DE2718999A1 - Spannungs- oder stromgeregelter spannungswandler - Google Patents
Spannungs- oder stromgeregelter spannungswandlerInfo
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Description
SIEMENS-ALBIS AKTIENGESELLSCHAFT
Zürich
Spannungs- oder stromgeregelter Spannungswandler
709950/0703
if
Zur Stromversorgung von elektrischen Geräten mit stabilisierten
Gleichspannungen oder geregelten konstanten Gleichströmen werden vielfach zwischen einer Spannungsquelle und einem Verbraucher
fremdgeregelte Umwandler eingesetzt, die hauptsächlich als Sperrwandler oder als Durchflusswandler ausgeführt
werden können. Dabei weisen in bekannter Weise (vgl. z.B. : Frequenz, 30 (1976) 1: "Die Funktion und Stabilität von impulsbreitengeregelten
Sperrwandlern") ein Sperrwandler einen charakteristischen Sperrwandlerpfad und ein Durchflusswandler
einen charakteristischen Durchflusswandlerpfad auf, wobei ein
charakteristischer Durchflusswandlerpfad einerseits aus einer Primär-Reihenschaltung der Primärwicklung eines Transformators
und der Kollektor~Emitter-Strecke beispielsweise eines npn-Transistors
und andererseits aus einer Sekundär-Reihenschaltung der Sekundärwicklung des Transformators, einer Diode in
Durchlassrichtung und eines Kondensators besteht, wobei in einen solchen charakteristischen Durchfiusswandlerpfad sekundärseitig
noch eine Siebdrossel eingefügt sein muss; ein charakteristischer Sperrwandlerpfad weist die gleichen Reihenschaltungen
auf, jedoch mit der Diode in Sperrichtung und ohne Einfügung einer Siebdrossel in die Sekundär-Reihenschaltung.
Dabei wird angenommen, dass die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators im gleichen Sinn gewickelt sind.
Derartige Umwandler erweisen sich indessen als relativ aufwendig, insbesondere im Hinblick auf zusätzliche Schutzmassnahmen,
die nötig sind, um Strom- und Spannungsspitzen zu vermeiden. Diese Nachteile sind besonders bedeutsam, wenn es sich
um einen Hochsp^ .mungswandler handelt, dessen Transformator,
infolge der bei Hochspannungsanwendungen notwendigen Dimensionierung der Isolation eine zu hohe Streukapazität aufweist.
7O985O7Ö703
Dieselben Nachteile eines Durchflusswandlers weist auch insbesondere
bei hohen Uebersetzungsverhältnissen des Transformators - ein aus Electronic Design 7, April 1, 1975, Seiten
116 bis 122, bekannter Durchflusswandler auf, welcher eingangsseitig
ein X-Glied aus vier Halbleiterschaltern und eine zwischen den Ausgangsklemmen des X-Gliedes liegende Reihenschaltung
der Primärwicklung des Transformators und eines Trennkondensators aufweist, wobei eine Steuerschaltung zur
Steuerung der Halbleiterschalter eine Sequenz On Impulsen liefert, von denen jeweils einerseits die ungeradzahligen den
ersten und dun vierten Halbleiterschalter und andererseits die
geradzahligen den zweiten und den dritten Halbleiterschalter gleichzeitig öffnen. Dieser bekannte Durchflusswandler arbeitet
in der Weise, dass beim Auftreten eines ungeradzahligen Impulses ein Strom vom Pluspol der Spannungsquelle über den
ersten Halbleiterschalter, die Primärwicklung des Transformators,
den Trennkondensator und den vierten Halbleiterschalter
zum Minuspol der Spannungsquelle und beim Auftreten eines geradzahligen Impulses der Strom über den zweiten Halbleiterschalter,
den Trennkondensator, die Primärwicklung des Transformators und den dritten Halbleiterschalter fliesst.
Der somit über die Primärwicklung des Transformators fliessende Wechselstrom wird an die mit einer Mittelanzapfung versehene
Sekundärwicklung des Transformators übertragen und in einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Schaltungsanordnung
für einen Spannungswandler anzugeben, der sich mit weniger, bzw. weniger aufwendigen Bauteilen realisieren lässt,
bei dem Strom- und Spannungsspitzen weitestgehend vermieden
werden und der einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist, sodass er auch für mobile Speiseeinheiten gut geeignet ist.
