DE2034148C3 - Geregelter Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Transformators ein auf die Schaltfrequenz der
Schalteinrichtung abgestimmter Parallelresonanzkreis vorgesehen ist, dadurch ge kenn- Die Erfindung bezieht sich auf einen geregelten zeichnet, daß in dem Strompfad zwischen Gleichspannungswandler mit einem Leistungstransder Schalteinrichtung (2) und dem Parailelreso- 15 formator und sinem diesem nachgeschalteten Gleich-■anzkreis (10, 11) ein auf die Schaltfrequenz der richter, bei dem die Regelung durch Veränderung Schalteinrichtung abgestimmter Serienresonanz- des Tastverhältnisses der dem Leistungstransformakreis (8, 9) in Reihe angeordnet und durch einen tor über eine Schalteinrichtung zugeführten Recht-Widerstand (12) überbrückt ist, dessen Wider- eckspannung erfolgt und bei dem parallel zum Einetandswert im wesentlichen gleich dem auf die 10 gang des Transformators ein auf die Schaltfrequenz Eingangsseite des Transformators (3, 4) über- der Schalteinrichtung abgestimmter Parallelresonanzsetzten Lastwiderstand (19) des Gleichspannungs- kreis vorgesehen ist.

Wandlers ist, und daß die Blindwiderstände (8, 9) Ein typisches Beispiel einer allgsmein bekannten des Serienresonanzkreises so bemessen sind, daß Gleichspannungswandler-Anordnuhg ist in schemadie Beziehungen as tischej Form in der F i g. 1 der Zeichnung dargestellt.

Nach der Darstellung der F i g. 1 ist 1 eine nicht

, _ Q'· R _c _ _ J geregelte Gleichspannungsquelle. Die Gleichspan-

H" ' W-Q-R* nungsquelle 1 ist mit einer Schalteinrichtung2 ver-

⁰ ° bunden (welche Halbleiter, Röhren oder Relais in

. _ R _c __ Q 30 an sich bekannter Weise enthalten kann), welche so

W - Q' WR arbeitet, daß ein Rechteckausgangssignal erzeugt

° wird. Die Schalteinrichtung 2 ist so geschaltet, daß

gelten, wobei Lj die Induktivität und Ci die Ka- das von ihr erzeugte Rechteck-Ausgangssignal an

pazität des Serienresonanzkreises, Lp die Induk- die Primärwicklung eines Transformators 3 gelegt

tivität und Cp die Kapazität des Parailelreso- 3s ist, welcher eine Sekundärwicklung mit Mehrfach-

nanzkreises, R der den Serienresonanzkreis über- abgriff aufweist. Jeder Abschnitt der Sekundärwick-

briicke:nde Widerstand, W₀ die Kreisresonanz- lung des Transformators 3 ist mit einem verschiede-

frequenz und Q eine Konstante ist. nen Gleichrichter im Block 4 verbunden, und jeder

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 Gleichrichter ist über eine andere Ausgangsleitung 5 mit einer dem Gleichrichter nachgeschalteten 40 mit einem anderen Tiefpaßfilter im Block 6 verbun-Tiefpaßfiltereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, den. Jedes Tiefpaßfilter ist mit einer anderen von daß die Tiefpaßfiltereinrichtung (6) eine in Reihe Ausgangsleitungen 7 verbunden, auf denen die transmit dem Ausgangskreis angeordnete, durch einen formierte, gleichgerichtete und gefilterte Gleichspan-Widerstand (17) überbrückte Drosselspule (16) nung zur Verwendung anliegt. Die Regelung wird und einen zwischen der Drosselspule (16) und 45 durch Veränderung der Impulsbreite der Rechteckdem Ausgang des Gleichspannungswandlers par- Ausgangsimpulse von der Schaltungsanordnung 2 allel zu den Ausgangsleitungen angeordneten erreicht.

