DE3322461A1

DE3322461A1 - DC/DC converter

Info

Publication number: DE3322461A1
Application number: DE19833322461
Authority: DE
Inventors: Ranjit Dipl.-Ing. 8080 Fürstenfeldbruck Datta
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1985-01-03

Abstract

A DC/DC converter having an electronic switch (Tr, D) by means of which a store (C1, C2) for electrical energy is alternately charged to an input DC voltage (Ue) and is discharged via a load (R), an inductor (Le or La respectively) being arranged in each case in the charging circuit and in the discharging circuit of the store, and a transformer (L1, L2) being provided for DC-isolated coupling of the input circuit and output circuit, and, furthermore, the said inductors (Le and La) and the windings of the transformer (L1, L2) being combined on a common core to form a common magnetic component. Connected in series with the first-mentioned inductor (Le) on the one hand and the second-mentioned inductor (La) on the other hand are in each case one additional inductor (Lx or Ly respectively), which are magnetically independent of the common magnetic component (Le, La, L1, L2) and whose inductance values are less than 1/n times the associated series inductors (Le or La respectively) and are larger than n/2 times the primary or the secondary stray inductance respectively of the said transformer. The ripple of the input current and output current of the DC/DC converter is reduced by these additional inductors (Lx, Ly) by the factor n. <IMAGE>

Description

GleichspannunqswandlerDC voltage converter

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler der im Gattungsbegriff des Patentanspruches beschriebenen Art.The invention relates to a DC voltage converter in the generic term of the claim described Art.

Ein solcher Gleichspannungswandler ist beispielsweise durch die DE-OS 28 42 262 bekannt geworden. Man kann sich diesen bekannten Wandler zusammengesetzt denken aus einem sogenannten Aufstock- oder Boostwandler und einem Durchflußwandler, die derart hintereinandergeschaltet sind, daß der Eingang des Aufstockwandlers den Eingang der Gesamtschaltung bildet und der Schalttransistor und die Schaltdiode des Aufstockwandlers mit den entsprechenden Bauteilen (Schalttransistor und Schaltdiode) des Durchflußwandlers zusammenfallen. Dabei zeigt sich, daß die Spannungen an den und die Ströme durch die Drosseln des Aufstockwandlerteiles einerseits und des Durchflußwandlersteiles andererseits, die die Eingangs- bzw.Such a DC voltage converter is for example by the DE-OS 28 42 262 became known. You can put this known converter together think of a so-called boost converter and a flow converter, which are connected in series in such a way that the input of the boost converter is the The input of the overall circuit forms and the switching transistor and the switching diode of the step-up converter with the corresponding components (switching transistor and switching diode) of the forward converter coincide. It shows that the tensions on the and the currents through the chokes of the top-up converter part on the one hand and the flow converter part on the other hand, the input resp.

die Ausgangsdrossel der Gesamtschaltung bilden, proportional und gleichphasig sind. Daraus wird bei dem bekannten Wandler die Konsequenz gezogen, beide Drosseln magnetisch miteinander zu koppeln, d.h. zu einem gemeinsamen magnetischen Bauteil zusammenzufassen. Wenn. die Schaltung aus Gründen der galvanischen Trennung außerdem einen Trenntransformator aufweist, so sind auch dessen Primär- und Sekundärströme und -spannungen wieder den Drosselströmen und -spannungen gleichphasig und proportional. Damit kann auch der Trenntransformator in das gemeinsame magnetische Bauteil integriert werden. Neben der Einsparung an magnetischen Bauteilen besteht ein wesentlicher Vorteil des bekannten Gleichspannungswandlers darin, daß die Welligkeit des Eingangs-und Ausgangsstromes im Vergleich zu üblichen Aufstockwandlern, Sperrwandlern oder Durchflußwandlern außerordentlich klein sind und durch geeignete Gestaltung des Magnetkreises, z. B. durch zweckentsprechende Bemessung des wirksamen Luftspalts völlig zum Verschwinden gebracht werden können.form the output choke of the overall circuit, proportional and in phase are. In the known converter, the consequence is drawn from this, both throttles to be magnetically coupled with each other, i.e. to a common magnetic component summarize. If. the circuit for reasons of galvanic isolation as well has an isolating transformer, so are its primary and secondary currents and voltages again in phase and proportional to the inductor currents and voltages. This means that the isolating transformer can also be integrated into the common magnetic component will. In addition to the savings on magnetic components, there is an essential one The advantage of the known DC-DC converter is that the ripple of the input and Output current compared to conventional step-up converters, Flyback converters or forward converters are extremely small and by appropriate design of the magnetic circuit, e.g. B. by appropriate dimensioning of the effective air gap can be made to disappear completely.

