-
-
Geregelter Gleichstromumrichter.
-
Die Erfindung betrifft einen geregelten Gleichstromumrichter, der
nach dem Durchflußumrichterprinzip im Eintaktverfahren arbeitet, mit einem Transformatol
zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, einem pulsbreitengesteuerten
Schalttransistor und einem über Emitter und Kollektor des Schalttransistors geschalteten
Kondensator mit einem Gleichrichter in Reihe, dem ein Widerstand parallel geschaltet
ist.
-
Es ist bekannt, daß bei einem Durchflußwandler die Sekundärspannung
überwiegend von der Batteriespannung, dem Übersetzungsverhältnis des Ubertragers
und dem Tastgrad abhängt.
-
Wie bereits der Name des Wandlertyps erkennen läßt, tritt der Abfluß
der Energie aus dem Transformator während der Durchflußperiode des Rechteckgenerators
auf. Da im Öffnungszeit punkt des Transistors Magnetisierungs-Energie im Transformator
gespeichert ist, besteht die Gefahr einer starken Spannungsüberhöhung. Die Emitter-Kollektorstrecke,
die von vornherein mit der Batteriespannung belastet ist, kann durch eine zusätzliche,
zu hohe Abmagnetisierungsspannung des Transformators zerstört werden.
-
Die periodische Abmagnetisierung des Trenntransformators wird dominierend
von einem über Emitter und Kollektor des Schalttransistors geschalteten Kondensator
beeinflußt, der zur Verringerung der Schaltverluste während der periodischen Ausschaltung
des Stelltransistors vorgesehen ist. Der Einfluß dieses Kondensators auf die Abmagnetisierung
des Trenntransformators ist dabei nicht primär beabsichtigt, sondern ergibt sich
als Nebenwirkung, die die theoretisch übertragbare
Leistung im allgemeinen
herabsetzt, aber andererseits auch die Magnetisierungsverluste des Trenntransformators
etwas verringern kann.
-
Nach bisherigen Erkenntnissen mußte in Grenzfällen, in denen die Spannung
und Strombelastbarkeit eines gegebenen Transistors für die geforderte Leistung nicht
mehr ausreichte, entweder ein zweiter parallel bzw. in Reihe geschaltet werden.
-
Wenn die Spannungs- uno Strombelastbarkeit des gegebenen Transistors
nicht mehr ausreichte, konnte aber auch ein :ieistungsfähigerer und deshalb teuerer
Transistortyp vorgesehen oder die Leistung auf zwei parallel betriebene Umrichter
aufgeteilt werden.
-
Ehe auf das Problem der Erfindung, hämlich die Erhöhung der übertragbaren
Leistung, näher eingegangen wird, sollen im folgenden vorerst die technischen Zusammenhänge,
beschränkt auf die drei grundsätzlichen Abmagnetisier-Möglichkeiten des Transformators
beim idealisierten verlustfreien Eintakt-Durchflußumrichter mit den fiktiven Eingangsgrößen
U1, I1 und den fiktiven Ausgangsgrößen U2, I2 erläutert werden. In diesem Zusammenhang
wird auf die Figur 1 verwiesen, die einen bekannten Eintakt-Durchflußwandler mit
galvanischer Trennung zeigt.
-
Der Transformator Tr übersetzt Spannung und Strom und trennt den Ausgang
vom Eingang galvanisch. Das Speichern eines Teiles der Leistung übernimmt die Drossel
L, während der andere Teil direkt zum Ausgang mit der Spannung U2 durchgeschaltet
wird.
-
Während der Einschaltzeit des Transistors Ts fließt der Strom vom
Eingangskondensator Ct zur nicht dargestellten Last. Dabei nimmt die Drossel L Energie
entsprechend dem durchfließenden Ausgangsstrom I2 und der Differenz zwischen übersetzter
Eingangsspannung U1 und Ausgangsspannung U2 auf. Während der Sperrzeit, die mindestens
zur Abmagnetisierung des Transformators Tr ausreichen muß, fließt der Strom in der
Drossel L weiter über den Gleichrichter D2 in die Last. Zur Regelung der Ausgangsspannung
U2 steuert der Regler S die relative
Einschaltdauer bei konstanter,
durch einen Taktgeber gegebener Periodendauer. Der Mittelwert der Spannung der Transformator-Sekundärwicklung
ist stets gleich der Ausgangsspannung U2 zuzüglich der Spannungsverluste des Sekundärkreises.
