DE3134628A1 - Switched-mode power supply - Google Patents

Switched-mode power supply

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Abstract

The invention relates to a switched-mode power supply having a storage capacitor and having a storage inductance. It is based on the principle of the flyback converter with a variable clock sequence (pulse sequence). The parallel circuit comprising a suitably dimensioned series-resonant circuit and the semiconductor switch or the storage inductance makes it possible for the semiconductor switch to be opened at a time at which both the current flowing through it and its instantaneous rate of rise assume the value zero. Transistors and, without additional self-commutated circuits, thyristors can also be used as the semiconductor switches. In conjunction with a tuned-circuit monitoring circuit, a control circuit (regulating circuit) changes the semiconductor switch into the conductive state when required. If a transistor is used as a semiconductor switch, a protection circuit ensures that the base current or the gate voltage is not disconnected until the current minimum is reached. The replacement of the storage inductance and the series-resonant circuit inductance by a suitable transformer allows potential isolation of the input and output voltages.

Description

SCHALTNETZTE I ;-SWITCHING MAINS I; -

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Speicherkondensator und mit einer Speicherinduktivität.The invention relates to a switched-mode power supply with a storage capacitor and with a storage inductance.

Schaltnetzteile, die eine Eingangsspannung UE in eine konstante Ausgangsspannung UA umwandeln, arbeiten nach dem Prinzip, daß der Eingangsspannungsseite eine bestimmte Energiemenge entnommen und dem Speicherkondensator der Ausgangsspannungsseite zugeführt wird. Die zu überführende Energie wird dazu im allgemeinen in magnetische Energie stromdurchflossener Induktivität zwischengespeichert. Die Energieübertragung von der Eingangs- zur -Ausgangsseite kann dabei während der Schließzeit des Schalters (Durchflußwandler) oder nach dem Öffnen des Schalters (Sperrwandler) erfolgen. Um unterschiedliche Belastungen der Ausgangsspannung auszuregeln, sind zwei Verfahren ublich: -- Die Energieübertragung erfolgt mit fester Taktfrequenz, wobei die der Eingangsspannung entnommene Energiemenge von der Belastung der Ausgangsspannung abhängt.Switching power supplies that convert an input voltage UE into a constant output voltage Convert UA, work on the principle that the input voltage side has a certain Amount of energy taken and fed to the storage capacitor on the output voltage side will. The energy to be transferred is generally converted into magnetic energy current-carrying inductance buffered. The transfer of energy from the input to the output side can be done during the closing time of the switch (Forward converter) or after opening the switch (flyback converter). Around To regulate different loads on the output voltage are two methods Usually: - The energy transfer takes place with a fixed clock frequency, whereby the Input voltage amount of energy taken from the load on the output voltage depends.

-- Die der Eingangsspannung entnommene Energiemenge ist konstant, die Taktfrequenz hängt von der Belastung der Ausgangsspannung ab.- The amount of energy drawn from the input voltage is constant, the clock frequency depends on the load on the output voltage.

Die Vorteile von Schaltnetzteilen kommen vor allem dann zum Tragen,wenn' die maximale Taktfolge möglichst hoch gewählt werden kann. Die ubertraghare Leistung steigt, das Volumen der magnetischen Bauelemente sinkt mit steigender Taktfolge. Da aber bcim Abschalten eines Stromes durch eine Induktivität am Schalter kurzzeitig eine hohe Verlustleistung auftritt, wächst die Belastung des Schalters mit steigender Taktfolge. Die beim Abschalten entstehenden Spannungs-Impulsspitzen können die Funktion anderer elektronischer Bauelemente storen. Die Verwendung von Thyristoren als Halbleiterschalter wird beim Abschalten eines sie durchfließenden Stromes nur durch Verwendung von Zwangskommutierungsschaltungen ermoglicht.The advantages of switching power supplies come into play particularly when ' the maximum clock rate can be selected as high as possible. The transferable performance increases, the volume of the magnetic components decreases with increasing cycle rate. But since bcim switching off a current through an inductance at the switch for a short time If a high power loss occurs, the load on the switch increases as it increases Clock sequence. The voltage pulse peaks that occur when switching off can impair the function other electronic components interfere. The use of thyristors as semiconductor switches is only activated when a current flowing through it is switched off by using Forced commutation circuits possible.