Kondensator (18) aufweist, wobei der Wert des Die oben beschriebene bekannte Anordnung lei-Widerstandes (17) im wesentlichen gleich dem det unter dem Nachteil, daß die an die Primärwick-Lastwiderstand (19) des Gleichspannungswand- 50 lung des Transformators gelegte Rechteck-Wellenlers und die Impedanz der Drosselspule (16) form große Spannungsschwankungen verursacht, groß und die Impedanz des Kondensators (18) welche am Transformator auftreten, und zwar auf klein gegen den Wert des Lastwiderstandes (19) Grund von Streukomponenten wie Transformatorist, und zwar bei der einfachen Schaitfrequenz Leckreaktanz und Eigenkapazität der Transformaim Falle einer Halbweggleichrichtung und bei der 55 torwicklungen. Je höher die Schaltfrequenz im doppelten Schaltfrequenz im Falle einer Voll- Block 2 ist, welche andererseits im Hinblick darauf weggleichrichtung. erwünscht ist, daß das Gewicht und die Größe des

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, Netzgerätes reduziert werden, um so größer sind die dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Kon- Spannungsschwankungen, welche am Transformadensa'tor (18) in Reihe mit dem Ausgangskreis 60 tor 3 auftreten. Diese Spannungsschwankungen vereine v/eitere Drosselspule und zwischen der Dros- großem nicht nur die Transformator-Kernverluste seispule und dem Ausgang des Gleichspannungs- und rufen nicht nur knappe Auslegungsspezifikatiowandlers parallel zu den Ausgangsleitungen ein nen für den Transformator, die Gleichrichter und die weiterer Kondensator angeordnet ist, wobei die Filter hervor, sondern können auch zur Beschädi-Impedanz der Drosselspule groß und die Impe- 65 gung der Gleichrichter führen und ebenfalls zur Bedanz des Kondensators klein gegen den Wert des Schädigung von Schalttransistoren im Block 2.
Lastwiderstandes ist, und zwar bei der einfachen Eine gewisse Verbesserung der Situation ergibt Schalnfrequenz im Falle einer Halbweggleich- sich dann, wenn, wie eingangs vorausgesetzt, parallel

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zum Eingang des Transformators ein auf die Schalt- S. 524 bis 527, ist eü bekannt, zur Verbesserung der

frequenz der Schalteinrichtung abgestimmter Par- Sinuswellenform der Spannung bei einem Wechsel-

allelresonanzkreis vorgesehen ist Aus der französi- richter im Sekundärkreis eiaes Ausgangstransforma-

schen Patentschrift 1561501 ist ?in solcher geregel- tors die Kombination eines Serienresonanzkreises

ter Gleichspannungswandler bekannt, bei welchem 5 und eines Parallelresonanzkreises vorzusehen. Ein

der vom wechselrichtenden Teil der Anordnung ge- aus einem in Reihe geschalteten Serienresonanzkreis

speisten Primärwicklung des Transformators ein und einem parallelgeschalteten Parallelresonanzkreis

Kondensator parallel geschaltet ist, so daß sich mit bestehende Filter, wie es diese bekannte Anordnung

der Induktivität der Schaltung ein Resonanzkreis er- darstellt, ist jedoch nur für die Resonanzfrequenz der

gibt. Der Kondensator ist so dimensioniert, daß eine io beiden Kreise ein rein ohmsches Glied, während bei

gewisse Verbesserung der vom wechselrichtenden anderen Frequenzen Blindkomponemten auftreten. Ein

Teil gelieferten Wellenform in Richtung auf eine solches Filter allem, ist also zur Lösung der erfin-

Sinuswellenform erzielt wird. Damit werden die Ver- dungsgemäßen Aufgabe nicht geeignet,

luste im Transformatorkern und Überlastungen der Der technische Erfolg der erlBndungsgemäßen

