DE19745008A1

DE19745008A1 - Verfahren zur Steuerung des Schaltverhaltens eines Durchflußwandler-Stellgliedes sowie Durchflußwandler

Info

Publication number: DE19745008A1
Application number: DE1997145008
Authority: DE
Inventors: Franz Ohms; Horst Mueck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 1997-10-11
Filing date: 1997-10-11
Publication date: 1999-04-15
Also published as: WO1999019976A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung des Schaltverhaltens eines Durchflußwandler-Stellgliedes.

Aus der EP 0 223 504 A2 ist ein Durchflußwandler mit Reso nanzverhalten bekannt, dessen Stellglied über eine Steuer einrichtung im stromlosen Zustand abgeschaltet wird. Als re sonanzbestimmende Mittel sind dort die Streuinduktivität des Durchflußwand-Transformators sowie ein Kondensator in Serie zur Transformator-Primärwicklung vorgesehen. Dem Kondensator ist eine Diode parallel geschaltet, die verhindert, daß der Kondensator nach einem Entladevorgang negativ geladen wird und in Resonanz mit der Transformatorhauptinduktivität tritt.

Aus der EP 0 610 158 B1 ist ein Durchflußwandler mit Reso nanzverhalten bekannt. Neben dem Durchflußwandler-Stellglied ist dort ein Hilfsschalter vorgesehen, der im Ausschaltzu stand des Stellgliedes eingeschaltet wird. Zwischen dem Aus schalten des Hilfsschalters und dem Wiedereinschalten des Stellgliedes wird eine Lückzeit vorgesehen, die so gewählt ist, daß das Wiedereinschalten erst dann erfolgt, wenn sich die Spannung am Stellglied auf den Wert 0 abgebaut hat.

Aus US 4,443,840 ist ein Gegentakt-Gleichspannungswandler bekannt zwischen dessen Gegentaktschaltern eine Lückzeit vorgesehen ist. Die Lückzeit ist dort so gewählt, daß das Schwingsystem bestehend aus Transformator, sowie alle induk tiven und kapazitiven Komponenten, die durch das Ersatz schaltbild des Gleichspannungswandlers beschrieben werden, bezüglich seiner Ausgangsspannung auf die entgegengesetzte Polarität umschwingen kann.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht den Aufbau von Gleichspannungswandlern mit sehr hohem Wirkungsgrad bei kleinem Bauvolumen und minimalem Bauelementeaufwand.

Die Erfindung gestattet eine Induktionshubausnutzung wie bei einem Gegentaktwandler, benötigt aber im Gegensatz zum Ge gentaktwandler nur ein Stellglied im Schaltbetrieb. Damit erübrigt sich eine aufwendige Ansteuerelektronik für mehrere schaltende Stellglieder mit Symmetrieeinrichtungen bzw. Syn chronisiereinrichtungen. Der Transformator benötigt im Ge gensatz zu üblichen Durchflußwandlern keine eigene Entmagne tisierungswicklung und auch keine Wicklungsanzapfungen und mehrere Gleichrichter in Sekundärkreisen.

Bei einem herkömmlichen Eintakt-Durchflußwandler mit Entma gnetisierungswicklung ist eine Ausnutzung des Induktionshu bes nur von 0 bis zur Sättigung möglich. Bei der erfindungs gemäßen Lösung ist es möglich den Durchflußwandler-Trans formator mit dem doppelten Induktionshub (-B_SAT bis B_SAT) auszunutzen, was die Verwendung kleinerer Lei stungstransformatoren gestattet.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Er findung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Durchflußwandlers nach der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 zeitliche Verläufe ausgewählter Signale.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Das Stellglied 1 des Gleichspannungs-Durchflußwandlers liegt in Serie zur Primärwicklung 41 des Durchflußwandler-Trans formators 4. Die Primärwicklung 41 und die Sekundär wicklung 42 sollen einen idealen Übertrager darstellen. Die Hauptinduktivität 5 (Magnetisierungsinduktivität) des Trans formators 4 liegt parallel zur Primärwicklung 41 und die Streuinduktivität 3 in Serie. Die Eingangskapazität 2 des Durchflußwandlers liegt parallel zur Serienschaltung beste hend aus der Streuinduktivität 3, der Primärwicklung 41 und der Schaltstrecke des Stellgliedes 1. Zwischen der Eingangs kapazität 2 und der Gleichspannungsversorgungsquelle 8 kann noch eine Induktivität 9 angeordnet sein. Bei Betrieb des Durchflußwandlers über einen Vorregler, insbesondere über einen Buckregler, stellt die Induktivität 9 die Ausgangsin duktivität des Vorreglers dar und die Kapazität 2 die Aus gangskapazität des Vorreglers. Für die Schaltkapazität des Stellgliedes 1 ist die Kapazität 6 parallel zur Schaltstrec ke des Stellgliedes 1 eingezeichnet. Im Sekundärkreis des Durchflußwandlers ist in Serie zur Sekundärwicklung 42 ein Gleichrichter 10 vorgesehen, sowie eine ausgangsseitige Glättungskapazität 11.

