DE2461654C3 - Externally controlled flyback converter with regulated output voltage - Google Patents

Externally controlled flyback converter with regulated output voltage

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DE2461654C3 DE2461654A DE2461654A DE2461654C3 DE 2461654 C3 DE2461654 C3 DE 2461654C3 DE 2461654 A DE2461654 A DE 2461654A DE 2461654 A DE2461654 A DE 2461654A DE 2461654 C3 DE2461654 C3 DE 2461654C3
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Description

Kern einen Luftspalt besitzt und dessen Querinduktivität dadurch im Betriebsbereich vom Strom unabhängig ist Der Gleichrichter Gr sperrt während der Einschaltzeit ti. Ist genügend Energie im Transformator gespeichert, wird der Schalttransistor Ti 1 gesperrt Die Spannung am Transformator polt um, und die gespeicherte Energie wird während der Sperrzeit f2 des Schalttransistors an seinen Kondensator C2 und den Lastwiderstand R 2 abgegeben.The core has an air gap and its shunt inductance is therefore independent of the current in the operating range. The rectifier Gr blocks during the switch-on time ti. If enough energy is stored in the transformer, the switching transistor Ti 1 is blocked. The voltage on the transformer reverses and the stored energy is transferred to its capacitor C2 and the load resistor R 2 during the blocking time f2 of the switching transistor.

Das Tastverhältnis des Schalltransistors Ts 1 wird sowohl durch einen Regler für die Ausgangsspannung oder EMK bestimmt entsprechend der Regelabweichung als auch durch eine Störgrößenaufschaltung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung beeinflußt Der Regler übernimmt in diesem Falle nur noch eine Feinkorrektur des durch die Störgrößenaufschaltung grob eingestellten Tastverhältnisses. Dabei kann die Regelverstärkung klein gehalten werden, was die Stabilisierung des Regelkreises vereinfacht Jede Änderung der Eingangsspannung, ob nichtperiodisch oder periodisch, wirkt unverzögert auf das Tastverhältnis und damit stabilisierend auf die Ausgangssp&nnung. Bei Frequenzen bis zu einigen 100 Hz wird dadurch eine große Durchgangsdämpfung erzieltThe pulse duty factor of the acoustic transistor Ts 1 is determined by a controller for the output voltage or EMF according to the control deviation as well as influenced by a disturbance variable depending on the input voltage.In this case, the controller only takes over a fine correction of the pulse duty factor roughly set by the disturbance variable injection. The control gain can be kept small, which simplifies the stabilization of the control loop. Every change in the input voltage, whether non-periodic or periodic, has an immediate effect on the pulse duty factor and thus has a stabilizing effect on the output voltage. At frequencies up to a few 100 Hz, a high transmission loss is achieved

Ein an den Ausgang des Sperrumrichters angeschlossener Regler RVund eine der Störgrößenaufschaltung dienende Rampenschaltung R sind an einen Schmitt-Trigger 5 angeschlossen. Ein Taktgenerator Tliefert die Taktspannung für eine Modulationsstufe M und die Rampenschaltung R. Die am Ausgang der Modulationsstufe erhaltenen breitenmodulierten Impulse werden über eine Treiberstufe L Van die Basis des Schalttransi stors Ts 1 geführtA controller RV connected to the output of the flyback converter and a ramp circuit R serving for feedforward control are connected to a Schmitt trigger 5. A clock generator T delivers the clock voltage for a modulation stage M and the ramp circuit R. The width-modulated pulses obtained at the output of the modulation stage are fed to the base of the switching transistor Ts 1 via a driver stage L Van

Der Regler R V liefert eine von der Regelabweichung abhängige Bezugsgleichspannung Uv. Diese wird vom Schmitt-Trigger S mit einer in der Rampenschaltung R erzeugten Sägezahnspannung U12 verglichen. Die Rampenschaltung besteht im wesentlichen aus einem Kondensator Cn an dem eine Sägezahnspannung gebildet wird und dem ein vom Taktgeber Tgesteuerter Schalttransistor Ts 2 mit seiner Kollektor-Emitterstrekke parallel geschaltet ist Der Kondensator Cr ist über einen Ladewiderstand R1 und über eine Konstantstromschaltung, gebildet von einem Transistor 7s 3, den Widerstünden A3, A4 und einer Zenerdiode ZD, an die Eingangsspannung des Sperrumrichters angeschlossen.The controller RV supplies a DC reference voltage U v that is dependent on the control deviation. This is compared by the Schmitt trigger S with a sawtooth voltage U 12 generated in the ramp circuit R. The ramp circuit consists essentially of a capacitor C n at which a sawtooth voltage is formed and a connected in parallel from clock Tgesteuerter switching transistor Ts 2 with its collector Emitterstrekke The capacitor C r via a charging resistor R 1 and a constant current circuit, formed by a transistor 7s 3, the resistors A3, A4 and a Zener diode ZD, connected to the input voltage of the flyback converter.

