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Gleichspannungswandler und Verfahren zu seine Betrieb
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Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem Transformator,
dessen Pristrwicklung über ein steuerbares Stromrichterventil an die Klemmen einer
Hochspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung über ein Stromrichterventil
und ein Glättungsfilter mit einer Last verbunden ist, wobei Glättungsfilter und
Last von einer Freilaufdiode überbrückt sind und für den Transformator eine Abmagnetisierungsschaltung
vorgesehen ist und ein Verfahren zum Betrieb des Gleichspannungswandlers.
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Solche Gleichspannungswandler sind beispielsweise aus der Literaturstelle
.1 survey of converter circuits for switched-mode power supplies" in Mullard Technical
Communications, No. 119, July 1973, Seiten 271 bis 278 bekannt. Solche Gleichspannungswandler
werden im allgemeinen als getaktete Netzgeräte zur Stromversorgung eingesetzt. Der
beschriebene Gleichspannungswandler arbeitet als Durchflußwandler im Eintakt mit
einem Lamtverhältnis von 1 : 1.
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Dabei liegt bei durchlässige Stromrichterventil an der Primärwicklung
des Transformators die volle Spannung der Gleichspannungsquelle. Das Stromrichterventil
ir Lastkreis wird dann durchlässig und die Energie wird von der Primärwicklung auf
die Sekundärwicklung übertragen. Sperrt das steuerbare Stromrichterventil im Primärkreis,
so sperrt auch das Stromrichterventil im Lastkreis und der Energiefluß wird unterbrochen.
Der Laststrom wird nun von der Freilaufdiode übernommen. Am Transformator steht
die Entmagnetisierungsspannung
an, die durch die Abmagnetisierungsschaltung
auf das doppelte der Eingangsspannung des Primärkreises begrenzt wird.
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Der Nachteil dieser Schaltung ist, daß während der Entnagnetisierungsphase
am Schaltelement die doppelte Speisespannung anliegt.
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Außerdem beträgt wegen des obengenannten Tastverhältnisses die Einschaltdauer
höchstens 50 %, was sich auf den Aufwand für das Glättungsfilter im Ausgangskreis
nachteilig auswirkt.
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In der Literaturstelle "Schalt-Netzteile mit schnellen Transistoren
hoher Sperrspannung" in Valvo-Berichta, Band 18, Seite 144 bis 154 ist als getaktetes
Netzgerät ein Gegentaktwandler beschieben, bei dem die Primärwicklung des Transformators
eine Mittelanzapfung besitzt und abwechselnd über zwei steuerbare Stromrichterventile
im Gagentakt mit Strom beaufschlagt wird. Auch die Sekundärwicklung besitzt eine
Mittelanzapfung, die mit der Last verbunden ist und außerdem sind der Sekundärwicklung
zwei Stromrichterventile nachgeschaltet, die über das Glättungsfilter mit der Last
verbunden sind Die beiden steuerbaren Stromrichterventile im Primärkreis werden
abwechselnd angesteuert, so daß der Transformator beidseitig magnetisiert wird.
Eine Abmagnetisierungsschaltung ist damit nicht mehr erforderlich. Die an der Sekundärwicklung
abfallende Sekundärspannung wird durch die nachgeschalteten Stromrichterventile
gleichgerichtet. Gegenüber dem oben beschriebenen Eintakt-Durchflußwandle ergibt
sich bei diesem Gegentaktwandler eine Ausgangsspannung mit doppelter Frequenz und
ein dementsprechend kleinerer Aufwand für das Glättungsfilter.
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Bei dieser Schaltung führen jedoch schon kleine Zeitabweichungen in
der Ansteuerung bzw. in den Abschaltzeiten der beiden gesteuerten Stromrichterventile
zu bedeutenden Stromunsymmetrien. Wesentlich ist außerdem noch, daß während der
Durchflußphase eines der steuerbaren Stromrichterventile am anderen die doppelte
Speisespannung anliegt, ähnlich wie in der Entmagnetisierungszeit des oben beschriebenen
Eintakt-Durchflußwandlers. Es besteht die Aufgabe, einen Gleichspannungswandler
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Spannungsbeanspruchung der
Stromrichterventile vernindert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens
zwei
weitere Transformatoren angeordnet sind, wobei die Primärwicklung jedes Transformators
über ein steuerbares Stromrichterventil mit den Klemmen der Gleichspannungsquelle
und zip die Sokundärwicklung jedes Transformators über ein Stromrichterventil mit
dem der Last vorgeschalteten Glättungsfilter verbunden ist und daß Jeder Transformator
eine Abmagnetisierungsschaltung besitzt.