709850/0703
- y-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen spannungs- oder stromgeregelten Spannungswandler mit einem
Durchflusswandlerpfad mit mindestens einem Halbleiter, einem Transistor, einer Diode und einem Kondensator.
Der erfindungsgemässe Spannungswandler ist dadurch gekennzeichnet,
dass in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators eine zusätzliche magnetische Energie speichernde
Drossel vorhanden ist, di zugleich als Lastelement für den Regelkreis dient.
Ein solcher Spannungswandler bringt den Vorteil mit sich, die Spannungsspitzen und die besonders schädlichen Stromspitzen
zu unterdrücken. Ferner wirkt die erfindungsgemäss eingefügte zusätzliche Drossel als Speicherelement ähnlich
wie bei einem Sperrwandler. Ausserdem entfällt bei.einem solchen an sich als Durchflusswandler arbeitenden Spannungswandler
die sonst übliche sekundärseitig nachgeschaltete aufwendige hochinduktive Siebdrossel. Die erfindungsgemäss
primärseitig eingefügte Drossel, die demgegenüber wesentlich weniger aufwendig sein kann, wirkt auch als Lastelement
für den Regelkreis, so dass dieser eine geeignete Kennlinie für die Regelung aufweist.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung kann vorteilhafterweise
mit einem X-Glied aus vier von einer Steuerschaltung
durch Impulsbreitenmodulation gesteuerten Halbleiterschaltern und einer zwischen den Ausgangsklemmen des X-Gliedes
liegenden Reihenschaltung der Primärwicklung des Transformators und der zusätzlichen Drossel sowie gegebenenfalls
eines Trennkondensators aufgebaut sein, wobei die Sekundärwicklung des Transformators mit einer Diodenbrückenschaltung
mit einem nachgeschalteten Querkondensator verbunden ist.
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- 4-
Eine solche Schaltungsanordnung bringt den Vorteil mit sich, relativ wenig aufwendig zu sein, insbesondere im HinL Lick
auf den Transformator, der einen mittleren Maynetisierungsstrom
gleich Null aufweist.
Eine zusätzliche Induktivität mit der Primärwicklung eines Transformators in Reihe zu schalten, ist zwar an sich bekannt,
so z.B. um beim Einsatz von Gasentladungsröhren als Schalter von Wechselrichterschaltungen die Kommutierung - verbesern
(vgl. z.B.: S.W.Wagner: "Stromversorgung", R.v. Decker's Verlag G. Schenk, Hamburg, 1964, SS. 607-609),
oder bei Wechselrichtern nach dem Resonanzprinzip. Bei geregelten Gleichspannungswandlern mit Halbleiterschaltern,
die mit pulsbreitenmodulierten Impulsen gesteuert werden, hat man eine solche zusätzliche Induktivität indessen
vermieden, zumal beim Anschalten und Abtrennen induktiver Lasten die Halbleiter während des Abschaltvorganges besonders
beansprucht werden (vgl. z.B.: Erich Gelder: "Der Transistor als Schalter", Telekosmos Verlag 1966, Seite 68,
Zeilen 14-18). Es hat sich indessen erwiesen, dass in der erfindungsgemässen Anordnung, die zusätzliche Induktivität
nicht nur die oben genannten Vorteile mit sich bringt, sondern, dass darüber hinaus auch die vorstehend erwähnte Beanspruchung
von Halbleiterschaltern vermieden ist.
Die Erfindung wird nun durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen
an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Speiseeinheit des Magnetrons eines mobilen Radargerätes mit einem erfindungsgemässen
stromgeregelten Spannungswandler.
Fig. 2 zeigt eine erste prinzipielle Schaltung eines solchen
als Durchflusswandler arbeitenden Spannungsw* ndlers.
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Fig. 3 zeigt ein zweites Beispiel eines solchen Spannungswandlers .
