DE3034693C2 - Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler - Google Patents

Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.
Es ist bekannt, bei Leistungswandlern mit mehreren Ausgängen und einem Leistungstransformator mit einer Primär- und einer Sekundärseite für jeden Ausgang auf der Sekundärseite des Leistungstransformators Filterdrosseln anzuordnen (TRW Power Semiconductors Application Note No. 7, Seicen 7—28 bis 7—42, insbesondere Fig. 3 und Seite 7—35). Eine Filterdrossel ist üblicherweise eine Induktivität die sls Tiefpaßfilter verwendet wird und die in einem Gleichstromkreis angeordnet ist. Bei Leistungswandlern wird sie als Filter des Leistungsgleichrichters im Sekundärkreis verwendet, um die überlagerte Welligkeit auszufiltern. Bei den üblichen Frequenzen, die in Leistungskreisen verwendet werden, kann die Filterdrossel einen Eisenkern mit einem Luftspalt haben.
In den F i g. 1 und 2 ist der bekannte Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgängen und Impulsbreitenmodulation dargestellt bei dem eine Filterdrossel auf der Sekundärseite des Leisiungstransformators verwendet wird. Dies ist eine typische Leistungsstromversorgung mit Impulsbreitenmodulation mit vier Transistoren, bei der die Ausgangsleistung dadurch geregelt wird, daß durch einen Regelkreis die Transistoren ein- und ausgeschaltet werden, um eine entsprechende Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Jeder einzelne Ausgang benötigt zur Gleichrichtung eine Diodenbrücke und eine Filterung durch eine Filterdrossel und einen Kondensator, um den erhaltenen pulsierenden Ausgangsstrom zu glätten. Bei einer Leistungsstromversorgung mit mehreren Ausgängen oder im Falie eines Hochspannungsausganges können die benötigten Filterdrosseln zu umfangreich werden, so daß sie sich nicht in eine dichte Packung von Bauelementen einfügen lassen, die in zunehmendem Maße angewendet wird.
Aus diesem Grunde haben Systeme, die eine Drosselfilterung am Ausgang des Sekundärkreises benötigen, nur eine begrenzte Anwendungsmöglichkeit, insbesondere in Luftfahrtgeräten. Es besteht daher ein Bedürfnis für impulsbreitenmodulierte Leistungswandler, insbesondere mit mehreren Ausgängen, die in hoher Pakkungsdichte der Bauelemente ausgeführt werden können, wobei eine effektive Arbeitsweise des Systems gewährleistet ist.
Durch die DE-OS 29 02 251 wurde schon ein impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler in Brückenschaltung vorgeschlagen, bei dem eine Drossel mit zwei gleichen gleichsinnig gewickelten Wicklungen vorgesehen ist. Das gemeinsame Ende der beiden Wicklungen ist mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden und die Wicklungen liegen in Reihe mit den Schaltern in den angrenzenden Brückenzweigen, so daß die Drossel in Reihe zur Gleichspannungsquelle liegt. Die Schalter der Brückenschaltung müssen außerdem während einer Überlappungszeit gleichzeitig geschlossen sein, damit eine Regelung erfolgen kann.
Aus der DE-AS 20 51 409 ist es bekannt, steuerbare Gleichrichter in Brückenschaltungen auf der Primärseite von Wechselrichtern mit Freilaufdioden zu beschälten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine andere Schaltung für den Primärkreis von impulsbreitengeregelten Leistungswandlern, insbesondere solchen mit mehreren Ausgängen, anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 oder 3 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung kann dem Unteranspruch entnommen werden.
Bei der Erfindung wird eine Drossel mit zwei Wicklungen auf der Primärseite des Leistungstransformators vorgesehen sowie ein kontinuierlicher Stromfluß durch den Leistungstransformator erreicht, so daß eine wesentliche Verminderung seiner Baugröße möglich ist.