In jeder Arbeitsperiode steigt die Sägezahnspannung etwa von Null an. Die Anstiegsgeschwindigkeit ändert sich mit der Eingangsspannung U* Sind die Vergleichsspannungen Uv und die Sägezahnspannung Ua gleich groß, dann gibt der Schmitt-Trigger S ein Sperrsignal über die Modulationsstufe M und die Treiberstufe LV an den Schalttransistor Ts 1. Wird die Vergleichsspannung Uv in der Amplitude begrenzt, z. B. durch einen Spannungsteiler am Ausgang des Regel Verstärkers RV, dann wirkt die eingangsspannungsabhängige Rampenschaltung R auch bei fehlender Reglerwirkung als Begrenzer für das Tastverhältnis und damit für die Ausgangsspannung des Sperrumrichters. Die Begrenzung des Tastverhältnisses verhindert auch eine übermäßige !nduktionsbeanspruchung des Transformators Tr und seiner Sättigung, wenn der Regel verstärker z. B. beim Einschalten und bei plöf'icher Belastung des Sperrumrichters infolge vorübergehend zu kleiner Regelgröße ein zu hohes Tastverhältnis vorgeben wollte.The sawtooth voltage increases approximately from zero in each working period. The rate of rise changes with the input voltage U * If the comparison voltages U v and the sawtooth voltage U a are the same, then the Schmitt trigger S sends a blocking signal via the modulation stage M and the driver stage LV to the switching transistor Ts 1. If the comparison voltage Uv in the amplitude limited, e.g. B. by a voltage divider at the output of the control amplifier RV, then the input voltage-dependent ramp circuit R acts as a limiter for the duty cycle and thus for the output voltage of the flyback converter, even if there is no controller effect. The limitation of the pulse duty factor also prevents excessive inductive stress on the transformer Tr and its saturation when the rule amplifier z. B. wanted to specify a pulse duty factor that was too high when switching on and when the flyback converter was suddenly loaded as a result of the controlled variable being temporarily too small.

Die optimale Wirkung der Rampenschaltur.g R für Durchgangsdämpfung und Spannungsbegrenzung wird nur bei solcher Bemessung erreicht, daß die Sägezahnspannung in der zur jeweiligen Eingangsspannung Uc passenden Zeit 11 die Bezugsgleichspannung Un die während der Periodendauer als konstant angesehen werden kann, erreicht Dazu wird beim Sperrumrichter der Kondensator Cr, der vor jeder Einschaltzeit durch den Schalttransistor Ts 2 entladen ist, von zwei Strömen geladen und zwar von einem konstanten Strom über den Transistor Ts 3 und von einem eingangsspannungsabhängigen Strom über den Widerstand R 1. Durch den zusätzlichen Konstantladestrom läßt sich eine exakte Kompensation des Einflusses insbesondere großer Eingangsspannungsschwankungen auf die Stabilisierung der Ausgangsspannung erreichen. Die Kondensatorspannung steigt nach einer Exponentialfunktion an. Durch geeignete Auslegung der Bauteile wird nur der nahezu lineare Teil der Exponentialfunktion ausgenutzt.The optimum effect of Rampenschaltur.g R for throughput attenuation and voltage limitation is only achieved with such a dimensioning that the sawtooth voltage is reached in the time 1 1 matching the respective input voltage U c, the reference DC voltage U n, which can be regarded as constant during the period In the case of the flyback converter, the capacitor Cr, which is discharged through the switching transistor Ts 2 before each switch-on time, is charged by two currents, namely a constant current through the transistor Ts 3 and an input voltage-dependent current through the resistor R 1. The additional constant charging current can achieve an exact compensation of the influence, in particular of large input voltage fluctuations, on the stabilization of the output voltage. The capacitor voltage increases according to an exponential function. With a suitable design of the components, only the almost linear part of the exponential function is used.