Näheres ist z. B. der Literaturstelle "A New Zero-Ripple Switchung Dc-to-dc Converter And Integrated Magnetics" von S. Cuk, IEEE-Publication CH-1529-7/80-0000-0012, 1980, insb.Details are z. B. the reference "A New Zero-Ripple Switching Dc-to-dc Converter And Integrated Magnetics "by S. Cuk, IEEE Publication CH-1529-7 / 80-0000-0012, 1980, esp.

Fig. 23 und zugehöriger Text zu entnehmen. Damit können nicht nur die umfangreichen Siebmittel entfallen, die bei herkömmlichen Schaltnetzteilen zur Beseitigung der genannten Welligkeit erforderlich waren, sondern es können darüberhinaus Anwendungsfälle erschlossen werden, die Schaltnetzteilen zuvor nicht zugänglich waren.Fig. 23 and associated text can be found. So not only can the extensive screen means that are used in conventional switched-mode power supplies are no longer necessary Elimination of the said ripple were required, but it can go beyond that Use cases are opened up, the switched-mode power supplies not previously accessible was.

Aus der genannten Literaturstelle ergibt sich, daß das magnetische Bauteil, zu welchem die gekoppelten Drosseln und der Trenntransformator integriert sind, sich nicht ohne weiteres mit Hilfe standardisierter Transformator- oder Drosselkerne realisieren läßt: Um die erforderlichen Wicklungen (Ein gangs- und Ausgangsdrossel, Primär- und Sekundärwicklung) auf einem einzigen Kern aufbringen zu können, benötigt man entweder spezielle Kernausführungen oder aber Kerne in Standardausführung, die dann jedoch größer sind, als dies aus elektrischen und/oder magnetischen Gründen eigentlich notwendig ist. Die diesbezüglichen Probleme sind beispielsweise auch in dem Aufsatz "Magnetische Integration, Drosseln und Transformatoren in einem Magnetkreis" von Slobodan Cuk, elektronikpraxis, Nr.2, Februar 1982, Seite 34 bis 39, näher beschrieben.From the cited reference it can be seen that the magnetic Component to which the coupled chokes and the isolating transformer are integrated are not readily available with the help of standardized transformer or reactor cores can be realized: To achieve the required windings (input and output choke, Primary and secondary winding) on a single core is required either special core designs or cores in standard design that then, however, are greater than this for electrical and / or magnetic reasons is actually necessary. The related problems are for example too in the essay "Magnetic Integration, Chokes and Transformers in a Magnetic Circuit" by Slobodan Cuk, elektronikpraxis, Nr.2, February 1982, pages 34 to 39, described in more detail.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das sich aus der vorangehenden Schilderung ergebende Problem zu lösen und einen Gleichspannungswandler anzugeben, bei dem das die Siebdrosseln und den Trenntransformator integrierende magnetische Bauteil mit einem Transformatorkern mit Standardzuschnitt realisiert ist, der Standardzuschnitt haben kann und dessen Größe lediglich durch den Wickelraum bestimmt ist, den die genannten Wicklungen beanspruchen, wenn sie nach den Grundsätzen des bekannten Gleichspannungswandlers dimensioniert sind; der zur Erreichung dieses Zieles notwendige Zusatzaufwand soll so gering wie möglich, insbesondere geringer sein, als der Mehraufwand, den eine spezielle Transformatorausführung oder -größe verursachen würde.The invention is based on the object that emerges from the preceding To solve the problem resulting from the description and to specify a DC / DC converter, in which the magnetic filter that integrates the filter chokes and the isolating transformer Component is realized with a transformer core with a standard cut, the standard cut may have and its size is only determined by the changing room that the named windings claim if they are in accordance with the principles of known DC-DC converter are dimensioned; the one to achieve this The additional effort required should be as low as possible, in particular lower than the additional work involved in a special transformer design or size would cause.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Gleichspannungswandler erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch beschriebenen Merkmalen ausgestattet.To solve this problem, the DC voltage converter is according to the invention equipped with the features described in the claim.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Deren einzige Figur zeigt die Schaltung eines Gleichspannungswandlers, bei dem der Erfindungsgedanke verkörpert ist.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing: The only figure shows the circuit of a DC voltage converter in which the Invention idea is embodied.

