DE2624800B2

DE2624800B2 - Geregelter Gleichstromumrichter

Info

Publication number: DE2624800B2
Application number: DE19762624800
Authority: DE
Inventors: Robert 8031 Stockdorf Nicolaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-02
Filing date: 1976-06-02
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE2624800A1; DE2624800C3

Description

Die Erfindung betrifft einen geregelten Gleichstromumrichter, der nach dem Durchflußumrichterprinzip im Eintaktverfahren arbeitet, mit einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, einem in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators liegenden, pulsbreitengesteuerten Schalttransistor, einer Freilaufdiode im Ausgangskreis und einer über Emitter und Kollektor des Schalttransistors geschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und aus einer Parallelschaltung eines in Durchlaßrichtung zur Eingangsspannung £epolten Gleichrichters und eines Widerstandes, wobei als Abmagnetisierungsspannung am Transformator zumindest bei höchster Eingangsspannung eine vollständige Sinushalbwelle auftritt.

Ein Gleichstromumrichter der eingangs genannten Art, der allerdings nicht geregelt ist und bei dem die Reihenschaltung aus Kondensator und Gleichrichter nicht parallel zum Schalttransistor, sondern parallel zur Primärwicklung des Transformators geschaltet ist, ist durch die DT-OS 22 20176 (insbesondere Fig.6) bekannt. Der Widerstand bildet bei diesem Gleichstromumrichter mit dem Kondensator einen Parallelzweig zu dessen Eigang.

Es ist bekannt, daß bei einem Durchflußwandler die Sekundärspannung überwiegend von der Batteriespannung, dem Übersetzungsverhältnis des Übertragers 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 Öffnungszeitpunkt des Transistors Magnetisierungsenergie im Transformator gespeichert ist, besteht die Gefahr einer starken Spannungsüberhöhung. Die Emitter-Kollektor-Strecke, 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 dem über Emitter und Kollektor des Schalttransistors geschalteten Kondensator beeinflußt, der zur Verringerung der Schaltvcrluste 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 Spannungs- und Strombelastbarkeit eines gegebenen Transistcrs für die geforderte Leistung nicht mehr ausreichte, entweder ein zweiter parallel bzw. in Reihe geschaltet werden. Wenn die Spannungs- und Strombelastbarkeit des gegebenen Transistors nicht mehr ausreichte, konnte aber auch ein leistungsfähigerer und deshalb teuerer Transistortyp vorgesehen oder die Leistung auf zwei parallel betriebene Umrichter aufgeteilt werden.

Ehe auf das Problem der Erfindung, nämlich 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 Uu h und den fiktiven Ausgangsgrößen U₂, I₂ erläutert werden. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 1 verwiesen, die einen Gleichstromumrichter der eingangs genannten Art (Eintakt-Durchflußwandler mit galvanischer Trennung) zeigt.

Der Transformator 7rübersetzt 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 G zur nicht dargestellten Last. Dabei nimmt die Drossel L Energie entsprechend dem durchfließenden Ausgangsstrom I₂ und der Differenz zwischen übersetzter Eingangsspannung U\ und Ausgangsspannung LZ₂ 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 Sdie 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 Durchflußwandlers über die an Emitter und Kollektor des Schalttransistors Tsgeschaltete Cp-Di-R-

bo Schaltung ab- und ummagnetisiert. 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

b5 dadurch zunächst etwa auf die Eingangsspannung U\ 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 U\ addiert. Der kleine Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung hat während dieser Zeit einen cosinusförmigen Verlauf und fließt über die Diode D} zum Tranformator.

Im darauf folgenden Abschnitt der Sperrzeit fließt der umgepolte Magnetisierungsstrom in der Sckundärwicklung und über die stromführenden Sekundärgleichrichter D\, Di. 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 U\ lag, über den Widerstand R und den Transistor Ts abgebaut.