Um den Stellglied-Schalter 1 im stromlosen Zustand abzu schalten, wird die Streuinduktivität 3 in Verbindung mit der Kapazität 2 ausgenutzt. Die Streuinduktivität 3 bildet zu sammen mit der Kapazität 2 und 11 einen Resonanzkreis, der dafür sorgt, daß der Strom 11 durch das Stellglied 1 ent sprechend der für diesen Resonanzkreis maßgebenden Schwing kreisgleichung nach dem Einschalten des Stellgliedes 1 si nusförmig ansteigt und anschließend wieder nahezu auf 0 ab fällt. Die Steuereinrichtung 7 für das Stellglied 1 ist nun so eingestellt, daß sie genau zu diesem Zeitpunkt das Stell glied 1 abschaltet. Für die Einschaltzeit tE des Stellglie des 1 in Abhängigkeit der Streuinduktivität 3 und der Kapa zität 2 gilt dann:

wobei C1 die Größe der Kapazität 2, L2 die Größe der Streu induktivität 3, C11 die Größe der Glättungskapazität 11 und ü das Übersetzungsverhältnis w1/w2 der Transformatorwicklun gen 41 und 42 angibt.

Fig. 2 zeigt die Einschaltzeit tE sowie die Ausschaltzeit tA des Stellgliedes 1 und Fig. 3 den zugehörigen Verlauf des Stromes 11 und der Spannung US (gestrichelt) über dem Stellglied 1. In Fig. 3 ist auch noch die Spannung U8 der Versorgungsquelle 8 eingetragen.

Zusätzlich zu diesem Resonanzbetrieb wird das Stellglied 1 im spannungslosen Zustand (langsames dU/dt) abgeschaltet, d. h. der zuvor gewählte Abschaltzustand des Stellgliedes 1 wird so lange beibehalten, bis der Durchflußwandler-Trans formator 4 in seiner Induktivitätsaussteuerung auf ei nen negativen Wert zurückgeführt ist (Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Induktion B des Transformators) und sich die Spannung am Stellglied 1 auf den Wert 0 abgebaut hat (Ende der Ausschaltzeit tA). Dies wird dadurch erreicht, daß die Hauptinduktivität 5 des Transformators 4 so gewählt ist, daß die mit der Schaltkapazität 6 des Stellgliedes 1 einen Resonanzkreis bildet. Bedarfsweise kann dem Stellglied 1 eine zusätzliche Kapazität 12 parallel geschaltet werden, um eine weitere Einstellmöglichkeit des Schwingverhaltens zu haben.

Ab dem Abschaltzeitpunkt des Stellgliedes 1 fließt der in der Hauptinduktivität 5 des Transformators 4 fließende Ma gnetisierungsstrom nun weiter in die Schaltkapazität 6, so wie in die parasitäre Schalterkapazität des Gleichrichters 10 und in die Wickelkapazität des Transformators 4 und lädt diese auf. Sobald der Spannungswert US am Stellglied 1 den Wert der Eingangsspannung UE überschreitet, beginnt der Ent magnetisierungsvorgang (Fig. 2). Die Spannung US über dem Stellglied 1 baut sich bedingt durch die resonanzbestimmen den Elemente 5 und 6 sinusförmig auf bis die Hauptinduktivi tät 5 des Transformators 4 vollständig entmagnetisiert ist. Ab diesem Zeitpunkt wird nun der Transformator 4 in seiner Magnetisierung auf negative Werte (Fig. 3) zurückgeführt.

Die Schaltkapazität 6 und die anderen parasitären Kapazitä ten schwingen in Verbindung mit der Hauptinduktivität 5 zu rück. Hat die Spannung US den Wert 0 erreicht, wird das Stellglied 1 für einen neuen Schaltzyklus eingeschaltet, in dem die Steuereinrichtung 7 einen entsprechenden Einschal timpuls liefert.

Für die Ausschaltzeit tA des Stellgliedes 1 in Abhängigkeit der Hauptinduktivität 5 und der Schaltkapazität 6 gilt:

wobei L3 die Größe der Hauptinduktivität 5 und CS1 die Größe der Schaltkapazität 6 in Verbindung mit den parasitären Ka pazitäten angibt.