Schalteinrichtungen geringer. i₅ Maßnahme läßt sich mathematisch nachweisen, in-

Mit der bekannten Anordnung eines auf die dem man die Formel für die Eingangsimpedanz eines Schaltfrequenz abgestimmten Parallekesonanzkreises Vierpols aufstellt, der aus einem Serienzweig mit parallel zum Transformatoreingang lassen sich im einem Serienresonanzkreis und einem parallel dazu vorliegenden Fall schädigende und den Schaltungs- liegenden Widerstand und aus einem nachfolgenden aufwand zwangläufig vergrößernde Überspannungen ao Querzweig mit einem Parallelresonanzkreis und nicht vollends vermeiden. Diese Überspannungen einem parallel dazu liegenden Widerstand besteht, sind die Folge von in dem interessierenden Teil der Wenn man die Resonanzfrequenz der beiden Kreise Schaltung auftretenden Blindleistungen und lassen einander gleichsetzt und die Widerstandswerte der sich nur dann eliminieren, wenn der Ausgang der beiden Widerstände ebenfalls einander gleichsetzt Schalteinrichtung rein ohmisch belastet ist. Bei der »5 und schließlich für die Blindwiderstände der beiden bekannten Anordnung ergibt sich eine ohmsche Be- Resonanzkreise die gemäß der Erfindung vorgesehelastung nur für die Resonanzfrequenz des Parallel- nen Dimensionierungsgleichungen einsetzt, dann resonanzkreises, d. h. für die Grundwelle d-JS von zeigt sich, daß die Eingangsimpedanz dieses Vierpols der Schalteinrichtung gelieferten Signals. Da die ge- unabhängig von der Eingangsfrequenz ein reiner lieferte Wellenform jedoch rechteckig ist, enthält sie 30 Wirkwiderstand ist. Bei der erfindungsgemäßen Anstarke Oberwellen mit von der Resonanzfrequenz Ordnung verursachen also weder die Grundwelle des Parallelresonanzkreises abweichenden Frequen- noch die Oberwellen des geschalteten Signals irgendzen, für welche der Ausgang der Schalteinrichtung welche Blindleistungen und Überspannungen,
nicht rein ohmisch belastet ist, so daß hohe Blind- Wenn der erfindungsgemäße Gleichspannungsleistungen auftreten, die zu den erwähnten nachteili- 35 wandler eine dem Gleichrichter nachgeschaltete Tiefgen Überspannungen führen. Die Aufgabe der Er- paßfiltereinrichtung aufweist, dann besteht eine vorfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß von der teilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, daß die dar Schalteinrichtung nachfolgenden Filterschaltung Tief paßfiltereinrichtung eine in Reihe mit dem Auskeinerlei Blindleistungen aufgenommen werden. gangskreis angeordnete, durch einen Widerstand

Ausgehend von einem geregelten Gleichspan- 40 überbrückte Drosselspule und einen zwischen der nungswandler der eingangs beschriebenen Art wird Drosselspule und dem Ausgang des Gleichspannungsdiese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Wandlers parallel zu den Ausgangsleitungen angeordin dem Strompfad zwischen der Schalteinrichtung neten Kondensator aufweist, wobei der Wert des und dem Parallelresonanzkreis ein auf die Schaltfre- Widerstandes im wesentlichen gleich dem Lastquenz der Schalteinrichtung abgestimmter Serien- 45 widerstand des Gleichspannungswandlers und die resonanzkreis in Reihe angeordnet und durch einen Impedanz der Drosselspule groß und die Impedanz Widerstand überbrückt ist, dessen Widerstandswert des Kondensators klein gegen den Wert des Lastim wesentlichen gleich dem auf die Eingangsseite Widerstandes ist, und zwar bei der einfachen Schaltdes Transformators übersetzten Lastwiderstand des frequenz im Falle einer Halbweggleichrichtung und Gleichspannungswandlers ist, und daß die Blind- 50 bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle einer Vollwiderstände des Serienresonanzkreises so bemessen weggleichrichtung.

sind, daß die Beziehungen Weiterhin ist gemäß einer besonders bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß

L₅ _ Q' R Cs = '" hinter dem Kondensator in Reihe mit dem Ausgangs-

W₀ ' W -Q-R* 55 kreis eine weitere Drosselspule und zwischen der

Drosselspule und dem Ausgang des Gleichspan-

j - _ & Cp- ® nungswandlers parallel zu den Ausgangsleitungen

W · R ' ' WR ein weiterer Kondensator angeordnet ist, wobei die

Impedanz der Drosselspule groß und die Impedanz

gelten, wobei Lj die Induktivität und Cj die Kapazi- 60 des Kondensators klein gegen den Wert des Lastzität des Serienresonanzkreises, Lp die Induktivität Widerstandes ist, und zwar bei der einfachen Schalt- und Cp die Kapazität des Parallelresonanzkreises, frequenz im Falle einer Halbweggleichrichtung und R der den Serienresonanzkreis überbrückende Wi- bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle einer Vollderstand, W₉ die Kreisresonanzfrequenz und Q eine weggleichrichtung.
Konstante ist. 65 Weiterhin ist die Anordnung vorzugsweise derart

Für die Merkmale dieser erfindungsgemäßen Lö- getroffen, daß eine oder mehrere der einzelnen Kom-

sung wird nur in ihrer Gesamtheit Schutz begehrt. ponenten der Resonanzkreise einstellbar sind.

