DE3316281A1 - Gleichspannungswandler fuer leistungs-schaltnetzteile - Google Patents

Description

• Gleichspannunqswandler für Leistunqs-Schaltnetzteile Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 30 49 020 bekannt.
• In Fig. 1 ist ein entsprechend dem vorgenannten Stand der Technik ausgebildeter Gleichspannungswandler gezeigt.
• Der Wandler ist an eine Gleichspannungsquelle gelegt, die die Eingangsspannung U bereitstellt. Er wandelt e diese Eingangsspannung in eine steuerbare Ausgangsspan nung Ua, die an einem Filter F abgegriffen werden kann.
• Der Gleichspannungswandler ist aus einem über einen ersten Halbleiterschalter S1 gesteuerten Durchflußwandler T1 und aus einem über einen zweiten Halbleiterschalter S2 gesteuerten Sperrwandler T2 gebildet. Die Spannung am Halbleiterschalter S2 ist über eine Diode VO auf das Potential +Ue geklemmt. Sekundärseitigsind der Durchflußwandler T1 und der Sperrwandler T2 über Dioden V1 und V2 parallelgeschaltet.
• Dem zweiten Halbleiterschalter S2 wird nach dem zuvor genannten Stand der Technik ein (hier nicht gezeigtes) Entlastungsnetzwerk parallelgeschaltet, wodurch der Schalter S2 ohne prinzipbedingte Verluste ein- und ausschaltbar ist, so daß er optimal angesteuert werden kann.
• Bei gleichen Übersetzungsverhältnissen von Durchflußwandler T1 und Sperrwandler T2 sind beide völlig parallelgeschaltet und die Primär- und Sekundärspannungen sind gleich. Wird nun zur Stromunterbrechung der Schalter S2 geöffnet, während der Schalter S1 noch geschlossen bleibt, kann der Primär strom in einer vorgegebenen Zeit (»los) nicht zu Null werden. Die immer vorhandenen Streuinduktivitäten beim Durchfluß- und Sperrwandler, die hier zusammengefaßt in Fig. 1 mit LS bezeichnet sind, treiben nämlich den Strom auf der Primärseite weiter. Es ist aufgrund der Parallelschaltung der beiden Übertrager T1 und T2 zu diesem Zeitpunkt keine Spannung vorhanden, auf die sich die Streuinduktivitäten LS abmagnetisieren können. Daraus ergibt sich, daß der Primärstrom nur dann sehr schnell zu Null werden kann (und damit der Schalter S1, für den man ein Entlastungsnetzwerk einsparen will, stromlos geöffnet werden kann), wenn nach dem Öffnen des verlustlos schaltenden zweiten Halbleiterschalters S2 bei noch geschlossenem ersten Halbleiterschalter S1 den Streuinduktivitäten LS eine Spannung zum Abmagnetisieren zur Verfügung steht.
• Dieses wird gemäß der DE-OS 30 49 020 dadurch erreicht, daß für den Durchfluß- und für den Sperrwandler die Übersetzungsverhältnisse unterschiedlich gewählt werden.
