DE3136024A1 - Single-ended DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
Eintakt-Gleichstromumrichter Single-ended DC converter
Die Erfindung betrifft einen Eintakt-Gleichstromumricher, der nach dem Durchflußumrichterprinzip arbeitet, mit einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, einem Schalttransistor, der in Reihe zur Primärwicklung des Transformators liegt und einer Speicherdrossel. Ein solcher Umrichter ist bekannt (DE-PS 26 24 800).The invention relates to a single-ended direct current converter, according to works on the flow converter principle, with a transformer for galvanic Separation of input and output, a switching transistor in series with the primary winding of the transformer and a storage choke. Such a converter is known (DE-PS 26 24 800).
Bei Eintakt-Gleichstromumrichtern, die mit asymmetrischen Stromimpulsen arbeiten, muß die im Transformator gespeicherte Magnetisierungsenergie auf eine Spannung abgegeben werden, die sofort nach dem Anlegen der Eingangsspannung vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, so kommt der Transformator in die Sättigung und der Schalttransistor wird zerstört. Um dies zu vermeiden, wird die Magnetisierungsenergie des Transformators zweckmäßigerweise auf die Eingangsspannung des Gleichstromumrichters abgegeben. Eine Schaltung, die nach diesem Prinzip arbeitet ist hinlänglich bekannt (Schaltnetzteile, Joachim Wüstehube u.a., Expert Verlag, Grafenau, 1979, Seite 41, Bild 2.1. nebst zugehöriger Beschreibung). Der Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors mit dem doppelten Wert der Etngangsspannung beansprucht wird, falls Primärwicklung des Transformators und Entmagnetisierungswicklung gleiche Windungszahlen aufweisen. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Transformator bei einem Spannungswandler eine relativ große Induktivität besitzen muß, damit der Magnetisierungsstrom, der zusammen mit dem transformierten Laststrom durch den Schalttransistor fließt, relativ klein bleibt.For single-ended direct current converters with asymmetrical current pulses work, the magnetization energy stored in the transformer must be reduced to a Voltage that is present immediately after the input voltage is applied is. If this is not the case, the transformer saturates and the Switching transistor will be destroyed. To avoid this, the magnetization energy of the transformer expediently to the input voltage of the DC converter submitted. A circuit that works on this principle is well known (Switching power supplies, Joachim Wüstehube et al., Expert Verlag, Grafenau, 1979, page 41, Picture 2.1. along with related Description). The disadvantage of this design is that the collector-emitter path of the switching transistor with twice The value of the input voltage is claimed if the transformer is primary winding and demagnetization winding have the same number of turns. Another disadvantage is that the transformer in a voltage converter has a relatively large inductance must have so that the magnetizing current, which together with the transformed Load current flowing through the switching transistor remains relatively small.
Bei der Schaltung gemäß DE-PS 26 24 800 wird die Entmagnetisierungsspannung durch eine spezielle Beschaltung und eine spezielle Bemessung des Tastgrades des Schalttransistors begrenzt. Die Steuerschaltung dazu ist aufwendig. Außerdem ist bei dieser Schaltung im Sekundärkreis eine hohe Glättungsinduktivität nötig.In the circuit according to DE-PS 26 24 800, the demagnetizing voltage is through a special circuit and a special dimensioning of the duty cycle of the Switching transistor limited. The control circuit for this is complex. Also is A high smoothing inductance is necessary for this circuit in the secondary circuit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Eintakt-Gleichstromumrichter eingangs genannter Art anzugeben, dessen Transformator eine relativ kleine Induktivität aufweisen darf und dessen Schalttransistor für geringere Sperrspannung ausgelegt sein kann.The invention is therefore based on the object of a single-ended direct current converter Specify the type mentioned at the beginning, whose transformer has a relatively small inductance may have and whose switching transistor is designed for a lower reverse voltage can be.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the invention are the subject of the subclaims.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die geringere Spannungsbeanspruchung des Schalttransistors. Außerdem kann bei gleichem Magnetisierungsstrom die Induktivität des Stromwandlers kleiner sein als die eines Spannungswandlers, was sich auf die Abmessungen des Transformators gUn- stig auswirkt. Eine Vormagnetisierung des Stromwandlers durch asymmetrische Stromimpulse führt nicht zur Zerstörung des Schalttransistors, auch nicht bei vollständiger Sättigung des Stromwandlers.The lower voltage stress is advantageous in the solution according to the invention of the switching transistor. In addition, with the same magnetizing current, the inductance of the current transformer must be smaller than that of a voltage transformer, which affects the Dimensions of the transformer gUn- stig. A premagnetization of the current transformer by asymmetrical current pulses does not lead to the destruction of the Switching transistor, not even when the current transformer is completely saturated.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 einen Durchflußumrichter mit galvanisch getrennter Entmagnetisierungswicklung, Fig. 2 die Stromverläufe des Durchflußumrichters nach Fig. 1, Fig. 3 einen Durchflußumrichter mit einer Beschaltung zur Abgabe der Magnetisierungsenergie und Fig. 4 einen Durchflußumrichter mit Abgabe der Entmagnetisierungsenergie auf den Lastwiderstand.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. Included shows: Fig. 1 a flow converter with galvanically separated demagnetization winding, FIG. 2 shows the current curves of the flow converter according to FIG. 1, FIG. 3 shows a flow converter with a circuit for outputting the magnetization energy and FIG. 4 a flow converter with the release of the demagnetization energy on the load resistance.