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Bei einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb dieses Gleichspannungswandlers
werden die den einzelnen Transformatoren zugeordneten steuerbaren Stromrichterventile
zeitltch versetzt angesteuert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler sind wenigstens drei
Durchflußwandler parallelgeschaltet, die versetzt angesteuert werden. Damit wird
die Spannungsbeanspruchung der Schaltelemente verringert und zwar vom obengenannten
Wert der doppelten Speisespannung auf das 1,5-tache der Speisespannung bei drei
parallelgeschalteten Durchflußwandlern und auf das 1,33-fache der Speisespannung
bei vier parallelgeschalteten Durchflußwandlern. Damit lassen sich als steuerbare
Stromrichterventile handelsübliche Transistoren einsetzen, die direkt am Netz betrieben
werden können. Weiterhin ist die Grundfrequenz des Gleichspannungswandlers bei n
parallelgeschalteten Durchflußwandlern um das n-fache größer als die Frequenz, mit
der die Schaltelemente beansprucht sind.
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Die Verluste in den Schaltelementen werden damit kleiner und der Aufwand
für das Glättungsfilter, das insbesondere auch zur Ausfilterung von Störspannungen
dient, kann herabgesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsforn des Gleichspannungswandlers sind
die Primärwicklungen aller Transformatoren Uber ein weiteres, gemeinsames steuerbares
Stromrichterventil mit den Klemmen der Gleichspannungsquelle verbunden. Vorteilhaft
ist es, bei einem solchen Gleichspannungswandler die 3edea Transformator zugeordneten
steuerbaren Stromrichterventile im stromlosen Zustand ein-und abzuschalten. Da bei
dieser Ausführungsform das allen Primärwicklungen der Transformatoren geweinsame
steuerbare Stromrichterventil die eigentliche Schaltaufgabe übernimmt, muß dieses
entsprechend leistungsstark und schnellachaltend ausgeführt sein. Die den einzelnen
Transformatoren zugeordneten Schaltelemente dienen nur noch als Verteiler, die im
stromlosen Zustand zu- und abge-
schaltet werden, womit üle Anstruerang
wesentlich vereinfacht wird.
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Als steuerbare Stromrichterventile können Transistoren oder abschaltbare
Thyristoren eingesetzt werden.
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Im folgenden wird der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler anhand
der Figuren 1 und 2 beispielhaft näher erläutert. In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt. Gleiche Bauelemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figur 1 zeigt einen Durchflußwandler 1, wie er in den obengenannten
Literaturstellen beschrieben ist. An die Eingangsklemmen 11 ist eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen, die die Speisespannung UE liefert. Die Eingangsklemmen 11 sind über
ein steuerbares Stromrichterventil 12 mit der Primäricklung 13a eines Transformators
13 verbunden, dessen Sekundärwicklung 1 3b über ein Stromrichterventil 14 und ein
Glättungsfilter 15 mit einer Impedanz 16 als Last verbunden sind. Das Glättungsfilter
ist im Ausführungsbeispiel als LC-Filter mit einer Spule 15a und einem Kondensator
15b beispielhaft realisiert. Die Impedanz 16 kann eine kapazitive, eine ohmische
und eine induktive Komponente aufweisen. Last 16 und Glättungsfilter 15 sind von
einer Freilautdiode 17 überbrückt. Für den Transformator 13 ist eine Abmagnetisierungsschaltung
18 vorgesehen, die beim Ausführungsbeispiel mit der Tertlärwicklung 13c des Transfonators
13 und dem Stromrichterventil 18a realisiert ist.
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Dem beschriebenen Durchflußwandler 1 sind zwei weitere Durchflußwandler
2 und 3 parallelgeschaltet. Diese Durchflußwandler sind identisch zum Durchflußwandler
1 aufgebaut. Die Bauteile sind wie beim Durchflußwandler 1 durch die zweite Zahl
des Bezugszeichens charakterisiert, beispiasweise ist das steuerbare Stromrichterventil
des Durchflußwandlers 2 mit 22 und das steuerbare Stromrichterventil des Durchflußwaddlers
3 mit 32 bezeichnet. Bei n parallelgeschalteten Durchflußwandlern wäre beim Durchflußwandler
n das steuerbare Stromrichterventil mit dem Bezugszeichen n2, der Transformator
mit dem Bezugszeichen n3 usw.