Zur teilweisen Behebung dieser Nachteile sind folgende Möglichkeiten bekannt: Spezielle Schaltungen sind entwickelt worden, um die hohen Verlustleistungen am Halbleiterschalter zu vermindern (Zeitschrift "Elektroniker" D Nr.The following options are available to partially remedy these disadvantages known: Special circuits have been developed to deal with the high power losses to be reduced at the semiconductor switch (magazine "Elektroniker" D No.

10/1980 S. 31,32). Allerdings fließt zum Zeitpunkt des Abschaltens durch-den Schalter noch der volle Strom, sodaß bei Verwendung von Thyristoren als Halb- -leiterschaltern zusätzliche Schaltungen zur Zwangskommutierung erforderlich werden Kommutierungsschaltungen mit Serienresonanzkreisen für den Einsatz von Thyristoren in Gleichstromkreisen sind bekannt (Renucci, Thyristoren und Triacs, 1975, S. 49), doch fehlen Bemessungsregeln, die einen Bezug der dort als allgemein dargestellten Last zu diesem Serienresonanzkreis herleiten. Insbesondere fehlt die Kombination des Serienresonanzkreises mit der Last zu einem Schaltnetzteil mit Speicherinduktivität.10/1980 p. 31,32). However, flows at the time of shutdown through the switch still the full current, so that when using thyristors as Semiconductor switches require additional circuits for forced commutation will Commutation circuits with series resonance circuits for the The use of thyristors in direct current circuits is known (Renucci, thyristors and Triacs, 1975, p. 49), but there are no design rules that relate to the there derive as a generally represented load for this series resonance circuit. In particular there is no combination of the series resonance circuit with the load to form a switched-mode power supply with storage inductance.

Für Serienresonanzwandler, die Thyristoren als Halbleiterschalter zulassen existieren Schaltungen (Thyristors Application Note, RCA AN-6783), die nur als Durchflußwandler mit fester Taktfrequenz arbeiten und zwei Thyristoren als Schalter erfordern. Abgesehen davon schalten diese Thyristoren im Nulldurchgang eines sinusformigen Stromes um - d.h. im Bereich maximaler Stromanderung - , was kurze Schaltzeiten der Thyristoren erforderlich macht.For series resonance converters, the thyristors as semiconductor switches There are circuits (Thyristor Application Note, RCA AN-6783) that allow only work as a forward converter with a fixed clock frequency and two thyristors as Require switches. Apart from that, these thyristors switch in the zero crossing of a sinusoidal current by - i.e. in the range of maximum current change - what makes short switching times of the thyristors necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltungsprinzip zu entwickeln,das es gestattet, den Halbleiter schalter im stromlosen Zustand zu offnen. Zusatzlich soll aber zum Zeitpunkt des Öffnens des Halbleiterschalters der Wiederanstieg des Stromes den Wert Null, der Strom selbst also sein Minimum einnehmen.The invention is based on the object of providing a circuit principle develop that allows the semiconductor switch to be opened in the de-energized state. In addition, however, the increase should occur again at the time the semiconductor switch is opened of the current has the value zero, the current itself therefore assume its minimum.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zum Halbleiterschalter oder zur Speicherinduktivität ein Serienresonanzkreis geschaltet ist, dessen Induktivität in einem solchen Verhältnis zu der Speicherinduktivität steht, daß nach dem Schließen des Halbleiterschalters dieser erst wieder geöffnet werden kann, wenn der ihn durchfließende Strom sowohl sein erstes Minimum als auch den Wert Null erreicht Der Halbleiterschalter kann ein Thyristor, ein bipolarer Transistor oder ein Feldeffekttransistor sein. Beim Einsatz eines Transistors dient eine Uberwachungsschaltung dazu, die Abschaltung des Basisstroms bzw. der Gatespannung vor Erreichen des Stromminimums zu verhindern. Eine weitere Überwachungsschaltung dient dazu, das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters zu verhindern, solange die Energieübertragung in den Ausgangskreis andauert.This object is achieved in that parallel to Semiconductor switch or a series resonant circuit connected to the storage inductance is, its inductance in such a ratio to the storage inductance it says that after the semiconductor switch is closed, it is only opened again can become when the current flowing through it is both its first minimum and reaches the value zero The semiconductor switch can be a thyristor, a bipolar Be a transistor or a field effect transistor. When using a transistor it is used a monitoring circuit to switch off the base current or the gate voltage to prevent before reaching the minimum current. Another monitoring circuit serves to prevent the semiconductor switch from being switched on again for as long the energy transfer to the output circuit continues.