• Die Wahl unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse bedingt allerdings einen höheren Primärstrom,und das Ausgangsfilter erhält keinen konstanten Sekundärstrom.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung sicherzustellen, daß ohne den Einsatz eines Entlastungsnetzwerkes der erste Halbleiterschalter möglichst stromlos bei einem guten Wirkungsgrad für den Gleichspannungswandler geschaltet werden kann.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Der Schwingkreis aus Drosselspule und Kondensator stellt die zum Abmagnetisieren der Streuinduktivitäten notwendige Spannung zur Verfügung. Das bedeutet, daß die Übersetzungsverhältnisse des Durchfluß- und des Sperrwandlers gleich gewählt werden können, wodurch der zu führende Primärstrom kleiner gehalten werden kann. Das Ausgangsfilter erhält vorteilhafterweise einen konstanten Strom, so daß sich die Baugröße verringert.. Ferner tritt eine Begrenzung des Kurzschlußstromes auf. Da zur Realisierung des Schwingkreises nur kleine Bauelemente notwendig sind, ist der Aufwand gering. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß der Schwingkreis der Betriebsfrequenz des Gleichspannungswandlers angepaßt ist, damit der Umschwingvorgang beendet ist, bevor die nächste Einschaltung der Halbleiterschalter erfolgt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung soll im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen Fig. 2 einen Gleichspannungswandler nach der Erfindung mit jeweils einem Schalttransistor für den Durchfluß- und den Sperrwandler, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den beiden Schalttransistoren und den Verlauf des Stromes durch den Durchflußwandler beim Gleichspannungs- wandler nach Fig. 2, Fig. 4 einen Gleichspannungswandler höherer Ausgangsleistung mit fünf Schalttransistoren und Fig. 5 einen Gleichspannungswandler mit drei Schalttransistoren.
• In Fig. 2 ist ein Gleichspannungswandler dargestellt, an den eine Eingangsgleichspannung U gelegt ist und e der diese Eingangsspannung in eine steuerbare Ausgangsgleichspannung Ua wandelt. Zu diesem Zweck ist wiederum, wie schon zu Fig. 1 für den Stand der Technik beschrieben, ein Durchflußwandler T1 vorgesehen, der über einen ersten Halbleiterschalter S1 steuerbar ist. Dieser Schalter wird durch einen einzigen Transistor gebildet, dessen Kollektor an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle und dessen Emitter über eine in Durchlaßrichtung auf den Transistor gepolte Diode V3 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist.
• Mit der Primärwicklung des Durchflußwandlers Tl ist mit gleichem,durch Punkte angedeutetem Wicklungssinn die Primärwicklung eines Sperrwandlers T2 verbunden, der über einen zweiten Halbleiterschalter S2 steuerbar ist. Dieser zweite Halbleiterschalter 52 ist ebenfalls als Transistor ausgebildet. Er schaltet ohne prinzipbedingte Verluste, was durch ein nicht näher dargestelltes (Schalt-)Entlastungsnetzwerk E bewerkstelligt wird.
• Sekundärseitig sind der Durchflußwandler T1 und der Sperrwandler T2 über zwei Dioden V1 und V2 parallelgeschaitet. Ein Filter F dient der Glättung der Ausganssspannung Ua Der Durchflußwandler T1 und der Sperrwandler T2 haben das gleiche Übersetzungsverhältnis. Damit beide Wandler zur Verminderung des Aufwands aufbaumäßig gleich ausgebildet sein können, werden zusätzliche (nicht dargestell- te) Induktivitäten in den Sekundärkreis geschaltet.
• Der erste Halbleiterschalter S1 soll stromlos ein- und ausschalten, wodurch das Ansteuernetzwerk für diesen Schalter sehr einfach aufgebaut werden kann. Ein Entlastungsnetzwerk ist dann nicht nötig, und es treten keine Schltverluste an S1 auf. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung zwischen den beiden Polen der speisenden Gleichspannungsquelle ein Schwingkreis vorgesehen, der aus einer Drossel L1 und einem Kondensator C1 gebildet ist.
• Die Drossel L1 ist an den Pluspol, der Kondensator Cl an den Minuspol geschaltet, während der Verbindungspunkt zwischen den beiden Elementen über eine (nicht dargestellte) Diodenstrecke im Entlastungsnetzwerk mit der Verbindung zwischen dem Sperrwandler T2 und dem Kollektor des Transistors beim zweiten Halbleiterschalter S2 in Verbindung steht.