Der in gestrichelten Linien umrahmte Teil der dargestellten Schaltung ist ein Gleichspannungswandler, wie er aus den eingangs genannten Literaturstellen bekannt ist. Er besteht aus einer Eingangsdrossel Le, einer Ausgangsdrossel La, einem als Transistor Tr dargestellten elektronischen Schalter, einer Schaltdiode D, Kondensatoren C1 und C2 und einem Trenntransformator, dessen Primär- und Sekundärwicklung mit L1 bzw. L2 bezeichnet ist.The part of the circuit shown framed in dashed lines is a DC / DC converter, as found in the literature references mentioned above is known. It consists of an input choke Le, an output choke La, an electronic switch shown as a transistor Tr, a switching diode D, capacitors C1 and C2 and an isolating transformer, its primary and secondary winding with L1 and L2, respectively.

Die Schaltung wird von einer Gleichspannungsquelle Ue gespeist und dient ihrerseits zur Speisung eines Lastwiderstandes R mit einer Ausgangsspannung Ua. Parallel zum Lastwiderstand R ist eine Kapazität C geschaltet.The circuit is fed by a DC voltage source Ue and in turn serves to supply a load resistor R with an output voltage A.o. A capacitance C is connected in parallel with the load resistor R.

Alle Induktivitäten sind auf einem gemeinsamen Kern aufgebracht und deshalb magnetisch miteinander gekoppelt.All inductances are applied to a common core and therefore magnetically coupled to each other.

Die Schaltung verfügt zusätzlich über zwei Drosseln Lx und Ly, die mit der Eingangsinduktivität Le bzw. mit der Ausgangsinduktivität La in Reihe geschaltet sind.The circuit also has two chokes Lx and Ly, the connected in series with the input inductance Le or with the output inductance La are.

Zunächst sei (ohne Berücksichtigung der zusätzlichen Drosseln Lx und Ly) die bekannte Funktion des umrahmten Schaltungsteil kurz erläutert: Der Transistor Tr wird von einer externen Steuerquelle periodisch ein- und ausgeschaltet. Während desjenigen Teils jeder Schaltperiode, in der der Transistor Tr nichtleitend ist, wird der Kondensator C1 von der Eingangsgleichspannung Ue und der zuvor in der Drossel Le gespeicherten Energie aufgeladen. Der Ladestrom induziert eine Spannung in die Sekundärwicklung L2 des Transformators L1; L2, die den Kondensator C2 auflädt. Die Schaltdiode D ist für diesen Aufladestrom leitend. Die Nutzlast wird während dieser Phase durch die zuvor in der Drossel La gespeicherten Energie gespeist. Wenn der Transistor Tr durch die externe Steuerquelle in seinen leitenden Zustand gesteuert wird, schließt er einen Auiladekreis für die Drossel Le und einen Entladekreis für den Kondensator C1. Der Entladestrom, der die entgegengesetzte Richtung des Aufladestromes hat, fließt über die Primärwicklung L1 und induziert in der Sekundärwicklung L2 eine Spannung, die das entgegengesetzte Vorzeichen der während der vorangegangenen Taktphase induzierten Spannung hat und durch die die Schaltdiode D in ihren Sperrzustand gesteuert wird. Damit kann sich der Kondensator C2 über den Lastwiderstand R entladen. Gleichzeitig wird der Drossel La neue Energie zugeführt. Es ist ein kennzeichnendes Merkmal der Schaltung, daß sowohl die Induktivität Le als auch die Induktivität La bei der beschriebenen Betriebsweise ständig von Gleichströmen durchflossen werden, denen Wechselanteile überlagert sind. Diese Wechselanteile haben gleiche Phasenlage und gleiche Spannungszeitflächen. Das hat zur Folge, daß die beiden Drosseln Le und La - wie erwähnt - auf ein und demselben Kern realisiert werden können. Der Vorteil einer solchen Integration besteht nicht nur in der Einsparung an magnetischen Bauteilen sondern insbesondere auch darin, daß sich die Amplitude der erwähnten Wechselanteile (Welligkeit) verringert. Der Grad dieser Verringerung hängt ab vom Koppelfaktor der beiden Drosselwicklungen. Unter der Voraussetzung einer symmetrischen Ausbildung der Schaltung (wirksames Ubersetzungsverhältnis des von den Wicklungen L1 und L2 gebildeten Transformators = 1) verringert sich die Welligkeit sowohl des Eingangs- als auch des Ausgangsstromes um den Faktor 1+k (k = Kopplungsfaktor zwischen Le und La) gegenüber dem Fall ungekoppelter Induktivitäten. Bei sehr fester Kopplung (k=1) geht die Welligkeit also auf den halben Wert des Betrages zurück, der sich bei ungekoppeiten Drosselspulen ergibt.First of all (without taking into account the additional chokes Lx and Ly) the well-known function of the framed circuit part briefly explained: The transistor Tr is switched on and off periodically by an external control source. While that part of each switching period in which the transistor Tr is non-conductive, the capacitor C1 from the input DC voltage Ue and the previously in the choke Le stored energy is charged. The charging current induces a voltage in the Secondary winding L2 of transformer L1; L2, which charges capacitor C2. the Switching diode D is conductive for this charging current. The payload is during this Phase fed by the energy previously stored in the choke La. If the Transistor Tr controlled by the external control source in its conductive state it closes a charge circuit for the throttle Le and a discharge circuit for the capacitor C1. The discharge current, which is the opposite direction of the charging current has, flows through the primary winding L1 and induces in the secondary winding L2 a voltage that has the opposite sign of that during the previous one Clock phase has induced voltage and through which the switching diode D is in its blocking state is controlled. The capacitor C2 can thus discharge via the load resistor R. At the same time, the throttle La is supplied with new energy. It's a distinctive one Feature of the circuit that both the inductance Le and the inductance La are continuously traversed by direct currents in the mode of operation described, which alternate components are superimposed. These alternating components have the same phase position and equal stress-time areas. As a result, the two throttles Le and La - as mentioned - can be implemented on one and the same core can. The advantage of such an integration is not just the savings on magnetic components but in particular also in the fact that the amplitude of the mentioned alternating components (waviness) is reduced. The degree of this decrease depends on the coupling factor of the two inductor windings. Provided a symmetrical design of the circuit (effective transmission ratio of the transformer formed by windings L1 and L2 = 1) the Ripple in both the input and output current by a factor of 1 + k (k = Coupling factor between Le and La) compared to the case of uncoupled inductances. With a very tight coupling (k = 1), the ripple is half the value of the Amount back that results from uncoupled choke coils.