Durch die Vermeidung von Drosseln auf der Sekundärseite wird auch die Spannungsbelastung der Strom-
Die Drossel mit zwei Wicklungen im Primärkreis des Leistungstransformators ersetzt alle Ausgangsfilterdrosseln, die früher auf der Sekundärseite des Leistungstransformatorkreises verwendet wurden. Dies erlaubt eine hohe Packungsdichte für Leistungsstromversorgungen, sowohl für niedrigere als auch für hohe Verbraucherspannungen und verbessert den Wirkungsgrad
des Wandlers. Die Drossel ist kleiner als die Gesamtheit der Drosseln, welche sie ersetzt, und da der Leistungstransformator dauernd leitet, im Gegensatz zu den bekannten Wandlern mit Impulsbreitenregelung, kann ein kleinerer Transformator als üblich bei gleichem Wirkungsgrad verwendet werden.
Die Schaltungsanordnung auf der Primärseite besteht im Prinzip aus einem Stromkreis mit vier Transistoren, welcher an die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators angeschlossen ist, zwei Freilaufdioden und der Drossel mit zwei Wicklungen. Jeweils zwei der Transistoren leiten abwechselnd mit den anderen beiden, wobei eine Änderung im Leitverhältnis ein Mittel zur Änderung der gewünschten Ausgangsspannung darstellt Die anderen beiden Transistoren sind während der anderen Halbwelle im eingeschalteten Zustand, wobei die Freilaufdioden einen Strompfad bilden, der es ermöglicht, daß dauernd ein Strom durch den Hochspannungstransformator während des ganzen Zyklus fließt Die Drossel dient als Spannungsteiler zwischen der Eingangsspannung und dem Transformator. Die erhaltene Transformator-Ausgangsspannung ist glatt und hat keine unerwünschten Spannungsimpulse nach der Gleichrichtung.
Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung dienen dazu, die Spannungs- oder Strombelastung weiter zu vermindern.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der Figuren näher erläutert werden.
F i g. 1 und 2 zeigen schematisch den Primär- und den Sekundärkreis des bekannten Leistungswandlers mit Impulsbreitenregelung,
Fig.3 zeigt schematisch den Primärkreis eines impulsbreitengeregelten Leistungswandlers gemäß der Erfindung,
F i g. 4 zeigt den Stromverlauf während des Betriebes bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 und
F i g. 5 zeigt schematisch eine Abwandlung des Primärkreises gemäß der Erfindung.
In den F i g. 1 und 2 ist die Schaltung für den bekannten impulsbreitenmodulierten Leistungsv/andler 10 dargestellt, bei dem im Primärkreis vier Transistoren 12,14, 16 und 18 angeordnet sind. An den Kollektoren der Transistoren 12 und 14, deren Emitter an die Verbindungssteile des Hochspannungstransformators 22 mit den Kollektoren der Transistoren 16 und 18 angeschlossen sind, ist ein Potential 20 einer Gleichspannungsquelle angelegt. Die Emitter der Transistoren 16 und 18 sind an den geerdeten Pol 24 der Spannungsquelle angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Schaltung wird durch die Transistoren 12 und 18 sowie 14 und 16 gesteuert, die abwechselnd bei verschiedenen Zyklen leitend sind. Die Änderung der Leitzeit wird durch einen nicht dargestellten Steuerkreis bewirkt, der in üblicher Weise den Strom an der Basis der Transistoren beeinflußt, um diese in den Leitzustand zu versetzen, während beim Abschalten des Stromes die Transistoren in den nichtleitenden Zustand umgeschaltet werden.
Durch den erwähnten Steuerkreis wird die Leitzeit der Transistoren und damit die Ausgangsspannung in der gewünschten Weise verändert. Der Transformator 22 weist Sekundärwicklungen 25 auf Hie in F i g. ? dargestellt sind. Die Schaltung kann bei Bedarf als Inverter betrieben werden, wobei der Wechselstrom am Ausgang der Sekundärwicklung benutzt wird. Im Sekundärkreis können aber auch, wenn gewünscht und wie dies dargestellt ist, Gleichrichter angeordnet sein, um den Wechselstrom in einen Gleichs'rom umzuwandeln, wobei die Schaltung dann als Gleichspannungswandler arbeitet Hierbei ist eine Wicklung 25 an eine Diodenbrükke 26 angeschlossen, an welche sich eine Induktivität oder Drosselspule 28 anschließt während ein Kondensator 30 parallel zu den Ausgangsanschlüssen liegt
Die Induktivität oder die Filterdrossel bewirkt eine Glättung der Welligkeit des pulsierenden Stromes, wie dies normalerweise bei solchen Stromwandlern der Fall ist In F i g. 2 sind nur zwei Sekundärausgänge dargestellt, jedoch können bei verschiedenen Anwendungen auch mehrere Ausgänge vorhanden sein.