Beim Eintakt-Durchflußwandler mit galvanischer Trennung ist der Tastgrad

In dieser Formel ist mit üdas Übersetzungsverhältnis der Wicklungen Nu N₂ des Trenntransformators 7>und mit a das Übersetzungsverhältnis der Eingangsspannung U] zur Ausgangsspannung U₂ des idealen Umrichters bezeichnet. Wenn die Ausgangsspannung U₂ konstant bleiben soll, muß der Regler 5den Tastgrad γ stets so einstellen, daß das Produkt Tastgrad γ χ Eingangsspannung U\ ist. Wenn auch die Periodendauer T konstant ist, muß das Produkt aus der Eingangsspannung und der Einschaltdauer τ,, des Stelltransistors ebenfalls konstant sein:

U] ■ γ ■ Τ— U] ■ Τι. = 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

'j

fu_T\ ■ d/ = Ci^-T, = const.
'.

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 UcEnun des Transistors Ts bei maximaler Eingangsspannung t/i ,π.·»- und mit voller Ausnutzung der zur Abmagnetisierung verfügbaren kürzesten Zeit (1—)w)· T bei minimaler Eingangsspannung U],„j„. Die Verknüpfung von Amplituden- und Zeitbedingung ergibt jeweils das höchstzulässige Übersetzungsverhältnis ü_m,,_A, 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

Die F i g. 2 und 3 zeigen während einer Periodendauer

rden Spannungsverlauf am Stelltransistor Ts idealisiert, das heißt auch kapazitätsfrei, was die Darstellung mit Rechleckimpulsen ermöglicht. Während der Einschaltdauer

τ,.-γ ■ T

wird die Eingangsspannung U] vom Transformator ι» aufgenommen. Am Transistor Ts bleibt dann eine Kollektor-Emitter-Spannung uce=0- Während der Sperrzeit

γλ-(1 -γ) ■ T

steht am Transistor die Summe aus Eingangsspannung und der einmal zeitlich konstant angenommenen (Kondensator Cp nicht berücksichtigt) Abmagnetisierspannung, die der Transformator erzeugt:

Umax =

] ,,,,,JU₂

ist also die für optimale Dimensionierung maßgebende Schlüsselgröße.

Im allgemeinen Falle (ausgenommen bei U],,,,,,) ist die Abmagnetisierung beendet, bevor der Transistor erneut eingeschaltet v^ird. Bis dahin steht dann nur die Eingangsspannung Ui am Transistor.

In Fig. 2 ist der kritische Grenzfall der Zeitbedingung bei der minimalen Eingangsspannung U],„j„ dargestellt, das heißt, die Abmagnetisierung wird im j(j Zeitpunkt der Wiedereinschaltung gerade eben vollendet.

Fig.3 zeigt dagegen den kritischen Grenzfall der Amplitudenbedingung bei der maximalen Eingangsspannung U],„_iixm\l

U] ,„in + Un = UcEnun ■

Da beim vorliegenden Ausführungsbeispiel willkürlich t/i mal = 2 L/) mm gewählt ist, ist folglich auch

γ min = 0,5 ■ γ,,ν,_χ.

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/jr und beträgt rund 64% der Fläche des umschriebenen Rechtecks. Deshalb müssen bei gleichen Spannungs-Grenzwerten der maximale Tastgrad }',,,.„ und das maximale Übersetzungsverhältnis ü,„.„ entsprechend verringert werden, um die Grundbedingung der Gleichheit der Spannungs-Zeitflächen bei Auf- und Abmagnetisierung zu erfüllen.

Die Fig.4 und 5 zeigen die zu den Fig. 2 und 3 analogen Grenzzustände mit dem Unterschied, daß der Transformator hier nicht einseitig, sondern symmetrisch magnetisiert (ummagnetisiert) wird. Die eigentliche

bü 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 üm.n theoretisch höhere Grenzleistung oft nicht nutzbar ist.