Die der Erfindung zugrunde liegende Schaltung beruht auf dem Prinzip des Sperrwandlers mit variabler Taktfolge.The circuit on which the invention is based is based on the principle of the flyback converter with variable clock rate.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind: --- Da der Schalter während des gesamten Abschaltvorganges praktisch stromlos ist, fällt an ihm eine vernachlässigbare Verlustleistung ab.The advantages that can be achieved with the invention are: --- As the switch is practically de-energized during the entire shutdown process, one falls on him negligible power loss.

--- Da der Abschaltvorgang in den Bereich des Stromminimums fällt, bei dem der Stromanstieg sehr klein ist, kann der Abschaltvorgang bei vorgegebener Verlustleistung am Schalter relativ lange dauern.--- Since the shutdown process falls within the range of the current minimum, in which the increase in current is very small, the shutdown process can be performed at a given Power loss at the switch take a relatively long time.

--- Die Abschaitung im stromlosen Zustand läßt die Verwendung von Thyristoren als Halbleiter schaltern ohne zusätzliche Zwangskommutierungsschaltungen zu, da der Haltestrom des jeweiligen Thyristors sicher un- -terschritten werden kann.--- The disconnection in the de-energized state allows the use of Thyristors as semiconductors switch without additional forced commutation circuits too, since the holding current of the respective thyristor will certainly not be exceeded can.

--- Die Abschaltung im Stromminimum verhindert das Auftreten von Störspannungsimpulsen, da sie induktiv bedingt und der momentanen Stromänderung proportional sind.--- The shutdown in the current minimum prevents the occurrence of interference voltage pulses, because they are inductive and proportional to the instantaneous change in current.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.

Figur 1 zeigt eine Schaltung mit zur Speicherinduktivität LS parallelgeschaltetem Serienresonanzkreis, bestehend aus der Induktivität L und dem Kondensator C.FIG. 1 shows a circuit with a circuit connected in parallel with the storage inductance LS Series resonant circuit, consisting of the inductance L and the capacitor C.

Zum Zeitpunkt t = 0 wird die Schaltung mittels eines Halbleiterschalters S an die Eingangsspannung UE gelegt. Für den Strom durch den Halbleiter schalter ergibt sich dann (zum leichteren Verständnis werden ideale verlustfreie Bauelemente vorausgesetzt): Der Strom IS durch den Halbleiterschalter S ergibt sich als Summe der die Speicherinduktivität LS und den Serienresonanzkreis L,C durchfließenden Ströme IS = ILS + IL,C . Für die Anderung des den Halbleiter schalter S durchfließenden Stromes gilt dann: Is = ILS + IL,C .At time t = 0, the circuit is switched on by means of a semiconductor switch S applied to the input voltage UE. For the current through the semiconductor switch This then results (for easier understanding, ideal lossless components are used provided): The current IS through the semiconductor switch S results as the sum the storage inductance LS and the series resonant circuit L, C flowing through Currents IS = ILS + IL, C. For the change of the semiconductor switch S flowing through Current then applies: Is = ILS + IL, C.

Für die Ströme ILS bzw. IL,C C gelten die bekannten Beziehungen: ILS = (UE/LS)t 1L5 = UE/LS Fordert man jetzt für den Zeitpunkt ts, bei dem der Halbleiterschalter S öffnen soll, daß sowohl der ihn momentan durchfließende Strom IS als auch dessen momentane'zeitliche Anderung IS jeweils den Wert Null annehmen, so erhält man die Beziehungen: 1LS = - I und 1 = - 1 Setzt man diese Bedingungen in die obigen Beziehungen ein, erhalt man für die Zeit ts, die seit dem Schließen des Halbleiterschalters S vergangen ist und für die beide Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: Die im vorliegenden Fall interessierende Lösung (das erste Minimum des Stromes IS durch den Halbleiterschalter S) lautet: Gleichzeitig ergibt sich, daß nur dann beide Bedingungen simultan erfüllt werden können, wenn Speicherinduktivität LS und Serienresonanzinduktivität L in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen und zwar: LS = 4,6L Beide Beziehungcn, sowohl das Verhältnis zwischen Ls und L als auch die Zeit t s vom Schließen des Halbleiterschalters S bis zum ersten Stromminimum sind von der Betriebsspannung UE unabhängigl Der maximale Strom, welcher den Halbleiterschalter S während der Einschaltzeit durchfließt, beträgt Er tritt zum Zeitpunkt nach dem Einschalten des'Halbleiterschalters S auf.The known relationships apply to the currents ILS or IL, CC: ILS = (UE / LS) t 1L5 = UE / LS If one demands for the point in time ts at which the semiconductor switch S is to open that both the current IS currently flowing through it and its current change IS take on the value zero, then one obtains the relationships: 1LS = - I and 1 = - 1 If you insert these conditions into the above relationships, you get for the time ts that has passed since the closing of the semiconductor switch S and for which both conditions are fulfilled at the same time: The solution of interest in the present case (the first minimum of the current IS through the semiconductor switch S) is: At the same time, it follows that both conditions can only be met simultaneously if the storage inductance LS and series resonance inductance L are in a certain ratio to one another, namely: LS = 4.6L Both relationships, both the ratio between Ls and L and the time ts from Closing the semiconductor switch S up to the first current minimum is independent of the operating voltage UE. The maximum current which flows through the semiconductor switch S during the switch-on time is He occurs at the time after switching on the semiconductor switch S.

