitend und deswegen nimmt der Ver­ bindungspunkt zwischen der Drossel L und dem Widerstand R1 und prak­ tisch auch der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (= Schalterelement 2) Massepotential an, und der Kondensator C1 wird weiter aufgeladen.

Durch die Tätigkeit der Steuervorrichtung hat diese so viel elektrische Ener­ gie verbraucht, daß die Spannung an dem Spannungsversorgungsanschluß 7 stark abgesunken ist, weil der Widerstand R8 hochohmig ist und nicht genü­ gend Energie vom Versorgungsspannungsanschluß +V nachliefern kann. Da­ her wird die Diode D2 leitend und lädt den Kondensator C2 auf, so daß für die Steuervorrichtung wieder elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Spannung am Kondensator C2 ist etwa gleich der Ausgangsspannung zwi­ schen den Anschlüssen 15 und 17, die im Beispiel 15 Volt beträgt. Die Steu­ ervorrichtung wird somit von der Ausgangsspannung versorgt.

Fig. 2 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schal­ tung. Es sind weitgehend ähnliche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Zusätzlich zu den anhand der Fig. 1 bereits erläuterten Bauelementen ist zwischen den Gate-Anschluß des Transistors 2 und einen Anschlußkontakt 6 der Steuervorrichtung die Parallelschaltung eines Widerstands R7 von 1 Kiloohm mit einer Diode D3 vom Typ LL4148 geschaltet. Hierdurch wird das Einschalten des Transistors verlangsamt, aber ein plötzliches Sperren ermög­ licht. Der Transistor ist vom Typ IRFUC20. Ein Anschlußkontakt 8 der als inte­ grierte Schaltung UC3842AN ausgebildeten Steuervorrichtung ist über einen Widerstand R2 von 28 Kiloohm mit einem Anschlußkontakt 4 der integrier­ ten Schaltung und mit dem einen Anschluß des Kondensators C3 von 2,2 nF verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem dem Anschluß 15 abge­ wandten Anschluß der Drossel L von 4,7 mH verbunden ist. Der dem Schalter 2 zugewandte Anschluß des Widerstands R1 von 5,6 Ohm ist mit einem Anschlußkontakt 3 der integrierten Schaltung 10 über einen Widerstand R3 von 1 Kiloohm verbunden, und der genannte Anschlußkontakt 3 der integrierten Schaltung ist außerdem über einen Kondensator C4 von 100 pF mit dem dem Kondensator C2 abgewandten Anschluß der Drossel L verbun­ den. Mit dem gleichen Anschluß der Drossel L ist ein Anschlußkontakt 5 der integrierten Schaltung verbunden, außerdem der Kondensator C2 von 10 pF, dessen anderer Anschluß mit dem Anschlußkontakt 7 der integrierten Schaltung und mit dem einen Anschluß des Widerstands R8 von 100 Kiloohm verbunden ist, dessen anderer Anschluß mit der positiven Versorgungsspan­ nung +V verbunden ist. An den der Versorgungsspannungsquelle abge­ wandten Anschluß des Widerstands R8 ist die Kathode der Diode D2 ange­ schlossen, deren Anode mit dem Anschluß 15 verbunden ist. Die Diode D2 ist im Beispiel vom Typ BA159. An die Kathode dieser Diode ist auch ein Wider­ stand R4 von 100 Kiloohm angeschlossen, dessen anderer Anschluß über ei­ nen Widerstand R6 von 270 Kiloohm mit einem Anschlußkontakt 1 der inte­ grierten Schaltung 10, außerdem über einen Kondensator C5 von 100 pF ebenfalls mit dem genannten Anschlußkontakt 1 und außerdem direkt mit einem Anschlußkontakt 2 der integrierten Schaltung verbunden ist, und schließlich über einen Widerstand R5 von 15 Kiloohm mit der Kathode der Diode D1 verbunden ist. Der parallel zum Verbraucher 16 geschaltete Kon­ densator C1 hat eine Kapazität von 47 µF.

Die Daten der integrieren Schaltung können dem Datenblatt SGS-Thomson Microelectronics vom Oktober 1991 für den Typ UC2842/3/4/5 und UC3842/3/4/5 entnommen werden. Dieses Datenblatt wird hiermit durch die­ se Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Bei den genannten Anschlußkontakten der integrierten Schaltung 10 handelt es sich um folgende:

7 ist der Anschluß für die positive Versorgungsspannung, 5 ist der Massean­ schluß für die integrierte Schaltung (nicht mit dem Masseanschluß der Schal­ tung der Fig. 1 oder 2 der vorliegenden Anmeldung zu verwechseln). 6 ist der Ausgang der integrierten Schaltung, der durch komplementäre Transi­ storen im wesentlichen zwischen den Spannungswerten der Anschlüsse 7 und 5 hin- und hergeschaltet wird. 8 ist der Ausgang einer intern erzeugten Referenzgleichspannung von 5 Volt. 4 ist ein Oszillator-Eingang, der eine durch den Kondensator C3 und den Widerstand R2 und andere Elemente be­ stimmte Frequenz (im Beispiel etwa 25 kHz bis 30 kHz) erzeugt, die die Schaltfrequenz der vorliegenden Anordnung ist.

