DE2851095A1 - Gleichstromsperrwandler - Google Patents

Description

• Gleichstromsperrwandler
• Die Erfindung betrifft einen Gleichstromsperrwandler mit Eingangs- und Ausgangsstromkreis, die je einen abwechselnd geschlossenen Schalter aufweisen, wobei im Eingangsstromkreis über den im ersten Taktteil geschlossenen ersten Schalter eine erste Drossel an eine Spannung, insbesondere Gleichspannung, und im zweiten Taktteil die erste Drossel in Reihe mit einem ersten Kondensator geschaltet werden und wobei im Ausgangsstromkreis ein zweiter mit einer Bürde belastbarer Kondensator in Reihe mit einer zweiten Drossel geschaltet ist.
• Ein solcher Gleichstromsperrwandler, bei dem der Ausgangsstromkreis im ersten Taktteil durch den ersten Schalter über den ersten Kondensator und im zweiten Taktteil direkt über den zweiten Schalter schließbar ist, ist beschrieben in (IEEE) Power Electronics Specialists Conference, Palo Alto, California, June 14 -16, 1977, S. 1 bis 20: "A new optimum topology switching DC-TO-DC converter" von Slobodan Cuk und R.D. Middlebrook, und zeichnet si lurch einen kontinuierlichen Trapezstrom sowohl im Eingangsals augen im Ausgangsstromkreis aus. Im Vergleich zum gewöhnlichen Sperrwandler, der im Eingangsstromkreis undSoder im Ausgangsstromkreis diskontinuierliche Ströme liefert, wird damit ein erheblicher Aufwand an Siebmitteln eingespart.
• Trotz dieses an sich erheblichen Fortschritts gegenüber dem bisherigen Stand der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt, einen Gleichstromsperrwandler anzugeben, bei dem mindestens in einem Stromkreis, also entweder eingangs- oder ausgangsseitig, einen nahezu konstanten Gleichstrom liefert und damit den Siebmittelaufwand noch weiter reduziert. Dabei sollte die Anzahl der erforderlichen Bauelemente nicht erhöht, sondern sogar erniedrigt werden. Weiterhin soll ein solcher Gleichstromsperrwandler mit Potentialtrennung angegeben werden.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln.
• Durch den erfindungsgemäßen Gleichstromsperrwandler werden die Vorteile erreicht, daß bei kontinuierlichem Eingangsstrom ein nahezu konstanter Ausgangsstrom abgegeben werden kann. Dadurch kann erhebliches an Siebmittelaufwand eingespart werden, beipielsweise können LC-Glieder am Eingang bzw. Ausgang entfallen rzzw. stark reduziert werden. Aufgrund des wesentlich kleineren @a@@iementeaufwands sind einerseits Verbilligung und Volumenverkleinerung erreichbar, andererseits wird der Wirkungsgrad erhöht.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine -weitere Bauelementereduzierung bzw. -verkleinerung erreicht, indem zwei Drosseln ersetzt werden durch eine Drossel mit zwei magnetisch gekoppelten ;rckiungen.
• Es folgt die Beschreibung des erfindungsgemäßen Gleichstromsperrrtancsers anhand von Ausführungsbeispiele aufzeigenden Figuren.
• Üs Fig. 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Gleichstromsperrwandlers ersichtlich. Zu einer Zeit T1 wird eine Drossel L1 über einen Wechselschalter WS von der Eingangsgleichspannung Ue mit magnetischer Energie aufgeladen. Gleichzeitig kann sich jedoch im Ausgangsstromkreis ein nahezu konstanter Strom ia (Fig. 2) ausbilden, indem sich der über den Wechselschalter WS geschaltete erste Kondensator C1 über diese erste und eine zweite Drossel L2 und einen mit einer Bürde R belastbaren zweiten Kondensator C2 entladen kann. Im zweiten Taktteil (To-T1) kann sich die aufgeladene erste Drossel über den Wechselschalter WS und die zweite Drossel L2 und den zweiten Kondensator C2 entladen, während sich der erste Kondensator C1 mit dem Eingangsstrom ie wieder aufladen kann. Die Figuren 2 und 3 zeigen den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen. Im Taktteil Tl steigen der Eingangsstrom ie und der Strom i durch- die Drossel L1 linear an und fallen im ,:welten Taktteil (To-T1) linear auf ihre Ausgangsamplituden zuruck. Der Ausgangsstrom ia tritt als nahezu konstante Differenz dieser beiden Ströme hervor. Die Ausgangsspannung Ua nach Fig. 3 zeigt leichte Welligkeit, die umso kleiner ist je größer die Ka-)azitäten der beiden Kondensatoren C1 und C2 sind. Entsprechend kleiner kann dann auch die Induktivität der zweiten Drossel L2 ausfallen. Der Mittelwert der Ausgangsspannung Ua ist etwa doppelt so groß wie die Eingangsspannung Ue, entsprechend dem angenommenen Taktverhältnis T1(To-T1) = 2.
• Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die erste Drossel L1 durch zwei magnetisch gekoppelte Drosseln L1 und L3 ersetzt wird und je eine dieser Drosseln im Eingangs-bzw. Ausgangsstromkreis zwischen erstem Kondensator C1 und Eingangsspannung Ue bzw. Ausgangsspannung Ua eingefügt wurde. Die Schaltung arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie dasjenige nach der Fig. 1. Macht man die Kopplung der beiden Drosseln L1 und L3 schwächer, so kann die dann entstehende Streuinduktivität im Ausgangsstromkreis zum Wegfall der zweiten Drossel L2 führen.
• Dieses Schaltungsbeispiel wird in der Fig. 5 gezeigt, wobei gleichzeitig die Realisierung des Wechselschalters WS durch einen npn-Transistor-Schalter S1 bzw. durch einen Gleichrichter S2 erfolgt. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung erhält man, wenn man den mit der Bürde R belastbaren Kondensator 22 an cen Punkte A und B der Figuren 1, 4 und 5 ersetzt, durch einen Gegentaktwandler nach Fig. 6 oder einen Brückenwandler nach Fig. 7, wodurch Potentialtrennung mit der Möglichkeit der erweiterten Spannungstransformation erreicht wird. Besonders vorteilhaft sind diese Ausführungsbeispiele der Erfindung bei der Erzeugung von Hochspannungen, z.B. für Wanderfeldröhren.
• Der Wirkungsgrad eines solchen Gleichspannungswandlers ist wewesentlich höher als derjenige eines konventionellen Wandlers, da in den Filtern am Eingangs- bzw. Ausgangskreis Kondensatoren it kleineren Kapazitätswerten verwendet werden können und somit am Serienwiderstand der eingesetzten Elektrolytkondensatoren wesentlich geringere Verluste entstehen. Der Wirkungsgrad wird noch weiter gesteigert, wenn anstelle von Elektrolytkondensatoren verlustärmere Kondensatoren wie Folienkondensatoren eingesetzt werden, was bei kleineren Kapazitätswerten und damit vertretbarem Volumen angebracht ist. Durch die Reduzierung des Filteraufwandes auf der Hochspannungsseite, insbesondere durch Verwendung kleinerer Hochspannungskondensatoren, werden räumliche Vorteile erreicnt, zucem wird aber auch noch ein schnelleres Einschalten der hochspannung ermöglicht, da in den Siebmitteln weniger Energie gespeichert werden muß. Zweckmäßigerweise werden die Schalter des Gegentaktwandlers nach Fig. 6 bzw. des Brückenwandlers nach rig. 7 synchron mit dem Transistorschalter S1 nach Fig. 5 bzw. mit dem diesem entsprechenden linken Teil des Wechselschal- W n-jc1j . 1 bzw. Fig. 4 geschaltet.
• ine weitere erfindungsgemäße Schaltung, die die Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen Ua, Ua' bei Potentialtrennung ermöglicht, zeigt die Fig. 8. Der Eingangsstromkreis ist transformatorisch von den Ausgangsstromkreisen getrennt und besteht aus der Reihenschaltung einer ersten Drossel L1, eines ersten Kondensators C1 und der ersten Wicklung W1 eines Transformators T und aus der Eingangsgleichspannungsquelle Ue, wobei der gemeinsame Punkt von erster Drossel und erstem Kondensator und der negative Pol der Gleichspannung mit hilfe eines ersten Schalters S1 überbrückbar ist. Der Ausgangsstromreis steht aus der Reihenschaltung einer weiteren, mit der erten Drossel L1 magnetisch eng gekoppelten Drossel L3 (L3'), einem weiteren Kondensator C3 (C3'), einer weiteren Wicklung W2 (W2') des Transformators T und des mit einer Bürde R (R') überbrückten Ladekondensators C2 (C2'), wobei der gemeinsame Punkt zwischen der weiteren Drossel L3 (L3') und dem weiteren Kondensator C3 (C3') über einen zweiten Schalter S2 (S2'), der abwechselnd mit dem ersten schalter S1 schließt, mit dem positiven (negativen) Belag des Ladekondensators C2 (C2') galvanisch verbunden werden kann. Im gezeichneten Beispiel der Fig.8 sind zwei Ausgangsstromkreise dargestellt, wobei die Sekundärseite des Transformators T als eine Wicklung W2, W2' mit Anzapfung ausgeführt ist. Der besondere Vorteil auch dieser Schaltung besteht darin, daß die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C3, C3' wesentlich kleiner gewählt werden können als die üblicherweise in konventionellen Gleichstromsperrwandlern verwendeten Kondensatoren, so daß statt Elektrolytkondensatoren r'olienkondensatoren eingesetzt werden können, durch die aufgrund ihrer kleineren Kondensatorverluste ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Das Windungszahlverhältnis der Drosseln L1, L3, L3' muß gleich dem Windungszahlverhältnis W1 : W2 : W2' der zugehörigen Wickiunen des Transformators T sein. Das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren C1, C3, C3' soll in erster Näherung etwa dem umgekehrten Windungszahlverhältnis entsprechen.