Zum Zeitpunkt ts des Öffnens des Halbleiterschalters S ist 1 = - IL,C C L,C Das weitere Verhalten der Schaltung nach dem Öffnen des Halbleiterschalters S entspricht dem eines Schwingkreises mit der Induktivität Lx = LS + L und der Kapazität Cx = C Setzt man für diesen Schwingkreis die Anfangsbedingungen (zum Zeitpunkt ts) ein, erhalt man: Sobald die Spannung Uc großer wird als die Summe der Eingangsspannung UE und der am Speicherkondensator CSP. liegenden Ausgangsspannung UA, wird über die Sp.At the time ts when the semiconductor switch S opens, 1 = - IL, C CL, C The further behavior of the circuit after opening the semiconductor switch S corresponds to that of an oscillating circuit with inductance Lx = LS + L and capacitance Cx = C If the initial conditions (at time ts) are used for this oscillating circuit, one obtains: As soon as the voltage Uc is greater than the sum of the input voltage UE and that at the storage capacitor CSP. lying output voltage UA, is via the Sp.

Diode D der Speicherkondensator C5p. nachgeladen.Diode D of the storage capacitor C5p. reloaded.

Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Potentialtrennung zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangsspannung UA Die Induktivitäten LS bzw. L (siehe Figur 1) sind als Übertrager Ü bzw. Ü ausgeführt. Durch geeignete Wahl der (jeweils glei-5 chen) Übersetzungsverhältnisse zwischen Primãr- und Sekundärwicklung der ttbertrager Üs bzw. U kann UA beliebig gewählt werden.Figure 2 shows a possibility of potential separation between input voltage UE and output voltage UA The inductances LS and L (see Figure 1) are as Transformer Ü or Ü executed. By suitable choice of the (always the same) gear ratios UA can be arbitrarily between the primary and secondary winding of the transformer Üs or U to get voted.

Figur 3 zeigt die Ausführung des Schaltnetzteils nach Figur 1 mit angeschlossener Regel- , Schwingkreisüberwachungs- und Schutzschaltung.FIG. 3 shows the embodiment of the switched-mode power supply according to FIG connected control, resonance circuit monitoring and protection circuit.

Sinkt die Ausgangsspannung UA am Speicherkondensator Csp. unter den Sollwert, wird durch die Regelschaltung R über den Optokoppler (wichtig bei Potentialtrennung zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangsspannung UA nach Figur 2) das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters S angefordert. Wird dafür zusatzlich die Erlaubnis durch die Schwingkreisüberwachungsschaltung W gegeben, wird der Halbleiterschalter S mit einem Steuerimpuls in den leitenden Zustand versetzt. Bei einem Thyristor als Halbleiter schalter dauert der Steuerimpuls gerade so lange, bis der Haltestrom des verwendeten Thyristors erreicht ist. Wird ein Transistor als Halbleiterschalter verwendet, gibt die Schutzschaltung Sch. einen Steuerimpuls der Zeitdauer ab, oder mißt alternativ dazu den Strom IS durch den Halbleiterschalter S (den Transistor) und beendet den Steuerimpuls bei Erreichen des Stromminimumus.If the output voltage UA at the storage capacitor Csp. below the setpoint, the control circuit R via the optocoupler (important in the case of electrical isolation between input voltage UE and output voltage UA according to FIG. 2) requests that the semiconductor switch S be switched on again. If the resonance circuit monitoring circuit W also gives permission for this, the semiconductor switch S is switched to the conductive state with a control pulse. With a thyristor as a semiconductor switch, the control pulse lasts just long enough until the holding current of the thyristor used is reached. If a transistor is used as a semiconductor switch, the protective circuit Sch. a control pulse of duration or alternatively measures the current IS through the semiconductor switch S (the transistor) and terminates the control pulse when the current minimum is reached.

