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Die Erfindung bezieht sich auf Gleichspannungswandler, die aus
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einem Brücken-Gegentaktwandler mit Halbleitern und mit Stromeinspeisung
über eine Drossel bestehen, für Leistungs-Schaltnetzteile.
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Gleichspannungswandler an sich bestehen in einer zweckmäßigen Abwandlung
ihrer Grundschaltung als Gegentakt-Durchflußwandler aus einer Gleichspannung in
Wechselspannung umformenden Reihen-Gegentaktschaltung mit zwei Transistoren (Halbbrücken-Gegentaktwandler)
oder einer Gegentakt-Vollbrücke mit vier Transistoren (Brücken-Gegentaktwandler)
und aus einem Transformator mit einer nachgeordneten, Wechselspannung in Gleichspannung
umformenden Gleichrichterschaltung und einer Ausgangsdrossel (s. ELEETRONIK, Bd.33,
Kontakt 8 Studium, Schaltnetzteile, Seiten 33 bis 37, expert-Verlag, 7031 Grafenau/Württ.).
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Die Transistoren des Halbbrücken-Gegentaktwandlers werden im Gegentakt
angesteuert. Im Anschluß an åede Leitphase sind beide Transistoren gesperrt und
es findet Entmagnetisierung der Ausgangsdrossel statt. Entsprechend arbeitet der
Brücken-Gegentaktwandler, bei dem die vier Transistoren der Vollbrücke paarweise
im Gegentakt angesteuert werden. Er liefert die gleiche Leistung wie der Halbbrücken-Gegentaktwandler,
die Sperrspannung der Transistoren ist jedoch nur halb so groß wie beim Halbbrücken-Gegentaktwandler.
Bei beiden Gegentaktwandlern ist der Aufwand für die Basissteuerkreise der einzelnen
Transistoren verhältnismäßig groß.
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Von diesem Stand der Technik unterscheiden sich stromgespeiste Gleichspannungswandler
mit den eingangs angegebenen Merkmalen dadurch, daß eine Drossel im Eingangs- oder
Gleichstromkreis der Gegentaktschaltung verwendet ist und die Ausgangsdrossel weggefallen
ist. Ein derartiger Gleichspannungswandler mit Brücken-Gegentaktwandler ist als
Leistungs-Schaltnetzteil zu verwenden und ist bekannt durch "Power-Conversion" ?9..,
Seite 5 (Bild 22).
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Um Transistoren wie auch Halbleiter allgemein als Schalter bei mittelhohen
Frequenzen, wie z.B. oberhalb des Hörbandes, betreiben und dabei mit deren Daten
besser ausnutzen zu können, sind eine optimale Ansteuerung sowie eine Entlastung
unerläßlich. Dazu nötige Mittel sind ebenfalls relativ aufwendig und müssen jedem
Halbleiter einzeln zugeordnet sein.
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Es besteht die Aufgabe, für ein Gleichrichtergerät und Gleichstromwandler
in geschalteter Technik (20 kEz) mit einer Leistung im kW-Bereich einen Gleichspannungswandler
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem die zur optimalen Ansteuerung
und zum Entlastungsschutz der Halbleiter sonst nötigen Mittel erläßlich oder wenigstens
gering sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein Gleichspannungswandler
der betreffenden Art die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale
aufweist, nämlich eine Stromeinspeisung des Brücken-Gegentaktwandlers über einen
der Drossel vorgeordneten Halbleiterschalter und zugleich Schaltregler eines Schaltnetzteils,
der optimal angesteuert wird und der mit einem veränderbaren Zeitabstand nach dem
Ein-Schaltzeitpunkt von zwei jeweils korrespondierenden Halbleitern des Brücken-Gegentaktwandlers
stromleitend und mit einem unveränderten Zeitabstand vor dem Ab-Schaltzeitpunkt
derselben Halbleiter stromsperrend geschaltet wird, welcher Halbleiterschalter mit
einem Entlastungsnetzwerk beschaltet ist, ferner eine Drossel, die eine zweite Wicklung
hat, die über eine Entkopplungsdiode mit dem Gleichrichterausgang des Gleichspannungswandlers
verbunden ist.
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Als Halbleiterschalter ist z.B. ein Schalttransistor zu verwenden,
der mit einer Schaltfrequenz geschaltet wird, die doppelt so hoch wie die Schaltfrequenz
der Halbleiter des Brükken-Gegentaktwandlers ist.