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Fremdgesteuerter Sperrumrichter mit geregelter Ausgangsspannung, bei dem eine von einem Sollwert-Istwert-Vergleich abgeleitete Regelabweichung ein Kriterium zur Steuerung des Tastgrades der Steuerimpulse für das Schaltglied des Sperrumrichters liefert und bei dem eine eingangsspannungsabhängige Stabilisierung der Ausgangsspannung durch Störgrößenaufschaltung unter Verwendung einer durch Aufladung eines Kondensators erzeugten Sägezahnspannung erfolgt, die durch Vergleich mit einer Bezugsgleichspannung ein zusätzliches Kriterium zur Steuerung des Tastgrades der Steuerimpulse liefert, wobei die Zeit vom Beginn des Sägezahnimpulses bis zum Erreichen des Wertes der Bezugsgleichspannung die Einschaltzeit des Schaltgliedes festlegt und der Kondensator von der Eingangsspannung des Sperrumrichters über einen Widerstand mit einem Ladestrom beaufschlagt ist, der der Emgangsspannung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Steuereinrichtung des Schaltgliedes (Transistor Ti 1) für eine konstante Tastfrequenz der Kondensator (Cr) zusätzlich mit einem sich zu dem der Eingangsspannung (Ue) proportionalen Ladestrom summierenden konstanten Ladestrom beaufschlagt ist und die Bezugsgleichspannung (U,) von der Regelabweichung der Ausgangsspannung (U1) abhängig gemacht istExternally controlled flyback converter with regulated output voltage, in which a control deviation derived from a setpoint / actual value comparison provides a criterion for controlling the duty cycle of the control pulses for the switching element of the flyback converter and in which an input voltage-dependent stabilization of the output voltage through feedforward interference using a voltage generated by charging a capacitor Sawtooth voltage takes place, which by comparison with a DC reference voltage provides an additional criterion for controlling the duty cycle of the control pulses, whereby the time from the beginning of the sawtooth pulse to reaching the value of the DC reference voltage determines the switch-on time of the switching element and the capacitor determines the input voltage of the flyback converter via a resistor is charged with a charging current which is proportional to the input voltage, characterized in that when the control device of the switching element (transistor Ti 1) for a constant sampling frequency, the capacitor (Cr) is additionally charged with a constant charging current that adds up to the charging current proportional to the input voltage (U e ) and the reference DC voltage (U,) is made dependent on the control deviation of the output voltage (U 1 ) Die Erfindung bezieht sich auf :inen fremdgesteuerten Sperrumrichter mit geregelter Ausgangsspannung, bei dem eine von einem Sollwert-Istwert-Vergleich abgeleitete Regelabweichung ein Kriterium zur Steuerung des Tastgrades der Steuerimpulse für das Schaltglied des Sperrumrichters liefert und bei dem eine eingangsspannungsabhängige Stabilisierung der Ausgangsspannung durch Störgrößenaufschaltung unter Verwendung einer durch Aufladung eines Kondensators erzeugten Sägezahnspannung erfolgt, die durch Vergleich mit einer Bezugsgleichspannung ein zusätzliches Kriterium zur Steuerung des Tastgrades der Steuerimpulse liefert, wobei die Zeit vom Beginn des Sägezahnimpulses bis zum Erreichen des Wertes der Bezugsgleichspannung die Einschaltzeit des Schaltgliedes festlegt und der Kondensator von der Eingangsspannung des Sperrumrichters über einen Widerstand mit einem Ladestrom beaufschlagt ist, der der Eingangsspannung proportional istThe invention relates to: an externally controlled flyback converter with regulated output voltage, in which a control deviation derived from a setpoint / actual value comparison is a criterion for controlling the duty cycle of the control pulses for the Switching element of the flyback converter supplies and in which an input voltage-dependent stabilization of the output voltage through feedforward interference Use of a sawtooth voltage generated by charging a capacitor takes place, which is an additional by comparison with a DC reference voltage Criterion for controlling the duty cycle of the control pulses provides, the time from the beginning of the Sawtooth pulse until reaching the value of the DC reference voltage determines the switch-on time of the switching element and the capacitor