Die Einschalt- und Ausschaltsteuerung des Stellgliedes 1 kann alternativ zur Steuerung durch die Steuereinrichtung 7 durch einen Strom- und einen Spannungssensor erfolgen, zur Detektion des Stromnulldurchganges bzw. Spannungsnulldurch ganges. Daraus können entsprechende Einschalt- bzw Aus schaltimpulse für das Stellglied 1 durch einfache logische Bausteine, z. B. flankengesteuerte Flip-Flops abgeleitet werden. Der Gleichrichter 10 im Sekundärkreis kann auch durch einen in Rückwärtsrichtung betriebenen Feldeffekttran sistor ersetzt werden, um auch im Sekundärkreis die Verluste zu verringern.

Da der erfindungsgemäße Durchflußwandler in seinen Ein schalt- und Ausschaltzeiten durch die zuvor angegebenen Re sonanzbedingungen festgelegt ist, kann eine übliche Tastver hältnissteuerung (tA/tE) oder Pulsfrequenzsteuerung in Ab hängigkeit von Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen (Eingangsspannung, Lastspannung) nicht erfolgen. Zur Rege lung ist deshalb vorzugsweise ein Vorregler, insbesondere ein Buckregler, vorgesehen, dessen Stellglied bezüglich sei ner Schaltzeiten von Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen be einflußt wird (vgl. hierzu beispielsweise EP 0 664 9036 B1).

In das Ersatzschaltbild der resonanzbestimmenden Elemente können natürlich auch noch weitere Größen mit einbezogen werden, die einen Einfluß auf das Resonanzverhalten haben können, z. B. Wicklungskapazität des Transformators, Kapazi tät des sekundärseitigen Gleichrichters 10, Zuleitungsinduk tivitäten, usw. Selbst wenn diese Elemente im Sekundärkreis auftreten, können sie unter Berücksichtigung des Überset zungsverhältnisses des Transformators in den Primärkreis transformiert werden und entsprechend den dort vorgesehenen resonanzbestimmenden Elementen zugeschlagen werden oder mit diesen in einem entsprechend ergänzten Ersatzschaltbild bei den Resonanzbetrachtungen berücksichtigt werden. Auch Ele mente des Vorreglers, die einen Einfluß auf das Resonanzver halten haben, können so Berücksichtigung finden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Schaltverhaltens eines Durch flußwandler-Stellgliedes (1) mit resonanzbestimmenden Mit teln durch folgende Maßnahmen:

- Das Abschalten des Durchflußwandler-Stellgliedes (1) wird in Abhängigkeit erster resonanzbestimmender Mittel (2, 3, 11) im stromlosen Zustand des Durchflußwandler-Stellgliedes (1) vorgenommen,
- Der Abschaltzustand des Durchflußwandler-Stellgliedes (1) wird solange beibehalten, bis der Durchflußwandler-Trans formator (4) in seiner Induktionsaussteuerung mittels weiterer resonanzbestimmenden Mittel (5, 6) auf einen nega tiven Wert zurückgeführt ist und sich die Spannung am Durch flußwandler-Stellglied (1) auf den Wert 0 abgebaut hat.

2. Durchflußwandler zum Durchführen des Verfahrens nach An spruch 1 bestehend aus:

- einem Durchflußwandler-Stellglied (1),
- einem Durchflußwandler-Transformator (4),
- einer Steuereinrichtung (7) für das Druchfluß wandler-Stellglied (1),
- ersten resonanzbestimmenden Mitteln (2, 3, 11) zur Ermög lichung des Abschaltens des Durchflußwandler-Stellgliedes (1) im stromlosen Zustand,
- weiteren resonanzbestimmenden Mitteln (5, 6) in Abhängig keit derer der Abschalt-Zustand des Durchfluß wandler-Stellgliedes (1) solange beibehaltbar ist, bis der Durch flußwandler-Transformator (4) in seiner Induktionsaussteue rung auf einen negativen Wert zurückgeführt ist und sich die Spannung am Durchflußwandler-Stellglied (1) auf den Wert 0 abgebaut hat.

3. Durchflußwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten resonanzbestimmenden Mittel (2, 3, 11) aus der Eingangskapazität (2) des Durchflußwandlers und der Streuinduktivität (3) des Durchflußwandler-Transformators (4) und gegebenenfalls der Kapazität eines ausgangsseitigen Glättungskondensators (11) gebildet sind.

4. Durchflußwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die weiteren resonanzbestimmenden Mittel (5, 6) aus der Hauptinduktivität (5) des Durchflußwandler-Trans formators (4) und aus der Schaltkapazität des Durch flußwandler-Stellgliedes (6) gebildet sind.

5. Durchflußwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren resonanzbestimmenden Mittel (5, 6) zusätz lich durch eine Parallelkapazität (7) zum Durchfluß wandler-Stellglied (1) gebildet sind.

6. Durchflußwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß dem Durchflußwandler ein Vorregler (8) insbesondere in Form eines Buckreglers vorgeschaltet ist.

7. Durchflußwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskapazität des Buckreglers die Eingangskapa zität (2) des Durchflußwandlers bildet.