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versehen. Eine weitere Beschreibung der Durchflußwandler 2 und 3
dürfte
sich damit erübrigen. Zu erwähnen ist lediglich noch, daß im Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 für alle Durchflußwandler 1 bis 3 eine gemeinsame Freilaufdiode 17
vorgesehen ist.
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FUr die steuerbaren Stromrichterventile 12, 22 und 32 ist eine gemeinsame
Ansteuerschaltung A angeordnet. In üblicher Weise ist die Ansteuerschaltung A im
wesentlichen aus ein Oszillator und eine Impulsverteilter aufgebaut, über den die
steuerbaren Stromrichterventile 12, 22 und 32 zeitlich versetzt angesteuert werden
können. Ein Eingang der Ansteuerschaltung A ist mit einen Regler B verbunden0 Dem
Regler B ist eine Additionsstufe C vorgeschaltet, die einerseits mit einer Klemme
D verbunden ist, an der der Sollwert ansteht, und der andererseits als Istwert die
Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers zugeführt ist,
wie mit der Leitung E angedeutet ist.
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Ober den Regler B wird in Abhängigkeit von der an der Additimsstufe
C gebildeten Regelabweichung ein Impulsbreitenmodulator in der Ansteuereinheit A
beeinflußt, mit dem die Lange der Ansteuerispulse für die steuerbaren Stromrichterventile
12, 22, 32 verändert wird Zu erwähnen ist noch, daß im Ausführungsbeispiel als steuerbare
Stromrichterventile 12, 22 und 32 Tremsi@toren eingesetzt sind.
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Als steuerbare Stromrichterventile können auch abschaltbare Thyrlstoren
oder Thyristoren benutzt werden, die über eine entsprechende Löschschaltung zu löschen
sind.
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Zur Wirkungsweise des in Figur 1 gezeigten Gleichspannungswandlers
wird auf die eingangs genannte Beschreibung eines Eintakt-Durchflußwandlers verwiesen,
die hier anhand des Durchflußwandlers 1 nochmals klargestellt werden soll. Nach
der obigen Beschreibung liegt während der Entmagnetisierungsphase am gesperrten
steuerbaren Stromrichterventil 12 die am Transformator 13 entstehende Entmagnetisierungsspannung
an, die durch die Abmagnetisierungsschaltung 18, bestehend aus Entmagnetisierungswicklung
13c und Stromrichterventil 18a in Praxis auf die doppelte Speisespannung, d.h. auf
zwei UE begrenzt wird. Auch bei der Parallelschaltung von zwei Durchflußwandlern
1 und 2, wie sie in Figur 1 gezeigt sind und bei einer versetzten Ansteuerung der
Strom-
richterventile 12 und 13 um 1800 el bezogen auf die Taktfrequenz
bleibt dieses Problem bestehen und es liegt während der Entmagnetisierungsphase
an den Schaltelementen 12 und 22 die doppelte Speisespannung an.
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Bei einer Parallelschaltung von 3 Durchflu~wandlern 1 bis 3, wie sie
die Figur 1 zeigt1 bzw. allgemein ausgedrückt bei einer Parallelschaltung von n-Durchflußwandlern
der in Figur 1 gezeigten Weise laßt sich das Problem der Spannungsbeanspruchung
der Schaltelemente 12, 22 und 32 in einfacher Weise lösen. Die parallel geschalteten
Durchflußwandler 1 bis n werden zeitlic versetzt angesteuert, wobei die Ansteuert,
wobei die Ansteuerung jeweils um 360° el/n versetzt, bezogen auf die Taktfrequenz
erfolgt und die maximale Einschaltdauer jedes Durchflußwandlers 1/n der mit der
Taktfrequenz gegebenen Periode, d.h. beim Ausführungsbeispiel ein Drittel dieser
Periode beträgt. Für die Entmagnetisierung der Transformatoren 13, 23 und 33 bleibt
daher Jeweils (1 - 1/n) der mit der Taktfrequenz gegebenen Periode, d.h. beim Ausführungsbeispiel
2/3 der Zeitspanne der Periode zur Verfügung. Damit wird beim Ausführungsbeispiel
die Entmagnetisierungsspannung Uentmg auf 1,5 UE begrenzt. Im allgemeinen Fall,
bei dem n Durchflußwandler parallel geschaltet und in der geschilderten Weise angesteuert
werden, beträgt die an Jede steuerbaren Stromrichterventil 12 bis n2 anliegende
Entmagnetisierungsspannung :
mit n - 3, 4, ............
