DE19839445A1 - Schaltungsanordnung zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung

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DE19839445A1
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Abstract

Schaltungsanordnung zur verlustfreien Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem ersten Stromkreis, der einen Schalttransistor S, eine erste Induktivität L¶E¶ und ein als Freilaufdiode wirkendes Bauteil D aufweist, wobei parallel zu dem Bauteil D ein erster Kondensator C¶E¶ angeordnet ist, DOLLAR A einem zweiten Stromkreis, welcher eine Schleife zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Schalttransistors S bildet,und der einen zweiten Kondensator C¶A1¶, eine Diode D¶A3¶, eine zweite Induktivität L¶A¶ und einen dritten Kondensator C¶A2¶ aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung.
Es wird bei zahlreichen Anwendungen angestrebt, DC/DC- Schalter bzw. -Wandler mit Entlastungsschaltungen auszurüsten, wobei diese Schaltungen die Zielvorgabe einer möglichst hohen Taktfrequenz eines Stellgliedes bzw. Tiefsetzstellers erfüllen sollen.
Es ist in diesem Zusammenhang versucht worden, quasiresonante und multiresonante Wandlertopologien aufzubauen (Dissertation Felix Franck, "Gleichspannungswandler mit resonanten Zellen", TU München, 1995). Derartige Wandler wurden für den Betrieb mit Pulsfolgemodulation konzipiert und eignen sich prinzipbedingt nicht für eine Ausführung mit Pulsweitenmodulation (PWM). Der Vorteil derartiger Topologien liegt in der verlustfreien Schaltung der Leistungshalbleiter.
Es ist ferner versucht worden, bei mit Thyristoren und Bipolartransistoren ausgestatteten Entlastungsschaltungen Ein- und Ausschaltvorgänge möglichst verlustfrei durchzuführen. Nachteilig bei der Verwendung derartiger Schaltungen im Tiefsetzstellerbetrieb ist, daß eine potentialverbindende Ausführung einen beträchtlichen Schaltungsaufwand erfordert.
Aufgrund der beschriebenen Nachteile der genannten Schaltungen wurden in jüngster Zeit bevorzugt sogenannte Phase-Shift-Wandler bzw. mit zusätzlichen Schaltern versehene Wandler (sog. transient resonante Wandler) verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung, mit der insbesondere im PWM-Betrieb eine weitgehend verlustfreie Schaltung bzw. Wandlung einer Eingangsspannung in einfacher Weise mit möglichst geringem Schaltungsaufwand durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Schaltung stellt eine multiresonante Wandlerschaltung mit mehreren Resonanzfrequenzen dar, welche in einfacher Weise insbesondere mittels PWM ansteuerbar ist. Insbesondere eine resonante Beschaltung führt zu einer beachtlichen Reduzierung des Oberwellenanteils und ermöglicht aufgrund begrenzter Schaltflanken ein verlustfreies Schalten der Schalttransistoren bzw. Ventile. Hierdurch ist es möglich, die Taktfrequenz zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist beispielsweise für die Versorgung von Einzelverbrauchern (dimmbare Heckscheibe, Heckscheibenheizung, Beleuchtung) aus einem 14 V oder 28 V Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft verwendbar, da die hier auftretenden Überspannungen durch eine resonante Beschaltung zwar größer sind als bei einem vollständig entlasteten Betrieb, aber dennoch weit unterhalb der Grenzdaten der verwendeten Leistungshalbleiter liegen. Es sei erwähnt, daß Schwierigkeiten aufgrund transienter Überspannungen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie prinzipbedingt nicht möglich sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin begründet, daß durch die hohe erzielbare Taktfrequenz der Schaltungsaufbau sehr kompakt ausführbar ist. Aufgrund der geringen Verlustleistung ergeben sich keine besonderen Schwierigkeiten bezüglich der Wärmeabfuhr. Ferner ist es hierdurch möglich, den Leistungsbereich der leistungselektronischen Bauteile optimal auszunutzen. Aufgrund der Abwesenheit transienter Vorgänge erfolgt auch keine zusätzliche Belastung der verwendeten Transistoren in einem Avalanche-Betrieb.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise ist zwischen der Induktivität LA und der Ausgangsseite des Schalttransistors S eine weitere Diode DA2 angeordnet.
Es erweist sich als vorteilhaft, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Speicherinduktivität Lspeicher und einem Ausgangskondensator Causgang auszubilden. Hiermit ist eine gleichmäßige Stromversorgung eines angeschlossenen Verbrauchers erzielbar.
Zweckmäßigerweise ist der Schalttransistor S mittels eines PWM-Ansteuersignals steuerbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