-
Während der Sperrzeit wird der Transformator Tr des Durcnflußwandlers
über die an Emitter und Kollektor des Schalttransistors Ts geschaltete Cp-D3-R-Schaltung
av- und ummagnetisSert. Zu Beginn des Sperrens übernimmt die aus der Diode D3 und
dem Kondensator Cp bestehende Reihenschaltung den übersetzten Sekundärstrom in dem
Maße, wie der Kollektorstrom abfällt. Der Kondensator Cp wird dadurch zunächst etwa
auf die Eingangs spannung U1 aufgeladen, wenn man den Einfluß der Streuinduktivität
vernachlässigt. Die Transformatorspannung bricht zusammen und steigt während der
Abmagnetisierung mit umgekehrter Polarität wieder an. Die Ummagnetisierung der Querinduktivität
des Transformators über den Kondensator Cp erzeugt während der Sperrzeit eine sinusförmige
Halbschwingung, die sich am Transistor als Sperrspannung zu U1 addiert. Der kleine
Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung hat während dieser Zeit einen cosinusförmigen
Verlauf und fließt demnach über den Widerstand R zum Transformator.
-
Im darauf folgenden Abschnitt der Sperrzeit fließt der Magnetisierungsstrom
in der Sekundärwicklung und über die stromführenden Sekundärgleichrichter D1 D2
Wegen der geringen Spannung dieser Gleichrichter klingt der Magnetisierungsstrom
im Sekundärkreis kaum ab und die negative Induktion des Transformatorkernes bleibt
bis zum nächsten Einschalten des Transistors erhalten. Dann wird die Ladung des
Kondensators Cp, an dem die Eingangsspannung U1 lag, über den Widerstand R und den
Transistor Ts abgebaut.
-
Beim Eintakt-Durchflußwandler mit galvanischer Trennung ist der Tastgrad
In dieser Formel ist mit ü das Ubersetzungsverhältnis der Wicklungen N1, N2 des
Trenntransformators Tr und mit a das Ubersetzungsverhältnis des idealen Umrichters
der Eingangsspannung U1 zur Ausgangsspannung U2 bezeichnet. Wenn die Ausgangsspannung
U2 konstant bleiben soll, muß der Regler S den Tastgrad r stets so einstellen, daß
das Produkt Tastgrad γ γ x Eingangsspannung U1 konstant ist. Wenn auch
die Periodendauer T konstant ist, muß das Produkt aus der Eingangsspannung und der
Einschaltdauer des Stelltransistors ebenfalls konstant sein: U1 . . T = U1 UL =
const.
-
Dies ist die für den Magnetisierungszustand des Transformators Tr
am Ende der Einschaltdauer maßgebende Spannungs-Zeitfläche. Genau so groß muß im
eingeschwungenen Zustand die bei der Abmagnetisierung auftretende Spannungs-Zeitfläche
sein. Die Kurvenform der Abmagnetisierspannung ist hierfür zwar im Prinzip gleichgültig,
nicht aber für die Spannungsbelastung des Transistors.
-
Die beiden Grenzfälle des Verlaufes der Abmagnetisierspannung werden
zunächst unter gleichen Bedingungen verglichen, und zwar optimiert, das heißt, mit
voller Ausnutzung der zulässigen Sperrspannung UCEmax des Transistors Ts bei maximaler
Eingangsspannung Ulmax und mit voller Ausnutzung der zur Abmagnetisierung verfügbaren
kürzesten Zeit (1 - gmax) . T bei minimaler Eingangsspannung U1min.
-
Die Verknüpfung von Amplituden- und Zeitbedingung ergibt Jeweils das
höchstzulässige Übersetzungsverhältnis ümax, mit dem die kleinstmögliche Strombelastung
des Transistors erhalten wird. Bei voller Ausnutzung der zulässigen Strombelastung
wird dann die höchste übertragbare Leistung erreicht. Das maximal zulässige Übersetzungsverhältnis
ümax - γ max. U lmin / U2 ist also die für optimale Dimensioneirung maßgebende
Schlüsselgröße.
-
Die Figuren 2 und 3 zeigen während einer Periodendauer T den Spannungsverlauf
am Stelltransistor Ts idealisiert, das heißt auch kapazitätsfrei, was die Darstellung
mit Rechteckimpulsen ermöglicht. Während der Einschaltdauer ZT = . T wird die Eingangsspannung
U1 vom Transformator aufgenommen.
-
Am Transistor Ts bleibt dann eine Kollektor-Emitter-Spannung ucE =
O. Während der Sperrzeit rE = (1 - γ ). T steht an Transistor die Summe aus
Eingangsspannung und AbinagnetLsierspannung, die der Transformator erzeugt: ucE
= Ul + UT19 Im allgemeinen Falle (ausgenommen bei U1min) istdie Abmagnetisierung
beendet, bevor der Transistor erneut eingeschaltet wird. Bis dahin steht dann nur
die Eingangsspannung U1 am Transistor.