Durch Änderung des wirksamen Übersetzungsverhältnisses zwischen auf einem gemeinsamen Kern aufgebrachten Wicklungen Le und La relativ zum Kopplungsfaktor läßt sich die Welligkeit des Eingangsstromes auf Kosten derjenigen des Ausgangsstromes verringern und umgekehrt. Falls die Welligkeit sowohl des Eingangs- als auch des Ausgangsstromes verringert werden sollen, bedarf es einer Anordnung, die sich gedanklich aus der Kaskadenschaltung zweier Wandler ergibt, die jeweils derart optimiert sind, daß beim ersten die Welligkeit des Eingangsstromes und beim zweiten die Welligkeit des Ausgangsstromes verschwindet. In der zuletzt genannten Literaturstelle (A new Zero-Ripple ...) ist diese Entwicklung eingehend beschrieben. Sie führt zu einem magnetischen Bauteil, bei dem die Kopplungsfaktoren zwischen Eingangsdrossel und Primärwicklung einerseits und Sekundärwicklung und Ausgangsdrossel andererseits unabhängig voneinander frei bestimmbar sein müssen. Ein solches magnetisches Bauteil ist kostenaufwendig, da es sich nicht ohne weiteres .aus standardisierten Transformatorblechen herstellen läßt.By changing the effective gear ratio between on A common core applied windings Le and La relative to the coupling factor the ripple of the input current at the expense of that of the output current decrease and vice versa. If the ripple of both the input and the Output current are to be reduced, it requires an arrangement that is mentally results from the cascade connection of two converters, each of which is optimized in such a way that that with the first the ripple of the input current and with the second the ripple of the output current disappears. In the last-mentioned reference (A new Zero-Ripple ...) this development is described in detail. It leads to one magnetic component in which the coupling factors between input choke and Primary winding on the one hand and secondary winding and output choke on the other must be freely determinable independently of one another. Such a magnetic component is costly because it is not easily made from standardized transformer sheets can be produced.

Deshalb beschreitet die Erfindung einen anderen Weg, um gleichzeitig die Welligkeit des Eingangsstroms und die des Ausgangsstroms zu verrindern. Diesem Zweck dienen die zusätzlichen Induktivitäten Lx und Ly der in der Zeichnung dargestellten Schaltung. Diese Induktivitäten, die z.B.Therefore the invention takes a different route to simultaneously to reduce the ripple of the input current and that of the output current. This one The purpose is the additional inductances Lx and Ly shown in the drawing Circuit. These inductances, e.g.

durch äußerst preiswerte sogenannte UKW-Drosseln realisiert sein können, simulieren zusätzliche Streuinduktivitäten.can be implemented by extremely inexpensive so-called VHF chokes, simulate additional leakage inductances.