from the input voltage of the flyback converter via a resistor a charging current is applied which is proportional to the input voltage Ein derartiger Sperrumrichter ist bereits bekannt (US-PS 35 90 361). Bei diesem Sperrumrichter wird zur Bestimmung der Einschaltzeit des Schaltgliedes in Abhängigkeit von der Störgrößenaufschaltung die Sägezahnspannung mit der als Bezugsgleichspannung verwendeten Basis-Emitterspannung eines Transistors des Taktgebers des Sperrumrichters verglichen. Der als Multivibrator ausgebildete Taktgeber verändert in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Sperrumrichters sein Tastverhältnis nur durch Ändern der Einschaltzeit. Die Ausschaltzeit wird unabhängig davon durch die Regelabweichung der Ausgangsspannung gesteuert. Änderungen der Eingangsspannung werden also hier durch Steuerung der Einschsltzeit des Schalttransistors in Verbindung mit einer Änderung derSuch a flyback converter is already known (US-PS 35 90 361). This flyback converter is used for Determination of the switch-on time of the switching element depending on the feedforward Sawtooth voltage with the base-emitter voltage of a transistor used as the DC reference voltage of the clock of the flyback converter compared. The clock, designed as a multivibrator, changes to Depending on the input voltage of the flyback converter, its duty cycle can only be changed by changing the Switch-on time. The switch-off time is independent of this due to the control deviation of the output voltage controlled. Changes to the input voltage are thus made here by controlling the switch-on time of the Switching transistor in conjunction with a change in the Schaltfrequenz unwirksam gemacht. Diese Schaltung erfordert wegen der variablen Arbeitsfrequenz des Schalttransistors einen erhöhten Aufwand für die ausgangsseitige Siebschaltung.Switching frequency made ineffective. This circuit requires because of the variable operating frequency of the switching transistor an increased effort for the filter circuit on the output side. Es ist auch bereits ein allein durch eine eingangsspannungsabhängige Störgrößenaufschaltung gesteuerter Sperrumrichter bekannt, dessen Schalttransistor mit einer konstanten Tastfrequenz arbeitet (DE-OS 19 38 342). Es wird bei diesem Sperrumrichte. ebenfallsIt is also already controlled solely by an input voltage-dependent feedforward control Flyback converter known whose switching transistor works with a constant key frequency (DE-OS 19 38 342). It is used with this blocking converter. Likewise ίο durch Aufladung eines Kondensators eine Sägezahnspannung erzeugt, die durch Vergleich mit einer Bezugsgleichspannung ein Kriterium zur Steuerung des Tastgrades der Steuerimpulse liefert, wobei die Zeit vom Beginn des Sägezahnimpulses bis zum Erreichenίο A sawtooth voltage is generated by charging a capacitor, which by comparison with a DC reference voltage provides a criterion for controlling the duty cycle of the control pulses, the time from the beginning of the sawtooth pulse until it is reached !5 des Wertes der Bezugsgleichspannung die Einschaltdauer des Schaltgliedes festlegt Der Kondensator wird von der Eingangsspannung des Sperrumrichters über einen Widerstand mit einem Ladestrom beaufschlagt, der der Eingangsspannung proportional ist Diese Art der! 5 of the value of the DC reference voltage determines the duty cycle of the switching element the input voltage of the flyback converter is applied via a resistor with a charging current that the This type of input voltage is proportional Störgrößenaufschaltung führt aber bei Sperrumrichtern mit konstanter Tastfrequenz zu keinem befriedigenden Ergebnis. Insbesondere bei größeren Änderungen der Eingangsspannung stellt sjch durch die Störgrößenaufschaltung eine erhebliche Oberkompensierung ein.However, disturbance variable feed-in leads to flyback converters with a constant scanning frequency does not lead to a satisfactory result. Especially with major changes to the The input voltage sets a considerable overcompensation due to the feedforward control. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Sperrumrichter der eingangs genannten Art mit einer für eine konstante Tastfrequenz ausgebildeten Steuereinrichtung des Schaltgliedes die Störgrößenaufschaltung so auszubilden, daß sie auch bei großenThe invention is based on the object at a Blocking converter of the type mentioned at the outset with a control device of the switching element designed for a constant keying frequency to form the interference variable feed-in so that it can also be used with large Eingangsspannungsschwankungen möglichst exakt arbeitetInput voltage fluctuations works as precisely as possible Gemäß der Erfindung wird das dadurch ereicht, daß bei Ausbildung der Steuereinrichtung des Schaltgliedes für eine konstante Tastfrequenz der KondensatorAccording to the invention this is achieved in that, when the control device is formed, the switching element for a constant sampling frequency the capacitor zusätzlich mit einem sich zu dem der Eingangsspannung proportionalen Ladestrom summierenden konstanten Ladestrom beaufschlagt ist und und die Bezugsgleichspannung von der Regelabweichung der Ausgangsspannung abhängig gemacht ist.in addition to that of the input voltage proportional charging current summing constant charging current is applied and and the reference DC voltage is made dependent on the control deviation of the output voltage. Durch die DE-OS 19 61705 ist es bei einem geregelten Gegentaktumrichter, bei dem der Tastgrad der mit konstanter Tastfrequenz arbeitenden Schalttransistoren sowohl in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung als auch von einerBy DE-OS 19 61705 it is with one Controlled push-pull converter, in which the duty cycle of the switching transistors working with a constant duty cycle depends on the control deviation of the output voltage as well as on a eingangsspannungsabhängigen Störgrößenaufschaltung gesteuert wird und bei dem die Einschaltdauer der Schalttransistoren durch Vergleich einer Bezugsgleichspannung mit durch Ladung eines Kondensators erzeugten Sägez&hnimpulsen bestimmt wird, wobei derinput voltage-dependent feedforward control is controlled and in which the duty cycle of the Switching transistors by comparing a DC reference voltage with by charging a capacitor generated saw pulses is determined, the Ladestrom der Eingangsspannung des Umrichters proportional ist, an sich bekannt, die Bezugsgleichspannung von der Regelabweichung der Ausgangsspannung abhängig zu machen.Charging current is proportional to the input voltage of the converter, known per se, the reference DC voltage from the control deviation of the output voltage to make dependent. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispie-The invention is based on an exemplary embodiment les näher erläutert.les explained in more detail. In der Figur ist die Grundschaltung eines fremdgesteuerten Eintakt-Sperrumrichters mit einer im Prinzip dargestellten Steuerschaltung wiedergegeben.The figure shows the basic circuit of an externally controlled single-ended flyback converter with one in principle shown control circuit reproduced. Die Grundschaltung des Eintakt-SperrumrichtersThe basic circuit of the single-ended blocking converter besteht aus einem Speichertransformator Tr, einem primärseitigen Sehalttransistor Ts 1, einem sekundärseitigen Gleichrichter Grund den Speicherkondensatoren Ci, C2. Für den Betrieb eines solchen Sperrumrichters ist ein Taktgenerator vorgesehen, der in Verbindung mit einem Impulsbreitenmodulator breitenmodulierte Steuerimpulse für den Schalttransistor Ts I liefert. Während der Einschaltzeit 11 des Schalttransistors Ts 1 fließt Strom in den Speichertransformator Tr1 dessen consists of a storage transformer Tr, a primary-side Sehalttransistor Ts 1, a secondary- side rectifier basic the storage capacitors Ci, C2. For the operation of such a flyback converter, a clock generator is provided which, in conjunction with a pulse width modulator, supplies width-modulated control pulses for the switching transistor Ts I. During the switch-on time 1 1 of the switching transistor Ts 1, current flows into the storage transformer Tr 1 thereof
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