-
In dem Bild 2 ist der kritische Grenzfall der Zeitbedingung dargestellt,
das heißt die Abmagnetisierung wird im Zeitpunkt der Wiedereinschaltung gerade eben
vollendet.
-
Bild 3 zeigt dagegen den kritischen Grenzfall der Amplitude bedingung
mit U Imax + UT1 - uCE max' Da beim vorliegenden Ausführungsbeispiel willkürlich
U1 max = 2 Ulmin gewählt ist, ist folglich auch γ min - 0,5 . γ max
Der zur Schaltentlastung des Transistors vorgesehene Kondensator Cp läßt keinen
steilen Spannungsanstieg und -abfall mehr zu, sondern nur einen annähernd sinusförmigen
Verlauf.
-
Die Spannungs-Zeitfläche einer halben oder auch einer viertel Sinusschwingung
ergibt sich als Produkt aus Zeitbasis,
Amplitude und dem Faktor
2/g und beträgt rund 64 % der Fläche des umschriebenen Rechtecks. Peshalb müssen
bei gleichen Spannungs-Grenzwerten der maximale Tastgrad gmex und das maximale Übersetzungsverhältnis
ümax entsprechend verringert werden, um die Grundbedingung der Gleichheit der Spannungs-Zeitflächen
bei Auf- und Abmagnetisierung zu erfüllen.
-
Die Figuren 4 und 5 zeigen die zu den Figuren 2 und 3 analogen Grenzzustände
mit dem Unterschied, daß der Transformator hier nicht einseitig, sondern symmetrisch
magnetisiert (ummagnetisiert) wird. Die eigentliche Abmagnetisierung bis auf die
Remanenz ist bereits im Scheitelpunkt der Sinushalbschwingung beendet.
-
Der Vorteil der Abmagnetisierung mit Rechteckimpulsen ist jedoch oft
nur scheinbar. Wegen des Fehlens einer Schaltentlastung für den Transistor können
nämlich die Umschaltverluste so hoch werden, daß die wegen des größeren maximalen
Übersetzungsverhältnisses ümax theoretisch höhere Grenzleistung oft nicht nutzbar
ist.
-
Die Figur 6 gilt für beide Grenzfälle und zeigt dieSpannungsbelastung
des Transistors als Funktion der Eingangsspannung und zwar eine unter 450 liegende
Gerade mit dem Hub U1max -Ulmin Die Spannungsfestigkeit des Transistors wird wegen
der Konstanz der Abmagnetisierspannung UT1 bzw. -amplitude uT1 nur bei U1max voll
ausgenutzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erhöhung der übertragbaren
Leistung bzw. Senkung der Strombelastung des Stelltransistors bei Eintakt-Durchfluß-Umrichtern
zu erreichen, bei denen die periodische Abmagnetisierung des Trenntransformators
dominierend von einem Kondensator beeinflußt wird, der zur Verringerung der Schaltverluste
während der periodischen Ausschaltung des Stelltransistors vorgesehen ist. Diese
Aufgabe wird bei den eingangs definierten geregelten Gleichstromumrichtern dadurch
gelöst, daß die Amplitude
der Abmagnetisierungsspannung von der
Eingangs spannung derart abhängig gemacht wird, daß sie bei kleiner Eingangsspannung
größer ist als bei hoher Eingangsspannung. Auf diese Weise wird erreicht, daß der
maximale Tastgrad und damit das Übersetzungsverhältnis größer gemacht werden können,
als wenn bei kleiner Eingangsspannung des Umrichters die gleiche Abmagnetisierungsspannungsamplitude
verwendet wird, die bei höchster Einganngsspannung noch zulässig ist, um nicht die
maximale Spannungsbelastung cies Transistors zu überschreiten.
-
Die Lösung nach der Erfindung, die darin besteht, unter Beibehaltung
des Vorteils der Schaltentlastung des Kondensators Cp eine nennenswerte Einbuße
in den Werten ümax und γ max zu verhindern, indem die Amplitude der Abmagnetisierspannung
von der Eingangs spannung derartig abhängig gemacht wird, daß auch bei Unmin die
Spannungsfestigkeit des Transistors möglichst ebensogut ausgenützt wird, wie bei
U1max (erläutert an den Figuren 7 bis 8).