Fig. 4 zeigt den Verlauf der Steuerimpulse und des Primärstromes in einem Spannungswandler nach Fig. 3
Die in Fig. 1 dargestellte Speiseeinheit weist als Spannungsquelle
ein eine Gleichspannung Vl lieferndes Speiseaggregat SA auf, dem ein Hochspannungswandler HW zur Speisung
eines Strompulserzeugers PE nachgeschaltet ist. Im Strompulserzeuger PE erzeugte Stromimpulse gelangen in
die Primärwicklung eines Impulstransformators Tl, dessen Sekundärwicklung einerseits über einen Spannungsteiler ST
mit einem Bezugspotential BP und andererseits über eine Anpassungsschaltung AS mit einem Magnetron M verbunden ist,
wobei eine am Spannungsteiler ST abgegriffene Fehlerspannung
fv zur Regelung des Hochspannungswandlers HW herangezogen wird.
Das Speiseaggregat SA möge an sich eine gesiebte Gleichspannung
Vl liefern, die jedoch Schwankungen aufweisen kann. Die Ausgangsspannung V2 des Hochspannungswandlers HW wird
durch die Fehlerspannung fv derart geregelt, dass der vom
Magnetron M aufgenommene mittlere Strom konstant bleibt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine mögliche Grundschaltung des erfindungsgemässen Spannungswandlers mit einem Durchflusswandlerpfad.
Zwischen zwei Eingangsspannungsklemmen sind ein Transistorschalter TS, eine Drossel Dr und die Primärwicklung
Trp eines Transformators in Reihe geschaltet, welche die Primärseite des Durchflusswandlerpfades bilden. Die
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ORIGINAL INSPECTED
-J-
Sekundärwicklung Trs des Transformators, eine in Durchlassrichtung
geschaltete Diode Dl und ein Querkondensator CL bilden die Sekundär-Reihenschaltung des Durchflusswandlerpfades.
Die Schaltung nach Fig. 2 funktioniert folgendermassen.
Wenn der Schalter TS geschlossen ist, d.h. leitend, beginnt ein Strom primärseitig von der Plusklemme Ober die
Drossel Dr und die Primärwicklung Trp des Transformators ir zur Minusklemme zu fliessen. Wenn der Strom eine gewisse
Grosse erreicht hat, beginnt ein Strom sekundärseitig
über die Sekundärwicklung Trs, die Diode Dl und die Last zu fliessen. Am Ende des Steuerimpulses, das heisst,
wenn der Schalter TS geöffnet (nichtleitend) wird, erreicht der Primärstrom einen M^ . .unalwert. Anschliessend
wird die in der Drossel Dr gespeicherte magnetische Energie abgebaut. Dabei fliesst nun der Strom ÜL or eine
Querdioda D2, die Drossel Dr und die Primärwicklung Trp
bis der Strom zu Null wird. Dieser Strom ^iiduziert sekundärseitig
weiterhin einen Nutzstrom, so dass sich der Wirkungsgrad des gesamten Spannungswandlers entsprechend erhöht.
Die Regelung des Schalters TS wird mit Hilfe einer Steuerschaltung
SS durchgeführt, die beispielsweise über Tienntransformatoren
oder Optokoppler gleichspannungsmässig entkoppelt
sein kann, wo!.>ei als Regelgrösse die Spannung am
Kondensator C^ oder auch ein von aussen eingespeistes Signal
fv dient. Eine solche Einspeisung eines Signals von aussen ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet, wobei dann die Verbindung
der Steuerschaltung SS mit dem Querkondensator CT entfallen würde. Die Steuerschaltung SS setzt die ihr zugeführten
Regelgrössen in breitenmodulierte Impulse um, die dem Steuereingang des Schalters TS zugeführt werden; zugleich
kann die Steuersch tung SS beispielsweise über Trenntransformatoren
oder Optokoppler eine gleichspannungsmässige Entkopplung
des Steuereinganges von dam Regelgrössengeber bewirken. Für den Regelkreis ist eine Belastung erfordar.lich, d±e
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ORIGINAL INSPECTED
in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung durch die Spule Dr gebildet ist.