3 ist der Strommeßeingang der integrierten Schaltung, 2 ist der negative Eingang eines Komparators der integrierten Schaltung, der das Eingangssi­ gnal mit einem festen Spannungswert vergleicht, und an 1 liegt das Aus­ gangssignal des genannten Komparators, das durch die Beschaltung in Fig. 2 auf den Anschluß 2 gegengekoppelt wird, wodurch eine PI-Regelung der Gleichspannung erfolgt.

Der elektronische Schalter 2 wird impulsweise so lange pro Zeiteinheit ein­ geschaltet, wie dies zum Aufrechterhalten der gewünschten Spannung am Anschluß 15 erforderlich ist. Hierzu wird die Ausgangsspannung über den Spannungsteiler R4/R5 geteilt und das Ausgangssignal des Spannungsteilers dem Anschlußkontakt 2 der Steuervorrichtung 10 zugeführt.

Von der Spannungsregelung abgesehen, ist die Funktionsweise der Vorrich­ tung gleich wie bei der Fig. 1.

Bei der Erfindung ist die Steuervorrichtung spannungsmäßig auf den Source-Anschluß des Leistungsschalters bezogen. Da die Versorgungsspan­ nung der Steuervorrichtung durch die Bootstrap-Schaltung gleich der Aus­ gangsspannung ist, kann diese Spannung auch zur Regelung der Ausgangs­ spannung verwendet werden. Es sind keine zusätzlichen Komponenten zum Treiben des Schalters oder zur Regelung der Ausgangsspannung nötig. Es können billige Standardschaltnetzteil-ICs wie z. B. die genannte Schaltung UC3842 verwendet werden. Der elektronische Schalter, die Freilaufdiode und die Bootstrap-Diode sind mit Sperrspannungen von höher als 1000 Volt erhältlich.

Claims (7)

1. Gleichspannungs-Abwärtswandler mit einem elektronischen Schalter und einer Drossel, die in Serie geschaltet sind und im Betrieb an einem Pol einer Betriebsspannung liegen, wobei der dem Schalter abgewandte Anschluß der Drossel den Ausgang für die verringerte Gleichspannung bildet, der andere Pol der Betriebsspannung den anderen Pol des Ausgangs bildet und der Schalter durch eine Steuervorrichtung derart steuerbar ist, daß er den Stromfluß durch die Drossel fortlaufend einschaltet und unterbricht, mit ei­ ner Diode, die mit der Drossel derart verbunden ist, daß sie den beim sper­ ren des Schalters von der Drossel erzeugten Freilaufstrom leitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Spannungsversorgungsanschluß der Steuer­ vorrichtung (10) über einen Widerstand (R8), der für eine ständige Strom­ versorgung der Steuervorrichtung einen zu hohen ohmschen Widerstand hat, mit dem einen Pol der Betriebsspannung zu verbinden ist, daß ein zweiter Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung (10) mit ei­ nem Schaltungspunkt verbunden ist, der im wesentlichen das Potential des dem Schalter zugewandten Anschlusses der Drossel (L) hat, daß der andere Anschluß der Drossel über eine weitere Diode (D2) mit dem ersten Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung auf derjenigen Seite des genannten Widerstands (R8) gekoppelt ist, der dem erstgenannten Pol der Betriebsspannung abgewandt ist, und daß die weitere Diode so gepolt ist, daß sie den Freilaufstrom der Drossel (L) leitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spannungsversorgungsanschluß der Steuervorrichtung (10) mit dem Verbin­ dungspunkt der Drossel (L) mit der Diode (D1) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Kondensator (C1) an den Schaltungsausgang (15, Mas­ se) geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen die beiden Spannungsversorgungsanschlüsse der Steuervorrichtung (10) ein Kondensator (C2) geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine von der Ausgangsspannung abhängige Spannung einem Eingang eines Komparators zwecks Spannungsregelung zugeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Ausgangsspannung abhängige Spannung durch einen zwischen die Span­ nungsversorgungsanschlüsse der Steuervorrichtung (10) geschalteten Span­ nungsteiler (R4/R5) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Erfassen des durch die Drossel (L) fließenden Stroms und zum Sperren des Schalters (2) dann, wenn der Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet, vorgesehen ist.