• Die Zahl der Ausgangsstromkreise braucht natürlich nicht auf zwei beschränkt zu sein.

Claims (7)

1. Gleichstromsperrwandler Patentansprüche Gieichstromsperrwandler mit Eingangs- und Ausgangsstromkreis, die je einen abwechselnd geschlossenen Schalter aufweisen, wobei im Eingangsstromkreis über den im ersten Taktteil geschlossenen ersten Schalter eine erste DIM03sel an eine Spannung, insbesondere Gleichspannung, und im zweiten Taktteil die erste Drossel in Reihe mit einem ersten Kondensator geschaltet werden und wobei im A.sgangsstromkreis ein zweiter mit einer Bürde belastbarer Kondensator in Reihe mit einer zweiten Drossel geschaltt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schalter (WS) der Ausgangsstromkreis (L2, C2 II R2 . ...) im zweiten Taktteil über die erste Drossel (L1) und im ersten Taktteil über die Reihenschaltung der ersten Drossel (L1) und des ersten Kondensators (C1) schließbar ist (Fig. 1).
2. 2. Gleichstromsperrwandler mit Eingangs- und Ausgangsstrornkreis, die je einen abwecr,selnd geschlossenen Schalter aufweisen, wobei im Eingangsstromkrei3 über den im ersten Taktteil geschlossenen ersten achalter eine erste Drossel an eine Spannung, insbesondere Gleichspannung, und im zweiten Takt teil die erste Drossel in Reihe mit einem ersten Kondensator geschaltet werden und wobei im Ausgangsstromkreis ein zweiter mit einer Bürde belastbarer Kondensator in Reie mit einer zweiten Drossel geschaltet ist, dadurch gekerinzeichnet, daß durch die Schalter (WS, S1, S2) der Ausgangsstromkreis (L2, C2 || R2 ...) im zweiten Taktteil über eine dritte Drossel (L3), die mit der ersten Drossel (Ll) magnetisch gekoppelt ist, und im ersten Taktteil über die Reihenschaltung dieser dritten Drossel (L3) und den ersten Kondensator (C1) schließbar ist (Fig. 4, 5).
3. 3. Gleichstromsperrwandler mit Eingangs- und Ausgangsstromkreis, die je einen abwechselnd schließenden Schalter aufwelsen, wobei im Eingangsstromkreis über den im ersten Taktteil geschlossenen ersten Schalter eine erste Drossel an eine Spannung, insbesondere Gleichspannung, und im zweiten Taktteil die erste Drossel in Reihe mit einem ersten Kondensator geschaltet werden und wobei im Ausgangsstromkreis ein zweiter mit einer Bürde belastbarer Kondensator in Reihe mit einer zweiten Drossel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch den ersten Schalter (S1) der Eingangsstromkreis (Ue, L1, C1 ...) im zweiten Taktteil über eine zusätzlich in Reihe geschaltete Primärwicklung (W1) eines Transformators (T) schließbar ist, daß durch den weiten Schalter (S2, S2') der Ausgangsstromkreis (L2, C2 1 R..., L2', C2' || R' ...) im zweiten Taktteil über eine dritte mit der ersten Drossel (L1) magnetisch gekoppelte Drossel (L3, L3') und im ersten Taktteil über die Reihenschaltung dieser dritten Drossel (L3, L3'), eines critten Kondensators (C3, C3') und der Sekundärwicklung (W2, W2') des Transformators (T) schließbar ist (Fig. 8).
4. 4. Gleichstromsperrwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürde (R) ein Gleichspannungs-Gegentakt- oder -Brückenwandler ist (Fig. 6 bzw. 7).
5. 5. Gleichstromsperrwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die streuungsbehaftete Wicklung der dritten Drossel (L3, L3') die zweite Drossel (L2, L2') gebildet wird (Fig. 8, 5).
6. 6. Gleichstromsperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, WS) im Eingangsstromkreis (Ue, L1, C1 ...) bipolare oder FE-Transistoren und die Schalter (S2, S2'; WS) im Ausgangsstromkreis (L2, C2 || R ..., L2', C2' || C2' 1 R1 ...) bipolare, FE-Transistoren oder Dioden sind.
7. 7. Gleichstromsperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere Ausgangsstromkreise (L2, C2 || R2 ..., L2', C2' || R2' ...).