Die Funktion der Schwingkreisüberwachungsschaltung W ist folgende: Nach dem Öffnen des Halbleiter schalters S erfolgt die Energieübertragung in den Speicherkondensator CSp., wobei der Halbleiter schalter S während dieser Sp.The function of the resonant circuit monitoring circuit W is as follows: After opening the semiconductor switch S, the energy is transferred to the Storage capacitor CSp., The semiconductor switch S during this Sp.

Zeit nicht wieder in den leitenden Zustand versetzt werden darf. Nach der Energieauskopplung verbleibt im Schwingkreis, bestehend aus LX und Cx die Restenergie O,5.C.UA2. Diese führt zu (gedämpften) Schwingungen. Wird jetzt der Halbleiter schalter erneut geschlossen, kann in Abhangigkeit von den momentanen Spannungs- bzw. Stromverhältnissen im Schwingkreis das nachste sich einstellende Stromminimum durch den Halbleiterschalter nicht exakt bei dem Wert Null dieses Stromes, sondern bei einem positiven oder negativem Strom liegen. Die Schwingkreisüberwachungsschaltung W erlaubt nur dann das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters S, wenn das nachste Stromminimum durch den Halbleiterschalter S mit dem Verschwinden dieses Stromes verbunden ist.Time must not be returned to the conductive state. To the energy extraction remains in the resonant circuit, consisting of LX and Cx the residual energy O, 5.C.UA2. This leads to (damped) vibrations. Now becomes the semiconductor switch closed again, depending on the current voltage or current conditions the next occurring current minimum in the resonant circuit through the semiconductor switch not exactly at the value zero of this current, but at a positive or negative one Electricity. The resonant circuit monitoring circuit W only then allows it to be switched on again of the semiconductor switch S when the next minimum current through the semiconductor switch S is connected with the disappearance of this current.

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Claims (4)

Patentansprüche Schaltnetzteil mit einem Speicherkondensator und mit einer Speicherinduktivität, die über einen Halbleiterschalter zeitweise mit einer Gleichspannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Halbleiterschalter (S) oder zur Speicherinduktivität (Ls) ein Serienresonanzkreis (L,C) geschaltet ist, dessen Induktivität (L) in einem solchen Verhältnis zu der Speicherinduktivität (Ls) steht, daß nach dem Schließen des Halbleiterschalters (S) dieser erst wieder geöffnet werden kann, wenn der ihn durchfließende Strom (ins) sowohl sein erstes Minimum als auch den Wert Null erreicht. Claims switching power supply with a storage capacitor and with a storage inductance, which is temporarily connected via a semiconductor switch a DC voltage is applied, characterized in that parallel to Semiconductor switch (S) or a series resonance circuit for storage inductance (Ls) (L, C) is connected, its inductance (L) in such a ratio to the Storage inductance (Ls) stands that after closing the semiconductor switch (S) this can only be opened again when the current flowing through it (ins) reaches both its first minimum and the value zero. 2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (S) ein Thyristor ist. 2. Switching power supply according to claim 1, characterized in that the Semiconductor switch (S) is a thyristor. 3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 mit einem Transistor als Halbleiterschalter, gekennzeichnet durch eine Schutzschaltung (Sch.), die das Abschalten des Basisstroms bzw. der Gatespannung des Transistors vor dem Erreichen des Minimums des den Transistor durchfließenden Stroms (ins) verhindert. 3. Switching power supply according to claim 1 with a transistor as a semiconductor switch, characterized by a protective circuit (Sch.), which switches off the base current or the gate voltage of the transistor before reaching the minimum of the transistor current flowing through (ins). 4. Schaltnetzteil nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Regelschaltung (R) und eine Uberwachungsschaltung (W), die eine Wiedereinschaltung des Halbleiterschalters (S) nur dann gestatten, wenn erstens die Ausgangsspannung den Sollwert unterschreitet und zweitens das dem Wiedereinschalten folgende Stromminimum des den Halbleiterschalter (S) durchfließenden Stroms (ins) mit dem Wert Null dieses Stroms verbunden ist. 4. Switching power supply according to claim 2 or 3, characterized by a Control circuit (R) and a monitoring circuit (W) that switch on again of the semiconductor switch (S) only allow if, firstly, the output voltage falls below the setpoint and, secondly, the minimum current following switching on again of the current (ins) flowing through the semiconductor switch (S) with the value zero of this Stroms is connected.
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