Die Fig.6 gilt für beide Grcnzfälle und zeigt die Spannungsbelaslung des Transistors als Funktion der Eingangsspannung, und zwar eine unter 45^C liegende Gerade mit dem Hub ίΛ ,„.,.,-l/i „„„. Die Spannungsfestigkeit des Transistors wird wegen der Konstanz der Abmagnctisicrungsspannung Un bzw. -amplitude Un nur bei L/|,„,_n voll ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erhöhung der übertragbaren Leistung bzw. Senkung der Strombelastung des Stelltransistors bei einem geregelten Gleichstromumrichter der eingangs genannten Art, bei den: die periodische Abmagnetisicrung des Trenntransformators dominierend von einem Kondensator beeinflußt wird, der zur Verringerung der Schaltverluste während der periodischen Ausschaltung des Stelltransistors vorgesehen ist, zu erreichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch eine derartige Bemessung des maximalen Tastgrades und des Verhältnisses der Eigenfrequenz des aus dem Transformator und dem Kondensator gebildeten Abmagnetisierschwingkreises zur Taktfrequenz, daß als Abmagnetisierungsspannung am Transformator bei niedrigster Eingangsspannung eine durch das Einschalten des Schalttransistors hinten abgeschnittene Sinushalbwelle auftritt, wobei der Abschnittwinkel so festgelegt ist, daß bei niedrigster und bei höchster Eingangsspannung die Sperrspannung des Schalttransistors im wesentlichen den gleichen Maximalwert hat.

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 Eingangsspannung noch zulässig ist, um nicht die maximale Spannungsbelastung des Transistors zu überschreiten.

Durch die Erfindung wird also unter Beibehaltung des Vorteils der Schaltentlastung des Kondensators Cp eine nennenswerte Einbuße in den Werten ü,_Kn und y_m;H verhindert, indem die Amplitude der Abmagnetisierspannung von der Eingangsspannung derartig abhängig gemacht wird, daß auch bei i7i„„„ die Spannungsfestigkeit des Transistors möglichst ebensogut ausgenützt wird, wie bei U\_m-_n (erläutert an den F i g. 7 bis 8).

Diese Abhängigkeit (F i g. 7) ist selbsttätig, ohne eine besondere Regelung oder Umschaltung, einfach dadurch, daß die Eigenfrequenz des Abmagnetisierkreises so gering und das maximale Übersetzungsverhältnis Wm.m das heißt γ_ηκιχ, dazu passend bemessen ist, daß im Bereich der Eingangsspannung zwischen U\,„m und U\k die Ummagnetisierung keine halbe Sinusschwingung der Spannung mehr vollenden kann, sondern durch Wiedereinschaltung des Transistors in einem Zeitpunkt abgebrochen wird, in dem noch Magnetisierungsenergie in dem Kondensator Cp zwischengespeicherl ist. Die Magnetisierung des Transformators wird dabei um so unsymmetrischer, je weiter der Wiedereinschaltpunkt sich 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 beiden Grenzen der Eingangsspannung U\_mm und U\i_m\ die Spannungsfestigkeit des Transistors voll ausgenützt werden, so ist die Optimierung zweier Größen nötig, nämlich erstens der Resonanzfrequenz des Abmagnetisierkreises fo, und zweitens des Tastgrades )>=ü/u, der das Übersetzungsverhältnis U-N[ZN₂ bestimmt.

Für den Optimalwcrt der Resonanzfrequenz fo-* (o**, bezogen auf die Taktfrequenz [= l/7jgilt

b 1 /, 2b\

,. *„ + -=- arc cos I 1 )

Jo** ₌ a_mi„ 2 V c J

f
Hierin sind die weiteren Abkürzungen

^UCE mux ~ k'i „|_0Λ.

und

C =

¹¹CE

benutzt.

Die Grenzbedingung für das Übersetzungsverhältnis

.-τ fo

Mit dem angegebenen Ausdruck für den Optimalwcr! des Frequenzverhältnisses erhält man das hochstzulässige Übersetzungsverhältnis

u_m„_r=— ■

J_

π fo**

Der Winkel

b 1

h — arc cos

tJ_m;„ 2

Λ 2b
I 1

arc cos 1 —

soll zwischen den äußersten Grenzen π/2 und π liegen weil außerhalb dieses Bereiches entweder die Forme ungültig wird oder der Transformator eine einseitige Vormagnetisierung erhält.