• Weisen die beiden Wandler T1 und T2 das Übersetzungsverhältnis ü auf, liegt beim Einschalten an der Primärwicklung des Durchflußwandlers die Spannung Ua zwei An der Primärwicklung des Sperrwandlers T2 liegt dann die Differenz zur Eingangsspannung, nämlich Ue - Ua ü. Damit wird der Sperrwandler T2 aufmagnetisiert; seine Induktivität L begrenzt den Stromanstieg h I für die Einschaltzeit tein auf Ue - Ua ü = L tein Beim Ausschalten öffnet der Schalter S2, während der Schalter S1 zunächst noch geschlossen bleibt. Der Strom im Primärkreis fließt weiter über das Entlastungsnetzwerk, bis die Kollektorspannung am Transistor des zweiten Halbleiterschalters S2 die Spannung des Kondensators Cl erreicht. Dann lädt der weiterfließende Strom den Kondensator C1 höher auf als die Eingangsspannung Ue, bis der Primärstrom nahezu Null wird und auf die Sekundärwicklung des Sperrwandlers T2 kommutiert.
• Auf der Primärseite fließt in dem Kreis +Ue, S1, T1, T2, E, C1, Ue der kleine Magnetisierungsstrom des Durchflußwandlers Tl weiter, der dann leicht vom ersten Halbleiterschalter S1 abgeschaltet werden kann.
• Wird der erste Halbleiterschalter S1 etwas früher eingeschaltet als der zweite Halbleiterschalter S2, so geschieht auch das Einschalten des Schalters S1 stromlos.
• In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannungen UCES1, UCES2 an der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren der Schalter S1, S2 sowie der Strom IT1 durch den Durchflußwandler gezeigt.
• Bei eingeschalteten Schaltern S1, S2 ist die Spannung 0, und es fließt der aus der Fig. 3 ersichtliche Strom durch den Durchflußwandler T1. Wird der Schalter S2 geöffnet, während der Schalter S1 noch geschlossen bleibt, so steigt die Spannung UCES2 zunächst auf den Wert der Eingangsspannung U und 52 darüber hinaus entsprechend dem Schwine gungsverhalten des Schwingkreises (+UL1) an, was durch die schraffierte Spannungszeitfläche angezeigt ist. Der Schwingkreis bewirkt also, daß das Kollektorpotential am Schalter S2 größer wird als die Eingangsspannung Ue, so daß der Schalter S1 dann stromlos öffnen kann, da der Strom IT1 zu Null geworden ist. Beim Öffnen des Schalters S1 springt die Spannung UCE von Null auf e 51 Entsprechend dem Schwingungsverhalten des Schwingkreises schwingt nach Öffnen des Schalters S1 die Spannung UcE unter den Wert der Eingangsspannung U . Mit der Grö- 52 e ße des Kondensators Cl wird beim Abschalten die Höhe des Spannungsüberschwingens und damit die Kommutierungsgeschwindigkeit des Stromes bestimmt. Die Induktivität Ll ist dann so bemessen, daß der Umschwingvorgang (-UL1) beim nächsten Einschalten abgeschlossen ist.
• Der Schwingkreis aus Kondensator C1 und Drosselspule L1 beeinträchtigt das Entlastungsnetzwerk E in seiner Funk-Lion nicht.
• Die gleichen Vorteile wie mit der zuvor beschriebenen Schaltung nach Fig. 2 ergeben sich auch, wenn für den Durchflußwandler T1 ein Gegentaktübertrager verwendet wird. Ein Gleichspannungswandler mit einem derartigen Gegentaktübertrager, der vir in Brückenschaltung angeordnete Schalter Sll, S12, S13, 514 anstelle des ersten Halbleiterschalters S1 aufweist, ist in Fig. 4 dargestellt. Auch die vier Schalter können infolge des Schwingkreises L1 - Cl stromlos ein- und ausschalten.
• Die Ausgangsleistung ist um 60 % größer als diejenige der Schaltung nach Fig. 2 bei gleichem Primär strom.
• Wegen der Mittelanzapfung auf der Sekundärseite des Gegentaktwandlers T1 sind im Sekundärkreis zwei Dioden Vil und V12 für den Gegentaktwandler notwendig.
• Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung ist in Bezug auf ihre im Verhältnis große Ausgangsleistung zu bevorzugen; sie erfordert jedoch fünf Schalter zu ihrer Ausführung. Der Schaltungsaufwand läßt sich reduzieren, wenn der Übertrager T1 als Gegentaktübertrager mit primärseitiger Mittelanzapfung ausgebildet wird. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 5 gezeigt. Die Schalter S13 und S14 entfallen damit, so daß sich die Durchlaßverluste und die Ansteuerleistungen verringern. Der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers ist dementsprechend besser. Die Schaltung nach Fig. 5 stellt mithin ein Optimum zwischen Aufwand und abgegebener Leistung bei minimalem Primärstrom dar.

Claims (8)

1. Gleichspannunqswandler für Leistunqs-Schaltnetzteile Patentansprüche Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungswandler bei Leistungs-Schaltnetzteilen, der - eine zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle liegende Eingangsspannung in eine steuerbare Ausgangsspannung wandelt, - aus einem über zumindest einen ersten Halbleiterschalter gesteuerten Durchflußwandler und aus einem über zumindest einen zweiten, mit einem (Schalt-)Entlastungsnetzwerk versehenen Halbleiterschalter gesteuerten Sperrwandler gebildet ist und - eine sekundärseitige Parallelschaltung von Durchfluß- und Sperrwandler aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis aus einer Drosselspule (L1) und einem Kondensator (C1) vorgesehen ist, der derart an den Sperrwandler (T2) angeschlossen ist, daß beim Abmagnetisieren von Streuinduktivitäten des Durchfluß- (Tl) und des Sperrwandlers (T2) mit geschlossenem ersten Halbleiterschalter (S1) nach dem Öffnen des zweiten Halbleiterschalters (52) das Potential an der Verbindung zwischen dem Sperrwandler (T2) und dem zweiten Halbleiterschal- ter (S2) größer werden kann als das durch den einen Pol der Gleichspannungsquelle vorgegebene Potential (+U ) am Eingang des Durchflußwandlers (T1).
2. e 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis als Reihen-Schwingkreis zwischen die Pole der Gleichspannungsquelle gelegt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß - die Drosselspule (L1) an denjenigen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, an den der Durchflußwandler (T1) über den ersten Halbleiterschalter (S1) direkt angeschaltet ist, - der Kondensator (C1) an denjenigen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, an den der Sperrwandler (T2) über den zweiten Halbleiterschalter (S2) angeschaltet ist, und - der Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule (L1) und dem Kondensator (C1) an die Verbindung zwischen dem zweiten Halbleiterschalter (52) und dem Sperrwandler (T2) angeschlossen ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrwandler (T2) an den Schwingkreis (L1, C1) über eine Diodenstrecke im Entlastungsnetzwerk (E) des zweiten Halbleiterschalters (S2) angeschlossen ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß-(T1) und der Sperrwandler (T2) das gleiche Ubersetzungsverhaltnis aufweisen.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstromkreis des Gleichspannungswandlers vom positiven Pol zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle durch die Aneinanderschaltung der Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Transistors als erstem Halbleiterschalter (51), der Primärwicklung des Durchflußwandlers (T1), der Primärwicklung des Sperrwandlers (T2) und der Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors als zweitem Halbleiterschalter (S2) gebildet ist, wobei außerdem der Emitteranschluß des ersten Transistors über eine in Durchlaßrichtung auf den Transistor gepolte Diode (V3) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. (Fig. 2)
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Durchflußwandlers (T1) ein Gegentaktübertrager mit vier als Brückenschaltung angeordneten Schaltern (S11, 512, S13, S14) vorgesehen ist. (Fig. 4)
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Durchflußwandlers (T1) ein Gegentaktübertrager mit zwei Schaltern (S11, S12) und einer Mittelanzapfung vorgesehen ist. (Fig. 5)