-
Diese Lösung (Figur 7) geschieht selbsttätig, ohne eine besondere
Regelung oder Umschaltung, einfach dadurch, daß die Eigenfrequenz des Abmagnetisierkroises
soweit verringert und das maxiamale Üversetzungsverhältnis ümax' das heißt γ
max' dazu passend bemessen wird, daß Im Bereich der Eingang spannung zwischen Ulmin
und UlK die Ummagnetisierung keine halbe Sinusschwingung der Spannung mehr vollenden
kann, sondern durch Wiedereinscheitung des Transistors in einem Zeitpunkt ebgebrochen
wird, in dem noch Nagnetisierungsenergie in dem Kondensator Cp zwischengespeichert
ist. Die nagnetisierung des Transformators wird dabei umso unsymmetrischer, je weiter
der Widereinschalpunkt zich dem Scheitelpunkt der Spannungskurve nähert, um schließlich
in diesem punkt, wenn er erreicht wird, ganz einseitig zu werden. Daher stammt die
Bezeichnung "schwimmende Magnetisierung".
-
Soll an weiden Grenzen der Eingangsspannung Ul min und U die Spannungsfestigkeit
des Transistors voll ausfgenützt
werden, so ist die Optimierung
zweier Größen nötig, nämlich erstens der Resonanzfrequenz des Abmagnetisierkreises
fo, und zweitens des Ubersetzungsverhältnisses ü = N1/N2, das nach γ ü/a den
Tastgrad bestimmt.
-
Für den Optinalwert der Resonanzfrequenz fo -efo**, bezogen auf die
Taktfrequenz f = 1/T, gilt
Hierin sind die weiteren Abkürzungen
benutzt.
-
Die Grenzbedingung für das Übersetzungsverhältnis ist
Mit dem angegebenen Ausdruck für den Optimalwert des Frequenzverhältnisses erhält
man das höchstzulässige Übersetzungsverhältnis
2b Der Winkel arc cos (1 - c ) soll zwischen den äußersten Grenzen #/2 lund # liegen,
weil außerhalb dieses Ereiches entweder die Formel ungültig wird oder der Transformator
eine einseitige Vormagnetisierung erhält.
-
Bei dieser Bemessung verläuft uCE = f (U1) etwa entsprechend der Figur
7 mit dem Maximalwert der Abmagnetisier-Amplitude ûT1max bei Ulmin' und dem Minimalwert
uT1min, der im kritischen Punkt U1K bei Vollendung der Halbschwingung erreicht wird
und danach bis U1max konstant bleibt.
-
Bei Einhaltung dieser Optimierungsbedingungen für die Eigenfrequenz
des Abmagnetisierkreises und das maximal zulässige Übersetzungsverhältnis, das heißt
den maximal zulässigen Tastgrad, wird bei geregelten Gleichstromumrichtern nach
der Erfindung erreicht, daß die Sperrfähigkeit des Transistors bei kleinster und
bei höchster Eingangs spannung voll ausgenützt wird und im dazwischen liegenden
Bereich eine Verbesserung erzielt wird. Mit dieser der Erfindung zugrundeliegenden
Bemessung wird bei gegebener Leistung die minimal erreichbare Strombelastung des
Transistors erhalten und bei voller Ausnutzung der zulässigen Grenzdaten die maximal
übertragbare Leistung erzielt.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der maximale Tastgrad (
rmax) und das Verhältnis der Eigenfrequenz des Abmagnetisierkreises zur Taktfrequenz
(f°) so aufeinander abgestimmt, daß weder bei kleinster Eingangsspannung noch bei
höchster Eingangs spannung die zulässige Spannungsbelastung des Transistors überschritten
wird.
-
Die zugehörigen Grenzfälle des zeitlichen Verlaufes von ucE sind schematisch
in den Figuren 8 und 9 dargestellt. In der Praxis ist die theoretisch optimale Bemessung
wegen der Bauteiletoleranzen und Temperaturgänge zwar nicht vollständig erreichbar,
aber auch dann bleibt der Vorteil noch beträchtlich. Mit Hilfe der Formel
läßt sich der Zusammenhang zwischen der Amplitude der Abmagnetisierungsspannung
und dem Tastgrad γ mit dem Bemessungsparameter fo/f (Verhältnis von Eigenfrequenz
des Abmagnetisierkreises zur Taktfrequenz) kontrollieren. Auf diese Weise kann überwacht
werden, daß auch mit ungünstigen Bauteiletoleranzen UCEmax nicht überschritten wird.
-
Zahlenwerte für die erzielbare Verbesserung lassen sich nicht allgemeingültigültig,
sondern nur im genau abgegrenzten Einzelfall angeben. In vielen Fällen sind sogar
noch höhere Werte für ümax und γ max erreichbar als bei der Abmagnetisierung
auf konstante Gegenspannung.
-
2 Patentansprüche 9 Figuren