Der Durchflußumrichter nach Fig. 1 besitzt als Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang einen Stromwandler Tr, der eine kleine Induktivität aufweist. Die Primärwicklung wI dieses Stromwandlers Tr ist in Serie zur Primärwicklung will einer Sperrwandlerdrossel Dr geschaltet.The flow converter according to Fig. 1 has as a transformer for galvanic Separation of input and output a current transformer Tr, which has a small inductance having. The primary winding wI of this current transformer Tr is in series with the primary winding wants a flyback converter choke Dr connected.
Zu diesen beiden Wicklungen Liegt der Schalttransistor Ts in Serie an der Eingangsspannung-UE. Mittels der Schalteinrichtung S wird der Schalttransistor Ts leitend gesteuert. Für die Schalteinrichtung S kann beispielsweise die integrierte Steuerschaltung TDA 14700 verwendet werden.The switching transistor Ts is in series with these two windings at the input voltage UE. By means of the switching device S, the switching transistor Ts controlled. For the switching device S, for example, the integrated Control circuit TDA 14700 can be used.
Die Primärwicklung wI und die Sekundärwicklung wII des Stromwandlers Tr haben gleichen Wicklungssinn, wohingegen der Wicklungssinn von Primärwicklung wIII und Sekundärwicklung wIV bei der Sperrwandlerdrossel entgegengesetzt ist.The primary winding wI and the secondary winding wII of the current transformer Tr have the same direction of winding, whereas the direction of winding of the primary winding wIII and secondary winding wIV are opposite in the flyback converter choke.
Die Ubersetzungsverhältnisse ü1 1 = wI/wII und ü2 = wIII/wIV sind bei beiden Übertragern (Stromwandler und Sperrwandlerdrossel) gleich groß. Bei lel4>endem Schalttransistor Ts wird der fließende Kollektorstrom iCTS (Fig. 2, Zeile@) durch die Induktivität der Primärwicklung will der Sperrwandlerdrossel Dr bestimmt. Der Kollektorstrom wird durch den Stromwandler Tr transformiert und fließt über das Gleichrichterelement Gr1 als Strom iGr1 auf den Lastwiderstand R am Ausgang (Fig. 2, Zeile ).The transmission ratios ü1 1 = wI / wII and ü2 = wIII / wIV are the same size for both transformers (current transformer and flyback converter choke). At lel4> endem Switching transistor Ts the flowing collector current iCTS (Fig. 2, line @) the flyback converter choke wants to be caused by the inductance of the primary winding Dr determined. The collector current is transformed by the current transformer Tr and flows via the rectifier element Gr1 as current iGr1 to the load resistor R at the output (Fig. 2, line).