Bei einer solchen Anordnung entfallen gemäß der Erfindung die Filterdrosseln in jedem Sekundärkreis, wie dies die Anordnung von F i g. 3 zeigt Die grundlegende Wirkungsweise ist ähnlich der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Der Unterschied besteht hauptsächlich darin, daß im Primärstromkreis 32 vorteilhaft die Glättung der Welligkeit des pulsierenden Stromes auf der Primärseite anstelle auf der Sekundärseite des Transformators durch Filterdrosseln oder Induktoren vorgenommen wird und daß ein kontinuierlicher Stromfluß stattfindet.
Der Primärkreis 32 enthält vier Transistoren 34, 36, 38 und 40, wobei die Kollektoren der Transistoren 34 und 36 an die Stromquelle 42 des Gleichspannungspotentials (Vi) angeschlossen sind. Die Emitter der Transistoren 34 und 36 sind an die Primärwicklung 44 eines Hochspannungstransformators angeschlossen. Dieser Transformator liefert die Spannung für den Sekundärkreis, die mit EO bezeichnet ist. Diese Spannung EO kann, wie im Falle von Fig. 1, in mehreren Sekundärkreisen verwendet werden, wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, mit dem Unterschied, daß nunmehr die Glättung auf der Primärseite vorgenommen wird, so daß auf der Sekundärseite jeweils nur eine Wicklung, ein Diodenkreis und ein Kondensator erforderlich ist, so daß eine hohe Packungsdichte ermöglicht wird. Zusätzlich kann, wie dies später erläutert wird, der Transformator kleinere Abmessungen haben als der zuvor verwendete Transformator bei der gleichen Anordnung, da durch ihn ein kontinuierlicher Strom fließt und kein intermittierender Strom.
Der Emitter des Transistors 34 ist auch mit dem Kollektor des Transistors 38 verbunden. Dessen Emitter ist an eine Wicklung 46 einer Drossel mit zwei Wicklungen angeschlossen. Auf der anderen Seite der Schaltung ist die andere Wicklung 48 der Drossel zwischen dem Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 36 mit der Transformatorwicklung 44 sowie dem Kollektor des Transistors 40 angeordnet. Der Emitter des Transistors 40 und der andere Anschluß der Wicklung 46 sind an Erde 50 angeschlossen. In der Schaltung sind weiter zwei Freilaufdioden 52 und 54 vorgesehen, die einen Strompfad bilden, der es ermöglicht, daß ein kontinuierlicher Strom durch den Transformator 44 während des Betriebes fließt. Die Diode 52 ist zwischen der Erde 50 und dem Verbindungspunkt der Transformatorwicklung 44 mit dem Emitter des Transistors 36 und der Wicklung 48 angeordnet. Die andere Diode 54 bildet einen Strompfad zwischen dem Anschluß der Wicklung 48 an dem Kollektor des Transistors 40 sowie dem Verhindiingsnunkt dpr Kollektoren der Transistoren 34 und 36 mit dem Pol der Stromquelle 42.
Die Schaltfolge der Transistoren während einer Periodend?uer Pist folgende:
Während des ersten Periodenteils P 1 sind die Transistoren 34 und 40 leitend, so daß ein Strom durch die Transformatorwicklune 44 und die Wicklune 48 fließen
kann. Während des folgenden Periodenteils P2 bleibt der Transistor 34 leitend, während der Transistor 40 gesperrt ist. Wenn der Transistor 40 gesperrt ist, fließt ein Freilaufstrom durch den Transistor 34 und die Diode 54. Dieser Strom fließt wiederum auch durch die Transformatorwicklung 44 mit der Wicklung 48 als Stromquelle.