Aus der Zeitschrift »AEG-Mitteilungen«, 1965, Ein Beispiel eines Gleichspannungswandlers ge-

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maß der Erfindung ist nachfolgend in der F i g. 2 der ßen Impulsbreitenbereich dürfte der Wirkungsgrad

Zeichnung beschrieben. In den F i g. 1 und 2 werden jedoch besser sein als 80% und bei optimalem Wert

dieselben Bezugszahlen für dieselben Bauteile ver- der Impulsbreite ein Maximum von 91% erreichen,

wendet Die Vielfach-Ausgangsleitungen der Sekundär-

Nach der Darstellung in der F i g. 2 ist der darin 5 wicklung sind wiederum mit den Gleichrichtern im dargestellte geschaltete Gleichspannungswandler in- Block 4 verbunden, und wieder ist jeder Gleichrichsoweit dem in der F i g. 1 dargestellten Gerät ahn- ter im Block 4 mit einem eigenen Tiefpaßfilter verlieh, wie die Verbindung der nicht geregelten Gleich- bunden, welches eine herkömmliche Form aufweisen spannungsquelle 1 mit der Schalteinrichtung 2 be- kann, welches jedoch vorzugsweise so aufgebaut ist, troffen ist. Das Ausgangssignal von der Schalt- io wie es in dem Block 13 dargestellt ist Die Blöcke 14 einrichtung 2 ist wiederum an die Primärwicklung, und 15 enthalten ebenfalls Tiefpaßfilteranordnungen, des Transformators 3 geführt. Zwischen die Schalt- welche derjenigen im Block 13 ähnlich sind. Die einrichtung 2 und den Transformator 3 ist jedoch Tiefpaßfilter in den Blöcken 13, 14 und 15 bestehen ein Serienresonanzkreis, welcher aus der Drossel- aus einer Seriendrossel 16, welche durch einen Wispule 8 in dem Kondensator 9 besteht, und ein Par- 15 derstand 17 geshuntet ist und einem als Shunt geallelresonanzkreis, welcher aus der Drosselspule 10 schalteten Kondensator 18.

und dem Kondensator 11 besteht, geschaltet. Der Die Größe des Widerstandes 17 ist so gewählt,

aus der Drosselspule 8 und dem Kondensator 9 be- daß er gleich dem entsprechenden Widerstand der

stehende Serienresonanzkreis ist durch einen Wider- Last ist (durch den Block 19 dargestellt). Die Impe-

stand 12 geshuntet. *o danz der Drosselspule 16 ist so gewählt, daß sie

Der Serienresonanzkreis 8, 9 und der Parallel- groß und die Impedanz des Kondensators 18 im Verresonanzkreis 10, 11 sind so dimensioniert, daß sie gleich zur Größe des Widerstandes 17 bei der Frebei der Schaltfrequenz der Schalteinrichtung 2 in Re- quenz W₀ im Falle der Halbweggleichrichtung oder sonanz gelangen. Der Widerstand 12 ist so dimensio- bei der Frequenz 2 W₀ im Falle der Vollweggleichniert, daß er gleich dem entsprechenden Belastungs- as richtung klein ist. Wenn nach der Gleichrichtung ein widerstand an der Primärwicklung des Transforma- herkömmliches Drosseleingangsfilter mit großer Intors 3 ist. Außerdem sind die Elemente des Serien- duktivität verwendet wird, ist die Transformatorresonanzkreises 8, 9 mit dem Widerstand 12 so di- strom-Wellenform noch rechteckfönnig, obwohl die mensioniert, daß folgende Beziehungen gelten: Spannungs-Wellenform sinusförmig ist