Wird der Schalttransistor Ts über die Schalteinrichtung S gesperrt, fließt kein Strom mehr über das Gleichrichterelement Gr1 (iGr = 0). Gleichzeitig gibt nun die Sperrwandlerdrossel Dr ihre gespeicherte Energie über ihre Sekundärwicklung wIV und das ihr nachgeschaltete Gleichrichterelement Gr2 auf den Lastwiderstand R ab. Es fließt ein Strom iGr2 (Fig. 2, Zeile Qc ). Aufgrund der gleichen Übersetzungsverhältnisse u 1 = ü2 von Stromwandler Tr und Sperrwandlerdrossel Dr ist der Spitzenwert des Energieabgabestroms Gr2 gleich groß wie der Spitzenwert des zuvor in der Flußphase geflossenen Stromes iGr2 Es fließt ein stetiger Strom ohne Sprünge oder Lücken. Der auf den Lastwiderstand R fließende Strom il = i + iGr2 (Fig. 2, Zeile Od ) enthält den Ausgangsgleichstrom 10 und den überlagerten Wechselstrom, der sich aus den Steigungen der Ströme iGr1 und iGr2 ergibt.If the switching transistor Ts is blocked via the switching device S, no more current flows through the rectifier element Gr1 (iGr = 0). Simultaneously the flyback converter choke Dr now gives its stored energy via its secondary winding wIV and its downstream rectifier element Gr2 on the load resistance R off. A current iGr2 flows (FIG. 2, line Qc). Because of the same gear ratios u 1 = ü2 of current transformer Tr and flyback converter choke Dr is the peak value of the Energy output flow Gr2 is the same as the peak value of the previously in the flow phase flowing current iGr2 A steady current flows without jumps or gaps. The current flowing to the load resistor R contains i = i + iGr2 (FIG. 2, line Od) the output direct current 10 and the superimposed alternating current, which results from the slopes of currents iGr1 and iGr2 results.
Der Wechselstrom wird auf den Ladekondensator C1 angegeben.The alternating current is specified on the charging capacitor C1.
Nach dem Sperren des Schalttransistors Ts gibt der Stromwandler Tr seine Magnetisierungsenergie über eine auf dem Kern von Tr befindliche Entmagnetisierungswicklung wV und ein Gleichrichterelement Gr3, durch das der Strom iGr3 (Fig. 2, Zeile # ) fließt, an ein Schaltmittel M ab. Das Schaltmittel M kann, wie in Fig. 1 dargestellt, durch eine Zenerdiode realisiert sein, die bezüglich des Stromes iGr3 in Sperrichtung betrieben wird. Die Magnetisierungsenergie wird somit auf die an der Zenerdiode abfallende konstante Hilfsspannung UH abgegeben.After the switching transistor Ts has been blocked, the current transformer Tr its magnetization energy via a demagnetization winding located on the core of Tr wV and a rectifier element Gr3, through which the current iGr3 (Fig. 2, line #) flows to a switching means M. The switching means M can, as shown in Fig. 1, be realized by a Zener diode, which with respect to the current iGr3 in the reverse direction is operated. The magnetization energy is thus reduced to that of the Zener diode decreasing constant auxiliary voltage UH delivered.
Der erfindungsgemäße Durchflußumrichter verhält sich bei Betrachtung der Verhältnisse am Ausgang (Strom i1) wie ein herkömmlicher Durchflußumrichter, dies gilt auch für den Kollektorstrom, der durch den Schalttransistor Ts fließt.The flow converter according to the invention behaves when viewed the conditions at the output (current i1) like a conventional flow converter, this also applies to the collector current flowing through the switching transistor Ts.
Bezüglich der Sperrspannung, die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors abfällt, bietet der erfindungsgemäße Durchflußumrichter Vorteile, da seine Sperrspannung wesentlich kleiner ist als bei herkömmlichen Durchflußumrichtern. Dies wirkt sich am stärksten aus, wenn der Eingang für einen großen Spannungsbereich ausgelegt ist.Regarding the reverse voltage at the collector-emitter path of the switching transistor drops, the flow converter according to the invention offers advantages because its reverse voltage is much lower than with conventional forward converters. This has the greatest effect when the input is for a large voltage range is designed.
Bei gleichem Magnetisierungsstrom ist die Induktivität des Stromwandlers Tr kleiner als die eines Spannungswandlers, da der Spannungswandler an der vollen Eingangsspannung U, liegt, wohingegen der Stromwandler Tr nur an der Spannung UO . ü1 1 liegt (UO = Ausgangsspannung des Durchflußumrichters).With the same magnetizing current, the inductance of the current transformer is Tr smaller than that of a voltage converter, since the voltage converter is at full Input voltage U, is, whereas the current transformer Tr is only at the voltage UO . ü1 1 is (UO = output voltage of the flow converter).