Der Spannungswandler HW nach Fig. 3 weist eine Drossel Ll auf, die mit der Primärwicklung Pr2 eines Transformators
T2 und einem Trennkondensator C_ in Reihe geschaltet it,
wobei das eine Ende E dieser Reihenschaltung ein*,i.seits
über einen Halbleiterschalter Sl mit dem Pluspol +Vl und andererseits über einen Halbleiterschalter S3 mit dem Minuspol
-Vl des Speiseaggregats (SA in Fig. 1) verbunden ist. Das ΐιädere Ende A der Reihenschaltung ist ebenfalls
über einen Halbleiterschalter S2 mit dem Pluspol unJ über
einen Halbleiterschalter S4 mit dem Minusjjol des Speiseaggregats
(SA in Fig. 1) verbunden. Die Halbleiterschalter Sl1S? S3 und S4 bilden somit ein X-Glied XG mit den
Klemmen I und A als Ausgang τklemmen.
Die Halbleiterschalter Sl,S2,S3 und S4, welche jeweils
durch eine Parallelschaltung einer Diode und mindestens eines Transistors gebildet sein können, werden mittels
einer Sequenz von in ihrer Breite modulierten, in der Steuerschaltung SS erzeugten Steuerimpulsen gesteuert,
wobei die Halbleiterschalter Sl und S4 nur mit den ungeradzahligen Steuerimpulsen UI und die Halbleiterschalter
S2 und S3 nur mit den geradzahligen Steuerimpulsen GI dieser Sequenz gesteuert werden. Mit der Sekundärwicklung
Sk2 des Transformators T2 ist eine Gleichrichterschaltung GS in Form einer Grätzschaltung (G5,G6,G7 und G8)
mit einem einen Querkondensator C4 enthaltenden nachgeschalteten Siebglied C3,L2,C4 verbunden.
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ORIGINAL INSPECTED
- rf-
Die einzelnen Bauelemente des Hochspannungswandlers nach Fig. 3 können beispielsweise wie folgt bemessen sein:
H = 120 μΗ; Pr2 = 2 bis 3 mH; Uebersetzungsfaktor 1:30; C2 = 7,8 μΡ; C4 = 0,5 μΕ; (In Fig.l: C1 = 4 IJ;1) .
Bei einer Eingangsspannung von beispielsweise 25OV erhält
man dabei je nach der Breite der Steuerimpulse eine Ausgangsspannung von etwa 4 bis 5 KV bei einem Wirkungsgrad
von etwa 94%, wobei die Nennleistung des Wandlers 1,5KW
beträgt.
Die Ausgangsspannung weist einen Brumm von 1 0/00
bei L2 = 40 mH und C3 = 2,2nF auf;
bei L2 = 0 und C3 = 0 beträgt der Brumm nicht mehr als 1,5 0/00.
Die Schaltung nach Fig. 3 funktioniert nun folgejidermassen.
Während der Dauer der ungeradzahligen Steuerimpulse UI (Fig. 4) sind nur die Halbleiterschalter Sl und S4 geschlossen,
d.h. leitend, und ein Strom I r (Fig. 4) beginnt primärseitig
von der Klemme E über die Drossel Ll, die Primärwicklung Pr2 und den Trennkondensator C2 zur Klemme A zu
fliessen.
Wenn der Strom Ipr eine gewisse Grosse (G in Fig. 4) erreicht
hat, beginnt ein Strom sekundärseitig über die Sekundärwicklung SK2, die Diode G8, die Last und die Diode
G5 zu fliessen.
Am Ende des Steuerimpulses, (Zeitpunkt M in Fig. 4), das
heisst, wenn die Halbleiterschalter Sl und S4 yeöffnet
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ORIGINAL INSPECTED
(nicht leitend) werden, erreicht der Strom I, r einen Maximalwert
(H in Fig. 4).
Anschliessend wird die in der Drossel Ll gespeicherte magnetische
Energie abgebaut. Dabei fliesst nun der Strom Ipr über die Diode G3, die Drossel Ll, die Primärwicklung Pr2 des Transformators
T2, den Trennkondensator C2 und die Diode G2, b:.s
der Strom Ipr zum Zeitpunkt K zu Null wird. Dieser Strom induziert sekundärseitig weiterhin einen Nutzstrom, so dass sich
der Wirkungsgrad des gesamten Spannungswandlers entsprechend erhöht.
während der Dauer der (sich mit den ungeradzahligen Steuerimpulsen
nicht überlappenden) geradzahligen Steuerimpulse (GI in Fi(J. 4) sind nur die Halbleiterschalter S2 und S3 geschlossen
(leitend) und ein Strom fliesst nun primärseitig in umgekehrter Richtung, d.h. von der Klemme A zur Klemme E;
im übrigen spielen sich zum zuvor betrachteten Fall der ungeradzahligen Steuerimpulse analoge Vorgänge ab.