Bei dieser Bemessung verläuft ua;=f(U\) etwt entsprechend der Fig.7 mit dem Maximalwert dei Abmagnetisier-Amplitude ünmax bei U\„,i„ und derr Minimalwert ΰπ,,,,η, der im kritischen Punkt U\k be Vollendung der Halbschwingung erreicht wird unc danach bis U\„_m konstant bleibt.

Bei Einhaltung dieser Optimierungsbedingungen füi die Eigenfrequenz des Abmagnetisierkreises und dai maximal zulässige Übersetzungsverhältnis, das heiß den maximal zulässigen Tastgrad, wird bei geregelter Gleichstromumrichtern der eingangs genannten Ar erreicht, daß die Sperrfähigkeit des Transistors be kleinster und bei höchster Eingangsspannung vol ausgenützt wird und im dazwischenliegenden Bereicl eine Verbesserung erzielt wird. Mit der Bemessunj

bo gemäß der Erfindung wird bei gegebener Leistung dii minimal erreichbare Strombelastung des Transistor erhalten und bei voller Ausnutzung der zulässigei Grenzdaten die maximal übertragbare Leistung erzielt.

Die zugehörigen Grenzfälle des zeitlichen Verlaufe

t,5 von uorsind schematisch in den F i g. 8 und 9 dargestellt In der Praxis ist die theoretisch optimale Bemessunj wegen der Bauteiletoleranzen und Temperaturgängi zwar nicht vollständig erreichbar, aber auch dann bleib

der Vorteil noch beträchtlich. Mit Hilfe der Formel

Ι/,

u_ri =

1 - cos

2 Jj-(l-;

läßt sich der Zusammenhang zwischen der Amplitude der Abmagnetisierungsspannung und dem Tastgrad γ

dem Bemessungsparameter —r- (Verhältnis von

Eigenfrequenz des Abmagnetisierkreises zur Taktfrequenz) kontrollieren. Auf diese Weise kann überwacht werden, daß auch mit ungünstigen Bauteiletoleranzen «(ι/ίων nicht überschritten wird.

Zahlenwerte für die erzielbare Verbesserung lassen sich nicht allgemeingültig, sondern nur im genau abgegrenzten Einzelfall angeben. In vielen Fällen sind sogar noch höhere Werte für ü,_my und )>,„,·„ erreichbar als bei der Abmagnetisierung auf konstante Gegenspannung.

Hierzu 2 Bkitt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Geregelter Gleichstromumrichter, der nach dem Durchflußumrichterprinzip im Eintaktverfahren arbeitet, mit einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, einem in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators liegenden, pulsbreitengesteuerten Schalttransistor, einer Freilaufdiode im Ausgangskreis und einer über Emitter und Kollektor des Schalttransistors geschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und aus einet Parallelschaltung eines in Durchlaßrichtung zur Eingangsspannung gepolten Gleichrichters und eines Widerstandes, wobei als Abmagnetisierungsspannung am Transformator zumindest bei höchster Eingangsspannung eine vollständige Sinushalbwelle auftritt, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des maximalen Tastgrades (γ max) und des Verhältnisses der Eigenfrequenz (fo) des aus dem Tranformator und dem Kondensator gebildeten Abmagnetisierschwingkreises zur Taktfrequenz (f), daß als Abmagnetisierungsspannung am Transformator bei niedrigster Eingangsspannung eine durch das Einschalten des Schalttransistors hinten abgeschnittene Sinushalbwelle auftritt, wobei der Abschnittwinkel so festgelegt ist, daß bei niedrigster und bei höchster Eingangsspannung die Sperrspannung des Schalttransistors im wesentlichen den gleichen Maximalwert hat.