Der erfindungsgemäße Durchflußumrichter ist außerdem unempfindlich gegen eine Vormagnetisierung, bzw. eine Sättigungsmagnetisierung des Stromwandlers Tr, die durch eine nur langsam ansteigende Entmagnetisierungsspannung entstehen kann. In letzterem Fall arbeitet der Durchflußumrichter so lange als Sperrumrichter, bis die Entmagnetisierungsspannung einen Wert erreicht hat, der eine Entmagnetisierung und damit die Funktion des Stromwandlers Tr gewährleistet. Bei herkömmlichen Spannungswandlern würde eine Vormagnetisierung, bzw. Sättigung zur Zerstörung des Schalttransistors führen.The flow converter according to the invention is also insensitive against a premagnetization or a saturation magnetization of the current transformer Tr, which arise from a slowly increasing demagnetization voltage can. In the latter case, the flow converter works as a reverse converter as long as until the demagnetization voltage has reached a value that is demagnetization and thus the function of the current transformer Tr is guaranteed. With conventional voltage converters a premagnetization or saturation would destroy the switching transistor to lead.
Zum Schutz des Schalttransistors Ts vor Spannungsspitzen durch parasitäre Streuinduktivitäten ist seine Kollektor-Emitterstrecke durch eine Serienschaltung eines Gleichrichterelements Gr4 und eines Kondensators C2 überbrückt.To protect the switching transistor Ts from voltage peaks caused by parasitic Stray inductance is its collector-emitter path through a series connection a rectifier element Gr4 and a capacitor C2 bridged.
Die am Schaltmittel M anstehende Spannung UH kann vorteilhaft zur Versorgung der Schalteinrichtung S herangezogen werden. Das Schaltmittel M - Zenerdiode - wird dazu mit dem Versorgungsspannungseingarlg von S verbunden.The voltage UH present at the switching means M can advantageously be used for Supply of the switching device S can be used. The switching means M - Zener diode - becomes this with the Supply voltage input from S connected.
Für die Durchflußumrichter gemäß Fig. 3 und Fig. 4 gelten ähnliche Betrachtungen wie für den in Fig. 1 dargestellten Durchflußumrichter. Der Unterschied des Durchflußumrichters gemäß Fig. 3 zu dem in Fig. 1 dargestellten besteht darin, daß keine Entmagnetisierungswicklung wV nötig ist. Die Magnetisierungsenergie des Stromwandlers Tr wird im Schaltmittel M - Zenerdiode - abgebaut. M liegt in Serie zum Gleichrichterelement Gr3 und ist bezüglich Gleichrichterelement Gr3 in Sperrichtung gepolt. Die Anordnung aus Schaltmittel M und Gr3 liegt parallel zur Sekundärwicklung wIT des Stromwandlers Tr.Similar conditions apply to the flow converters according to FIGS. 3 and 4 Considerations as for the flow converter shown in FIG. The difference of the flow converter according to Fig. 3 to that shown in Fig. 1 is that no demagnetization winding wV is necessary. The magnetization energy of the Current transformer Tr is dismantled in the switching means M - Zener diode. M is in series to the rectifier element Gr3 and is in the reverse direction with respect to the rectifier element Gr3 polarized. The arrangement of switching means M and Gr3 is parallel to the secondary winding wIT of the current transformer Tr.
Einen vom Wirkungsgrad her gesehen besseren, aber etwas aufwendigeren, erfindungsgemäßen Durchflußumrichter zeigt Fig. 4. Eine Entmagnetisierungswicklung wV ist in Serie zur Sekundärwicklung wII des Stromwandlers Tr geschaltet. Sie weist den gleichen Wicklungssinn wie die Sekundärwicklung wII auf. Der. Wicklungsanfang (mit Punkt markiert) von wII ist über das Gleichrichterelement Gr1 mit einem Anschluß 1 des Lastwiderstandes R verbunden. Das Wicklungsende von wII sowie der Wicklungsanfang von wV- ist mit dem anderen Anschluß 2 des Lastwiderstandes-R verbunden. Das am Wicklungsende der Entmagnetisierungswicklung wV angeschlossene Gleichrichterelement Gr5 sowie das am Wicklung sende der Sekundärwicklung wIV angeschlossene Gleichrichterelement Gr2 ist kathodenseitig mit der Kathode des Gleichrichterelements Cr1 und damit auch mi.t dem Anschluß 1 des Lastwiderstandes R verbunden. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird die Magnetisierungsenergie des Stromwandlers Tr an den Lastwiderstand R abgegeben.In terms of efficiency, a better, but somewhat more complex, FIG. 4 shows a flow converter according to the invention. A demagnetizing winding wV is connected in series with the secondary winding wII of the current transformer Tr. She knows the same direction of winding as the secondary winding wII. Of the. Start of winding (marked with a dot) of wII is via the rectifier element Gr1 with a connection 1 of the load resistor R connected. The end of the winding of wII and the beginning of the winding from wV- is connected to the other terminal 2 of the load resistor-R. The on Winding end of the demagnetization winding wV connected rectifier element Gr5 and the rectifier element connected to the winding end of the secondary winding wIV Gr2 is on the cathode side with the cathode of the rectifier element Cr1 and thus also connected to terminal 1 of the load resistor R. By this invention Arrangement is the magnetization energy of the current transformer Tr to the load resistor R released.