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Die Spannungsbeanspruchung der Schaltelemente 12, 22 und 32 wird damit
wesentlich verringert und es können, wie bereits angedeutet, handelsübliche Transistoren
direkt am Netz betrieben werden. Dar-Uberhinaus wird die Ausgangsfrequenz des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers bei n parallelgeschalteten Durchflußwandlern 1 bis n um
das n-tacho größer als die Frequenz mit der die Schaltelemente beansprucht werden.
Hieraus resultieren geringere Schaltverluste und die Auslegung des Glättungsfilters
15 wird vereinfacht, was insbesondere auch dadurch hervorgerufen wird, daß die
Grundfrequenz,
die am Eingang die Störspannung verursacht, n-fach größer als die Frequenz des einzelnen
Durchflußwandlers 1 bis n ist.
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Figur 2 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Figur 1. Bei diesem
Ausfuhrungsbeispiel sind sämtliche Primärwicklungen der Transformatoren 13, 23 und
33 der Durchflußwandler 1, 2 und 3 über ein zusätzliches, gemeinsames, steuerbares
Stromrichterventil F mit den Eingangsklemmen 11 verbunden. Das gemeinsame steuerbare
Stromrichterventil F ist im AusfUhrungsbeispiel wiederum ein Transistor. Außerdem
sind beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 Freilaufdioden 17, 27 und 37 für 3eden
der Durchflßwandler 1, 2 und 3 vorgesehen. In den übrigen Einzelheiten ist die Schaltung
nach Figur 2 identisch mit der Schaltung nach Figur 1. Eine weitere Beschreibung
erübrigt sich daher.
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Beim Ausführungabeispiel nach Figur 2 übernimmt das gemeinsame Stromrichterventil
F die eigentliche Schaltaufgabe und wird über die Ansteuerschaltung A für 3ede Aussteuerzeitspanne
eines der Durchflußwandler 1 bis 3 ausgesteuert. Die steuerbaren Stronrichterventile
12, 22 und 32 jedes Durchflußwandlers dienen nur noch als Verteiler. Sie können
bei dieser Ausftlhrungsform im stromlosen Zustand zu- und abgeschaltet werden, womit
die Ansteuer- und Abschalteinrichtung insbesondere hinsichtlich des Ausräumen der
steuerbaren Stromrichterventile 12 bis 32 wesentlich vereinfacht wird. Als Stromrichterventil
F ist ein leistungsstärkeres Stromrichterventil, beispielsweise ein Transistor einzusetzen;
die Stromrichterventile 12, 22 und 32 lassen sich dann mit abschaltbaren Thyristoren
realisieren.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler
das Problem der großen Spannungsbelastung der Stromrichterventile in einfacher Weise
gelöst ist. Zu erwähnen ist 3edoch noch, daß der erfindungagemäße Gleichspannungswandler
die Möglichkeit bietet, eine ganze Gerätereihe nach dem Baukastonprinzip 3e nach
den anstehenden Bedürfnissen zu realisieren.
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Hierzu ist nur eine einzige Ausführungsform des Durchflußwandlers
erforderlich, der beispielsweise auch allein eingesetzt werden
kann.
Durch eine änderung des Tastverhältnisses, bei dem die Einschaltdauer des Durchflußwandlers
verkürzt wird, läßt sich auch bei einem solchen einzelnen Durchflußwandler die Spannungsbeanspruchung
der Stromrichterventile begrenzen, was Jedoch mit geringerer Leistung und einem
aufwendigen Glättungsfilter verbunden ist. Schaltet man zwei dieser Durchflußwandler
parallel, so erhält man den doppelten Ausgangsstrom, wobei mit einer Verkürzung
der Gesamteinschaltdauer sich die Spannungsbeanspruchung der Schaltelemente ebenfalls
begrenzen läßt. Mit einem dritten parallelgeschalteten, gleichartig ausgestalteten
Durchflußwandler lassen sich dann die erfindungsgemäßen Vorteile erhalten, die wie
oben ausgeführt ist, für gröbere Ströme durch die Parallelschaltung weiterer Durchflußwandler
noch verbessern lassen. Das Grundgerät dieser angedeuteten Baureihe ist gleichartig
aufgebaut wie Durchflußwandler, lediglich die Wickeldaten für die Transformatoren
ändern sich, wobei 3edoch der Kern einheitlich bleibt, und das Glättungsfilter muß
an die entsprechende Auslegung angepaßt werden, was jedoch für größere Leistungen
zu einer aufwandsärmeren Auslegung führt. Mit dieser aufgezeigten Möglichkeit des
Baukastenprinzips ist daher der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler für eine
Serienfertigung besonders geeignet.
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2 Figuren 7 Patentansprüche
L e e r s e i t e