Fig. 2 in der Schaltungsanordnung der Fig. 1 auftretende Spannungsverläufe.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung wandelt einen Eingangsstrom I2 bzw. eine Eingangsspannung U2 in einen Ausgangsstrom Ia bzw. eine Ausgangsspannung Ua.
Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Stromkreis mit einem Schalttransistor S, einer Spule LE und einem als Diode bzw. Freilaufdiode wirkenden Freilauftransistor D auf. Bauteil D ist in der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Transistor ausgeführt, kann jedoch auch als einfache Diode ausgebildet sein. Über den Schalttransistor fällt eine Spannung US, über den Freilauftransistor D eine Spannung U1 ab.
In paralleler Anordnung zu dem Freilauftransistor D ist ein Kondensator CE vorgesehen. Ferner weist die Schaltungsanordnung eine Speicherinduktivität Lspeicher und einen Ausgangskondensator Causgang auf. Die Bauteile Lspeicher (wirkt als Speicherdrossel) und Causgang (wirkt als Ladungsspeicher) bzw. Glättungskondensator dienen zur Glättung der Ausgangsspannung UA.
Ein zweiter Stromkreis verbindet schleifenartig eine Ausgangsseite und eine Eingangsseite des Schalttransistors S. Er weist einen Kondensator CA1, eine Diode DA3, eine Induktivität LA und einen weiteren Kondensator CA2 auf, wobei eine weitere Diode DA2 zwischen der Ausgangsseite des Schalttransistors S und der Induktivität LA vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nun anhand ihres Schaltverhaltens weiter erläutert. In der Schaltungsanordnung auftretende Spannungsverläufe sind in Fig. 2 dargestellt. Bei Einschalten des Schalttransistors S (PWM-Ansteuersignal geht aufhohen Pegel, siehe Fig. 2, ganz oben, mittlerer Bereich) sorgt die Spule LE dafür, daß der Stromanstieg in S begrenzt wird. Während des leitenden Zustands von S (in diesem Zustand wirkt Freilauftransistor D als Diode) stellt sich eine Resonanz zwischen den Bauteilen LE und CE ein.
Bei Ausschalten des Schalttransistors S (PWM-Ansteuersignal auf niedrigem Pegel) leitet der Freilauftransistor D. Es stellt sich eine Resonanz zwischen den Induktivitäten LE, LA und den Kondensatoren CA1, CA2 ein. Hierbei gewährleisten die Kondensatoren CA1, CA2 eine Begrenzung des Spannungsanstiegs in dem Schalttransistor S, so daß insgesamt ein im wesentlichen verlustfreies Schalten möglich ist.
Die bei leitendem bzw. sperrendem Zustand des Schalttransistors S auftretenden Spannungsverläufe sind für die Induktivität LE (Fig. 2, oben), den Schalttransistor S (Fig. 2, unten, durchgezogene Linie) und den Freilauftransistor D (Fig. 2, unten, gestrichelte Linie) explizit (unterhalb des jeweils zugeordneten Pegels des PWM-Ansteuersignals) dargestellt.
Bei der Schaltungsanordnung der Fig. 1 sind die folgenden Bauteildimensionierungen beispielhaft verwendbar:
CA1 = CA2 = 33 nF
LA = 400 nH
LE = 1000 nH
CE = 1 nF, und
Lspeicher = 10 µH
Mit diesen Werten stellen sich die in Fig. 2 dargestellten Spannungsverläufe ein, wobei die sich für diese Bauteilewerte ergebenden Resonanzfrequenzen 5 MHz bzw. 1 MHz betragen.
Die dargestellte Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere zur Schaffung eines Tiefsetzstellers, mittels dessen beispielsweise eine Eingangsspannung von 40 V auf eine Ausgangsspannung von 15 V gesenkt werden kann.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur verlustfreien Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem ersten Stromkreis, der einen Schalttransistor S, eine erste Induktivität LE und ein als Freilaufdiode wirkendes Bauteil D aufweist, wobei parallel zu dem Bauteil D ein erster Kondensator CE angeordnet ist, einem zweiten Stromkreis, welcher eine Schleife zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Schalttransistors S bildet, und der einen zweiten Kondensator CA1, eine Diode DA3, eine zweite Induktivität LA und einen dritten Kondensator CA2 aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktivität LA und der Ausgangsseite des Schalttransistors S eine weitere Diode DA2 angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Speicherinduktivität Lspeicher und einen Ausgangskondensator Causgang.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor S mittels eines PWM-Ansteuersignals steuerbar ist.
DE19839445A 1998-08-29 1998-08-29 Schaltungsanordnung zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung Withdrawn DE19839445A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002073782A1 (de) * 2001-03-14 2002-09-19 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur spannungswandlung
AT414188B (de) * 2004-04-05 2006-10-15 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Verlustarme dc/dc konverter
DE112009001695B4 (de) 2008-07-17 2021-08-12 Mitsubishi Electric Corp. Stromversorgungsvorrichtung

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