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Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das Windungszahlverhältnis
der Drossel kleiner als das Ubersetzungsverhältnis des Transformators des Gleichspannungswandlers
zu
wahlen (Patentanspruch 2), damit die Halbleiter des Brükken-Gegentaktwandlers nahezu
stromlos geschaltet werden können.
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Jeweils in der Zeitspanne (tu) kurz vor dem Abschalten der Transistoren
wird der Primärstrom des Transformators Null. Währenddessen findet ein Kommutierungsvorgang
statt, bei dem Transformator und Drossel parallelliegen und der Transformator durch
die Spannung an der Parallelschaltung abmagnetisiert wird, dl = = L4 . dI (L4 =
Transformatorinduktivität) Weiteren Ausgestaltungen der Erfindung entspricht es,
daß die Reihenschaltung des Halbleiterschalters und der Drossel einen Rückstrompfad
mit einer Clampingdiode hat, und daß zusätzlich auch die Reihenschaltung der Drossel
und des Brücken-Gegentaktwandlers einen Rückstrompfad mit einer Clampingdiode hat.
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Vorteile der Erfindung werden gesehen in der Möglichkeit, daß die
Leistung eines Schaltreglers oder eines Gerätes mit entsprechender Funktion in 20-kHz-Schalttechnik
erhöht werden kann, daß ferner nur einer der Schalttransistoren optimal angesteuert
und entlastet werden muß, und daß infolge der bei einem Gleichspannungswandler gemäß
der Erfindung geringen Schaltverluste ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
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Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß sich Unsymmetrieen,
bedingt durch unterschiedliche Schaltzeiten von Transistoren, nicht störend auswirken.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachstehend beschrieben. Es zeigt: Figur 1 die Schaltung eines stromgespeisten
Gleichspannungswandlers mit einem als Schaltregler eines Schaltnetzteils verwendeten
Halbleiterschalter; Figur 2 Zeitdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der
Schaltung nach Fig.1
Der Gleichspannungswandler nach Fig.1 besteht
zunächst aus einem über eine Drossel 2 mit Gleichstrom I eingespeisten Brücken-Gegentaktwandler
1 mit vier Transistoren 10 bis 13 in Brückenschaltung. Dem Gegentaktwandler 1 und
der Drossel, die zwei Wicklungen 20, 21 hat, ist ein Schalttransistor 3 vorgeordnet,
welcher optimal angesteuert wird.
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Der Schalttransistor 3 wird (s.Diagramm c) in der Fig.2) mit veränderbarem
Zeitabstand tv, wie ein Halbleiterschalter bei Phasenanschnittsteuerung mit veränderlichem
Steuerwinkel, nach dem Ein-Schaltzeitpunkt tE der zwei jeweils korrespondierenden
Transistoren des Brücken-Gegentaktwandlers, das sind die jeweils gleichzeitig stromleitenden
Transistoren 10 und 13 bzw.
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11 und 12 (vgl. Diagramme a) und b) in Fig.2) stromleitend gesteuert.
Hingegen wird der Schalttransistor 3 in einem unveränderten, d.h. gleichbleibenden
Zeitabstand tu vor dem Ab-Schaltzeitpunkt tA derselben Transistoren gesperrt. In
den Diagrammen a) bis c) sind die Einschaltzeiten für die Transistoren 10 bis 13
und für Transistor 3 dargestellt. Nach Fig.2 (Diagramm c) im Vergleich zu den Diagrammen
a) und b)) ist ersichtlich, daß Schalttransistor 3 mit der doppelten Frequenz der
Transistoren 10 bis 13 gesteuert wird.
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Der Gleichspannungswandler besteht ferner aus einem Spannungstransformator
4 mit einer Primärwicklung 40 und einer Sekundärwicklung 41, einem Gleichrichter5,
bestehend aus zwei Dioden 50, 51 in Mittelpunktschaltung und einem Glättungskondensator
52 am Gleichrichterausgang 53. Der Gleichrichter kann auch eine Brückenschaltung
sein. Mit dem Gleichrichterausgang 53 des Gleichspannungswandlers ist die zweite
Wicklung 21 der Drossel 2 über eine Entkopplungsdiode 22 verbunden. Das Windungszahlverhältnis
der Wicklungen 20 und 21 von 2 ist beispielsweise 1,5. Das Übersetzungsverhältnis
ü des Transformators 4 ist dagegen größer und kann beispielsweise 2,5 betragen.