Beim Periodenteil P3 sind die Transistoren 36 und 38 leitend, so daß ein Strom durch die Transformatorwicklung 44 und die Wicklung 46 in entgegengesetzter Rieh- ι ο tung wie bei den Periodenteilen Pt und P2 fließt. Beim Periodenteil P4 bleibt der Transistor 38 leitend, während der Transistor 36 gesperrt ist. Während dieser Zeit fließt ein Freilaufstrom durch den Transistor 38 und die Diode 52, so daß ein Strom durch die Transformatorwicklung 44 und die Wicklung 46 als Stromquelle fließt. Daraufhin wiederholt sich der Vorgang.
In Fig.4 sind bei A-Edie einzelnen Ströme dargestellt Fig.4A zeigt den idealen Stromfluß durch die Transistoren 34 und 40, die Transformatorwicklung 44 und die Wicklung 48 während des Periodenteils Pl. Fig.4C zeigt den idealen Verlauf des Stromes, der durch die Diode 54, den Transistor 34, den Transformator 44 und die Wicklung 48 fließt, während des Periodenteils P2. Fig.4B zeigt den idealen Verlauf des Stromes durch den Transistor 34, während der Periodenteile Pl und P 2. Dieser stellt die Summe der Ströme der F i g. 4A und 4C dar. Gleiche Wellenform hat der Strom, der durch die Transistoren 36 und 38 bzw. die Diode 52 fließt
Aus F i g. 4D kann entnommen werden, daß der effektive Strom, der durch die beiden Wicklungen 46 und 48 fließt, ein kontinuierlicher Strom ist, wobei der Strom abwechselnd durch die Wicklung 46 und durch die Wicklung 48 fließt F i g. 4D stellt auch den Strom dar, mit dem die Stromquelle 42 (Vt) belastet wird. Die dargestellten Steigungen bzw. Neigungen des Stromverlaufes beruhen auf der Tatsache, daß die Induktivität der Drosselwicklungen 46 und 48 einen endlichen Wert hat Je größer die Induktivitätswerte werden, umso flacher ist der Stromverlauf und im Grenzfall ergeben sich die idealen Stromverläufe, wie sie in den F i g. 4A, 4B und AC dargestellt sind. Aus F i g. 4E kann auch entnommen werden, daß der kontinuierliche Strom, der durch den Transformator und die Transistoren 38 und 34 fließt, sich bei 180° umkehrt Die eingezeichneten Steigungen des Stromverlaufes sind die gleichen, wie sie für F i g. 4D beschrieben wurden. Da durch den Transformator ein kontinuierlicher Strom fließt, kann der Transformator bei gleicher Leistung wie bei den bekannten Anordnungen verkleinert werden.
Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 ist der Arbeitszyklus EOIVt = (Pt + P3)/Pund die momentane Spannungsbelastung (Vce) der Schaltung entspricht EO+ V!,fürein Maximum von2 V\.
Eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist in F i g. 5 dargestellt, welche eine Anpassung an die Spannungsbelastung erlaubt Bei der Schaltungsanordnung 32' sind die gleichen Teile wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform 32 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, die zusätzlich einen Strich haben. Bei dieser Schaltungsanordnung ist das Maximum von Vce = Vt. Die Schaltung hat vier Transistoren 34', 36', 38' und 40' und einen Transformator 44' sowie zusätzliche Schutzdioden 56' und 58'. Die Drosseispule mit den Wicklungen 46' und 48' ist jedoch in Serie zwischen dem Emitter des Transistors 34' und dem Kollektor des Transistors 38' angeordnet Die Verbindung zum Transformator 44' liegt zwischen diesen Wicklungen und den Schutzdioden, wobei die Diode 52' zwischen dem Verbindungspunkt der Wicklung 48' mit dem Kollektor des Transistors 38' und dem Potential 42' liegt, und die Diode 54' zwischen Erde 50' und dem Verbindungspunkt der Wicklung 46' mit dem Emitter des Transistors 34' liegt. Die Schutzdioden 56' und 58' werden dazu benötigt, einen Durchschlag der Transistoren 34' und 38' in Sperrichtung zu verhindern. Sie beeinflussen nicht die theoretische Wirkungsweise der Schaltungsanordnung.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung entspricht der anhand von F i g. 3 beschriebenen. Die Schaltfolge für die Periode Pist folgende:
Während des Periodenteils P1 sind die Transistoren 34' und 40' leitend, wobei ein Strom durch die Transformatorwicklung 44', die Diode 56' und die Wicklung 46' fließt. Während des Periodenteils P 2 ist der Transistor 34' gesperrt, während der Transistor 40' weiterhin leitend ist. Wenn der Transistor 34' gesperrt ist, fließt ein Freilaufstrom durch den Transformator 44', den Transistor 40', die Dioden 54' und 56' und die Wicklung 46'. Während des Periodenteils P3 sind die Transistoren 36' und 38' leitend, wobei ein Strom durch den Transformator 44', die Diode 58' und die Wicklung 48' in entgegengesetzter Richtung wie bei den Periodenteilen P1 und P 2 fließt. Während des Periodenteils P 4 bleibt auch der Transistor 36' leitend, während der Transistor 38' gesperrt ist, wobei nun ein Strom durch den Transistor 36', die Transformatorwicklung 44' und die Dioden 52' und 58' sowie durch die Wicklung 48' fließt.