Bei leitendem Schalttransistor Ts fließt ein transformierter Strom im Sekundärkreis. Unter Zugrundelegung gleicher Über- Setzungsverhältnisse gilt folgende Beziehung: Für nachfolgende Betrachtungen wird die Leitezeit tL angenommen zu tL # T/2.When the switching transistor Ts is conductive, a transformed current flows in the secondary circuit. Assuming the same transmission ratios, the following relationship applies: For the following considerations, the conduction time tL is assumed to be tL # T / 2.
An der Primärwicklung wI des Stromwandlers Tr steht dann die Spannung UwI = Uo . U1 an.The voltage is then applied to the primary winding wI of the current transformer Tr UwI = Uo. U1 on.
An der Primärwicklung wIII der Sperrwandlerdrossel Dr steht die Spannung UwIII = UE - Uo # ü1 an.The voltage is applied to the primary winding wIII of the flyback converter choke Dr UwIII = UE - Uo # ü1 an.
Bei abgeschaltetem Schalttransistor Ts steht dagegen an der Primärwicklung will der Sperrwandlerdrossel Dr (jedoch in umgekehrter Richtung als bei leitendem Schalttransistor Ts) die Spannung UwIII = Uo # ü1. Der Stromwandler Tr gibt Energie ab (vgl. Spannungsbezugspfeile in Fig. 4); damit gilt für die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors: UCE = 20 Uo # ü1 + UE Weist die Eingangsspannung UE beispielsweise einen Variationsbereich von 19V bis 8V auf, so gilt: (Diodenschwellen sind dabei vernachlässigt.When the switching transistor Ts is switched off, on the other hand, the voltage UwIII = Uo # ü1 is applied to the primary winding of the flyback converter choke Dr (but in the opposite direction than when the switching transistor Ts is conducting). The current transformer Tr emits energy (cf. voltage reference arrows in FIG. 4); The following applies to the voltage at the collector-emitter path of the switching transistor: UCE = 20 Uo # ü1 + UE If, for example, the input voltage UE has a range of 19V to 8V, then the following applies: (Diode thresholds are neglected here.
Mit einer Eingangsspannung von UE = 19V gilt für die Kollektor-Emitter-Spannung (vgl. Bezugspfeile in Fig. 4) UCE = 19V + 2 # 5V # 1,9 = 38V.With an input voltage of UE = 19V, the collector-emitter voltage applies (see reference arrows in Fig. 4) UCE = 19V + 2 # 5V # 1.9 = 38V.
Beträgt die Eingangsspannung UE = 80V erhält man für die Kollektor-Emitter-Spannung: UCE = 99V Diese Werte liegen etwa um den Faktor 2 niedriger als bei herkömmlichen Durchflußumrichtern LeerseiteIf the input voltage UE = 80V, the collector-emitter voltage is: UCE = 99V These values are around a factor of 2 lower than with conventional ones Flow converters Blank page
Claims (5)
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| DE19813136024 DE3136024A1 (en) | 1981-09-11 | 1981-09-11 | Single-ended DC converter |
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| DE19813136024 DE3136024A1 (en) | 1981-09-11 | 1981-09-11 | Single-ended DC converter |
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| DE (1) | DE3136024A1 (en) |
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Owner name: AEG-TELEFUNKEN NACHRICHTENTECHNIK GMBH, 7150 BACKN |
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