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Zweckmäßig ist der Schalttransistor 3 mit einem Entlastungsnetzwerk
im Nebenschluß beschaltet. Im Nebenschluß der Reihenschaltung
von
2 und 3 liegt eine sogenannte Clampingdiode 6, die so gepolt ist, daß die Durchlaßrichtung
dem Gleichstrom des Schalttransistors 3 und der Drossel 2 entgegengerichtet ist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig.1 wird des
weiteren auf die Diagramme d) und e) der Fig.2 Bezug genommen. Diagramm d) veranschaulicht
den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung upr an der Primärwicklung 40 des Transformators
4.
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An der ersten Wicklung 20 der Drossel 2 liegt eine Wechselspannung
u2, deren zeitlicher Verlauf rechteckförmig ist und die dargestellt ist im Diagramm
e). Die zeitlichen Verläufe von upr(t) und u2(t) erstrecken sich über zwei Steuerperioden
der im Gegentakt gesteuerten Transistoren 10, 13 und 11, 12 des Gegentaktwandlers
1 hinweg, das sind vier Schaltperioden des Schalttransistors 3, dessen Schaltfrequenz
z.B. 40 kHz betragen kann.
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Nach dem Einschaltzeitpunkt tE der Steuerströme für die Transistoren
10 und 13 von 1 liegen im stationären Betrieb im Zeitraum tv bis zum Einschalten
des Schalttransistors 3 gleich große Spannungen upr und u2 am Transformator 4 und
an der Drossel 2.
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Beim Einschalten des Gleichstromes des Gleichspannungswandlers mittels
des Schalttransistors 3 wechselt u2 die Polarität, so daß upr vorübergehend den
Wert der vollen Betriebsgleichspannung UB des Gleichspannungswandlers hat (Kommutierung).
Anschließend bis zum Zeitpunkt tA haben upr und u2 positive Polarität, dabei werden
der Primärstrom i in der Primärwicklung 40 von 4 und pr der Gleichstrom I2 in 2
linear zunehmend größer. Beim Abschalten des Stromes mittels 3 fällt upr auf den
Spannungswert |u2| ab, und u2 wechselt die Polarität. Unter der Wirkung der Spannung
u2 mit nunmehr negativer Polarität an der ersten Drosselwicklung 20 fließt ein linear
wieder abnehmender Freilaufstrom IF aus der hierzu gegensinnig aufgebrachten Wicklung
21 (s.Fig.1) über die Entkopplungsdiode 22 zum Gleichrichterausgang 53 des
Gleichspannungswandlers.
Die Transistoren 10, 13 des Gegentaktwandlers 1 sind noch eine Zeitlang (tu) angesteuert,
aber sind stromfrei. Im Zeitpunkt tA werden die Transistoren 10 und 13 durch Wegnahme
ihres Steuerstromes stromfrei ausgeschaltet und durch die volle Betriebsgleichspannung
beaufschlagt. Daraufhin, nach einer kurzen Schonzeit t5, werden die Transistoren
11 und 12 durch Zuführung von Steuerstrom stromleitend geschaltet, wodurch die negative
Spannung upr auf den immer noch negativen Spannungswert von u2 absinkt.
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Von nun an, zunächst bis zum Abschalten des zweiten Gleichstromblockes
mittels 3, wiederholen sich die vorangehend beschriebenen Vorgänge, ohne daß upr
seine Polarität ändert.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Vorgänge während einer Schaltperiode
der Transistoren des Gegentaktwandlers 1 ergibt sich, daß abwechselnd jeweils zwei
dieser Transistoren gleichzeitig mit dem Schalttransistor 3 stromleitend sein können.
Beim Abschalten von 3 werden die betreffenden Transistoren stromfrei und bleiben
stromfrei bis zum Wiedereinschalten von 3. Währenddessen ist die Spannung u2 an
der Drossel 2 negativ, und die Drossel 2 kann Energie an die Last abgeben, wobei
u2 begrenzt ist.
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Es besteht somit der Vorteil, daß die Transistoren des Gegentaktwandlers
stromfrei ein- und abschaltbar sind. Dadurch wird es möglich, die Leistung der Schaltregler
und Geräte in Mittelfrequenz-Schalttechnik zu erhöhen, wobei nur der Schalttransistor
3 optimal gesteuert wird. Infolge der hierbei verringerten Schaltverluste ergibt
sich eine nutzbare Erhöhung des Wirkungsgrades.
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Die aus Fig.1 ersichtlichen Rückstrompfade 6 und 6' mit je einer sogenannten
Clampingdiode 61 bzw. 61' sind dazu vorgesehen, damit das Potential im Mittelpunkt
M der Schaltung und am Kollektor von 3 nicht negativer als die Minusschiene bzw.
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nicht positiver als die Plusschiene der Betriebsgleichspannung UB
werden kann.
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