Durch ihre Einfügung gewinnt man zusätzliche Parameter für die Optimierung der Schaltung, ohne daß die übrigen miteinander gekoppelten Induktivitäten eine von den üblichen standardisierten magnetischen Bauteilen abweichende Bauform haben müssen.By inserting them, one gains additional parameters for the optimization of the circuit without the remaining inductors coupled to one another having a have a design that differs from the usual standardized magnetic components have to.

Für die Dimensionierung der zusätzlichen Induktivitäten Lx und Ly gilt folgendes: Sie müssen einerseits kleiner sein als die zugehörige Hauptinduktivität Le bzw. La und andererseits größer als die Streuinduktivitäten der Wicklungen L1 und L2. Wenn beispielsweise die Induktivität der Zusatzdrosseln Lx und Ly kleiner ist als der n-te Teil der jeweiligen Hauptinduktivität Le bzw. La und größer ist als das n/2-fache der Streuinduktivität der Primär- bzw. Sekundärwicklung des Transformators, geht die Welligkeit des Eingangs- bzw. Ausgangsstromes gegenüber der Schaltung ohne Zusatzinduktivitäten Lx und Ly auf den n-ten Teil zurück.For dimensioning the additional inductances Lx and Ly The following applies: On the one hand, they must be smaller than the associated main inductance Le or La and on the other hand greater than the leakage inductances of the windings L1 and L2. If, for example, the inductance of the additional chokes Lx and Ly is smaller is than the nth part of the respective main inductance Le or La and is greater than n / 2 times the leakage inductance of the primary or secondary winding of the transformer, the ripple of the input or output current goes without compared to the circuit Additional inductances Lx and Ly back to the nth part.

Bei einer ausgeführten Versuchsschaltung hatte der (auf die Ausgangsseite umgerechnete) Transformator L'1, L2 ein Übersetzungsverhältnis von 1:1. Die Drosseln L'e und La hatten jeweils eine Induktivität von 40 uH. Die im (Ersatz-)Primär-bzw. Sekundärkreis des Transformators wirksame Streuinduktivität war jeweils 1,0 uH. Durch die Einfügung von Zusatzdrosseln L'x und Ly mit einer Induktivität von jeweils 6 uH verringerte sich die Welligkeit des Eingangs- und Ausgangsstroms gegenüber der Schaltung ohne diese Zusatzdrosseln etwa um den Wert 1:7.When a test circuit was carried out, the (on the output side converted) transformers L'1, L2 have a transformation ratio of 1: 1. The thrushes L'e and La each had an inductance of 40 uH. The (replacement) primary or The secondary circuit of the transformer effective leakage inductance was 1.0 uH in each case. By inserting additional chokes L'x and Ly, each with an inductance of 6 uH decreased the ripple of the input and output current compared to the circuit without these additional chokes by about the value 1: 7.

1 Patentanspruch 1 Figur1 claim 1 figure

Claims

Patent claim DC voltage converter - with an electronic switch (Tr, D) which in the cycle of a control source between two switching states (conductive, non-conductive) is switchable and in its first switching state (Tr non-conductive, D conductive) a charging circuit fed by a DC input voltage (Ue) for a Storage (C1, C2) switches electrical energy through and in its second state (Tr conductive, D non-conductive) a discharge circuit running through a consumer (R) for the said memory (C1, C2) turns on, - with a first in the said Charging circuit arranged and a second in said discharge circuit arranged inductance (Le or La) - as well as with a transformer (L1, L2) for galvanic isolation of the circuit containing the input DC voltage (Ue) of the circuit containing the consumer (R), said inductances (Le, La) and the windings (L1, L2) of said transformer on a common Are applied to the core and form a common magnetic component, characterized in that - That in series with the first-mentioned inductance (Le) a first additional inductance (Lx) and in series with the second mentioned inductance (La) a second additional inductance (Ly) are arranged that these additional inductances (Lx, Ly) of the said common magnetic component (Le, La, L1, L2) are magnetically independent, and that the inductance value of the additional inductances (Lx, Ly) is less than the nth part of the inductance connected in series with it (Le or La) and around n / 2 times greater than the associated leakage inductance (primary or secondary) of the named transformer (L1, L2), where n is one within the is the number of the given limits and indicates the reduction factor, around which the ripple of the Input or output current compared to the corresponding ripple values Absence of the additional inductances (Lx, Ly) is reduced.