Diese Schaltungsanordnung hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß nun die maximale Spannungsbelastung Vce = Vt ist. Da jedoch die Transistoren 36' und 40' je 180° leitend sind, muß darauf geachtet werden, daß bei / keine Stromüberlappung auftritt, welche das System zerstören könnte. Dies kann dadurch vermieden werden, daß der Transistor 36' kurz vor dem Ende des Periodenteils P 4 gesperrt wird. In gleicher Weise wird der Transistor 40' kurz vor dem Ende des Periodenteils P 2 gesperrt.
Dies bewirkt, daß eine Verweilzeit entsteht, wenn alle vier Transistoren gesperrt sind. Während dieser Zeitperiode erzeugt der Strom in den Wicklungen 46', 48' einen Freilaufstrom durch die Diode 52', die Stromquelle 42 (V 1) nach Erde 50' und die Diode 54'.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler, bei dem im Primärkreis eines Transformators eine Brückenschaltung mit vier steuerbaren Gleichrichtern und eine Drossel mit zwei Wicklungen angeordnet ist, wobei sich die eine Wicklung (46) der Drossel zwischen der Gleichspannungsquelle und dem angrenzenden steuerbaren Gleichrichter (38) des einen Brückenzweiges befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Wicklung (48) im anderen Brückenzweig hinter dem an die Gleichspannungsquelle angrenzenden steuerbaren Gleichrichter (40) angeordnet ist und daß zwei Freilaufdioden (52,54) antiparallel zu den steuerbaren Gleichrichtern (34, 36, 38, 40) so ingeordnet sind, daß durch die Primänvicklung (44) des Transformators kontinuierlich Strom in wechselnder Richtung fließt
2. Gegentakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Freilaufdioden (52) antiparallel zu einer Reihenschaltung der einen Wicklung (46) mit dem angrenzenden steuerbaren Gleichrichter (38) und der Primärwicklung (44) des Transformators und die andere Freilaufdiode (54) antiparallel zu einer Reihenschaltung der anderen Wicklung (48) mit dem weiteren steuerbaren Gleichrichter (36) des anderen Brückenzweigs geschaltet ist.
3. Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler, bei dem im Primärkreis eines Transformators eine Brückenschaltung mit vier steuerbaren Gleichrichtern und eine Drossel mit zwei Wicklungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß je eine der Wicklungen (46', 48') der Drossel in Reihe mit je einem derjenigen steuerbaren Gleichrichter (34', 38') liegt, die im gleichen Brückenzweig liegen, daß Schutzdioden (56', 58') in gleicher Durchlaßrichtung wie die steuerbaren Gleichrichter (34', 38') in Reihe zu den Drosselwicklungen vorgesehen sind, und daß antiparallel zu je einer Reihenschaltung der beiden Drosselwicklungen (46', 48') mit den beiden Schutzdioden (56', 58') und einem der steuerbaren Gleichrichter (34' bzw. 38') eine Freilaufdiode (52' bzw. 54') geschaltet ist.
DE3034693A 1979-09-19 1980-09-15 Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler Expired DE3034693C2 (de)

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