Es entsteht in der Primärwicklung Pr2 des Transformators T2 ein stabil pulsierender Wechselstrom, der nach Massgabe des
Uebertragungsfaktors des Transformators T_ eine entsprechend
stabile Wechselspannung in der Sekundärwicklung Sk_ erzeugt. Die aus dieser, gegebenenfalls hohen Wechselspannung in der
Gleichrichterschaltung GS gleichgerichtete Gleichspannung
dient dann zur Speisung des anschliessenden Strompulserzeugers PE.
Bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung kann der Hochspannungswandler
HW nach Massgabe einer Fehlergrösse fv (Fig.l) gesteuert werden, welche vorzugsweise über einen Spannungsteiler
ST aus der Sekundärseite des Transformators Tl (Fig. 1)
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oder auch aus dem Ausgang des Hochspannungswandlers HW selbst (Fig. 2) abgegriffen werden kann. Dabei kann die Fehlergrösse
je nach dem ob Spannungs- oder Stromregelung beabsichtigt ist, proportional zu einer Spannung oder zu einem Strom sein.
Abschliessend sei noch bemerkt, dass bei dem erfindungsgemässen
Spannungswandler vorteilhafterweise eingangsseitig Stromspitzen
vermieden werden, und gleichzeitig eine hohe Stabilität des Regelkreises auch bei sehr unterschiedlichen Uebersetzungsverhältnissen
gewährleistet ist, wobei unterschiedliche Werte der Streukapazität und der Streuinduktiviuit ι es
Transformators T2 bei einer Serienfabrikation unkritisch sind und das System bei entsprechender Auslegung kurzschlusssicher
ist, da die Drossel Ll zusätzlich strombegrenzend wirkt. Ausserdem
kann die Induktivität der sekundärseitig am Transformator T2 üblicherweise eingeschalteten Drossel L2, in der
Grössenordnung von z.B. einigen Henry, stark reduziert werden
oder sogar entfallen .
26.5.76 Shi/Mle
JO9850/Ö703
Claims (3)
- AnsprücheΘ Schaltungsanordnung für einen spannungs- oder stromgeregelten Spannungswandler mit einem Durchflusswandlerpfad mit mindestens einem Halbleiterschalter, einem Transformator, einer Diode und einem Kondensator, dadurch gekennzeichnet, ?ss in Reihe mit der Primärwicklung (Trp) des Transform :rs (Tr) eine zusätzliche magnetische Energie speichernde Drossel (Dr) vorhanden ist, die zugleich als Lastelement für den Regelkreis dient.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein X-Glied (XG) aus vier von einer Steuerschaltung (SS) durch Impulsbreitenmodulation gesteuerten Halbleiterschaltern (S ,S ,S_,S.) und einer zwischen den Ausgangsklemmen (E,A) de.-j X-Gliedes (XG) liegenden Reihenschaltung der P^. unärwicklung (Pr2) des Transformators (T2) und der zusätzlichen Drossel (Ll) sowie gegebenenfalls eines Trennkondf nsators (*-·?) vorhanden ist, wobei die Sekundärwicklung (Sk2) des Transformators (T„) mit einer Dxodenbruckenschaltung (GS) mit mindestens einem nachgeschalteten Querkondensator (C.) verbunden ist.
- 3. Anwendung eines Spannungswandlers nach Anspruch 1 oder 2 in einer Anordnung zur Hochspannungswandlung, insbesondere für die Speisung des Magnetrons eines mobilen Radargerätes, mit einem Speiseaggregat, einem Strompulserzeuger und eineia Impulstransformator, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (HW) nach Massgabe einer Fehlergrösse (fv) gesteuert wird, welche aus einer Spannungsteilerschaltung (ST) gewonnen709850/0703ORIGINAL INSPECTEDwird, die in Reihe mit der Sekundärwicklung des vom Spannungswandler (HW) über den Strompulserzeuger (PE) beaufschlagten Impulstransformators (Tl), einer Anpassungsschaltung (AS) und dem Magnetron (M) geschaltet ist.709850/0703
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