30 Bei Verwendung der bevorzugten Tiefpaßfilter-

Q_R j Anordnung sind sowohl die Spannung als auch der L₈ = C₉ = — Strom sinusförmig, wobei weiterhin die Tendenz be-

W₀ W₀QR_n steht, irgendwelche Spannungs- oder Strom-Fluktua-

n Q tionen auf Grund von Streuschaltungskomponenten

L₁₀ = *?— C₁₁ = ——— . 35 zu reduzieren. Irgendwelche kleinen noch verblei- W₀O ^0^12 benden Transformatorstromfluktuationen können

durch kleinere Justierungen der Komponenten in den

Hierin bedeutet L₈ die Induktivität und C₉ die Ka- Resonanzkreisen 8, 9 und 10, 11 weiter reduzier!

pazität des Serienresonanzkreises, L₁₀ die Induktivi- werden. Der theoretische maximale Wirkungsgrad

tat und C₁₁ die Kapazität des Parallelresonanzkrei- 40 wird weiter reduziert (in einem praktischen Fall aui

ses, R_a den Widerstandswert des Widerstandes 12 74%), es kann jedoch über einen weiten Bereich dei

und Q eine Konstante. Diese entspricht der Güte des Schaltimpulsbreiten-Veränderung ein zufriedenstel-

Parallelresonanzkreises, da der den Parallelresonanz- lender Gesamtwirkungsgrad (von mehr als 64% in

kreis dämpfende, auf die Primärwicklung des Trans- einem praktischen Fall) erreicht werden. Um bei dei

fonnators übertragene Belastungswiderstand gemäß 45 Schaltfrequenz (W₀) im Falle der Halbweggleichrich-

Obigem gleich dem Widerstand 12 sein soll. tung oder bei der doppelten Schaltfrequenz (2 W₀] In den vorstehenden Ausdrücken bedeutet die im Falle der Vollweggleichrichtung irgendeine WeI- Kreisresonanzfrequenz W₀ die Schaltfrequenz in Ra- ligkeitsspannung zu reduzieren, welche der von dei

diant pro Sekunde. Tiefpaßfilteranordnung an die Last gelieferter

Die Konstante ist im Ausführungsbeispiel zu 50 Gleichspannung überlagert sein kann, können zwi Q = 3 gewählt. sehen dem Kondensator 18 und der Last 19 eine wei Nach der bekannten Transformatortheorie sollte tere in Serie geschaltete Drosselspule (nicht darge

die Primärinduktivität des Transformators im Ver- stellt) und ein weiterer als Shunt geschalteter Kon

gleich zur Induktivität der Drosselspule 10 groß densator (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Im

sein, während die Primär-Leck-Induktivität im Ver- 55 pedanz der weiteren in Reihe geschalteten Drossel

gleich zur Induktivität der Drosselspule 10 klein spule und die Impedanz des weiteren als Shunt ge

sein sollte. Nach der bisherigen Beschreibung ist die schalteten Kondensators sind so gewählt, daß in

Spannung an der Primärwicklung des Transformators Vergleich zur Größe des Widerstandes 16 bei de

im Betrieb sinusförmig und behält diese Form bei, Schaltfrequenz im Falle der Halbweggleichrichtunj

wenn die Impulsbreite der Schaltwellenform für 60 oder bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle de

Regelzwecke verändert wird. Im Hinblick auf den Vollweggleichrichtung die Impedanz der Drossel Energieverbrauch im Widerstand 12 ist der theore- spule groß und die Impedanz des Kondensator

tische Wirkungsgrad leicht reduziert, über einen gro- klein sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. l 2
2. richtung und bei der doppelten Schaltfrequenz im
3. Patentansprüche: FaUe einer Vollweggleichrichtung.
4. 4. Gleichspannungswandler nach einem der

   1. Geregelter Gleichspannungswandler mit vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenneinem Leistungsiransformator und einem diesem S zeichnet, daß eine oder mehrere der einzelnen •achgeschalteten Gleichrichter, bei dem die Re- Komponenten der Resonanzkreise (8, 9; 10, U) gelung durch Veränderung des Tastverhältnisses einstellbar sind.

   der dem Leistungstransformator über eine Schalteinrichtung zugeführten Rechteckspannung erfolgt und bei dem parallel zum Eingang des io