DE3403173C2

DE3403173C2 -

Info

Publication number: DE3403173C2
Application number: DE3403173A
Authority: DE
Inventors: Takehisa Gunma Jp Sato
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1983-02-25
Filing date: 1984-01-31
Publication date: 1993-07-15
Also published as: US4510563A; DE3403173A1

Description

Die Erfindung betrifft eine geschaltete Stromversorgung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (US 42 28 493).

Da derartige Vorrichtungen induktive Elemente, insbesondere einen Transformator enthalten, ist es u. a. erwünscht, mit hoher Schaltfrequenz zu arbeiten, was zu einem geringeren Volumen und einem geringeren Gewicht der Vorrichtung führt. Der Erhöhung der Schaltfrequenz sind jedoch aufgrund der verwendeten Halbleitervorrichtung Grenzen gesetzt. Ein Schalttransistor mit hoher Schaltfrequenz muß einen geringen Widerstand im Basisbereich und eine geringe Basisbreite besitzen, was zu einer niedrigen Durchbruchspannung führt. Andererseits ist eine möglichst hohe Impulsspannung erwünscht, die wiederum eine hohe Durchbruchspannung verlangt. Die Schaltfrequenz des Schalttransistors ist ferner beschränkt durch die Verzögerung, die sich beim Sperren des Schalttransistors aufgrund der Speicherzeit ergibt. Auch nach Abfall des Vorwärtsbasisstromimpulses fließt ein Kollektorstrom für eine Periode weiter, die gleich der Summe der Speicherzeit und der Abfallzeit ist. Ein derartig verzögertes Sperren des Schalttransistors beeinträchtigt erheblich die genaue Einhaltung des Tastverhältnisses der Vorrichtung, und die Verlustleistung steigt mit wachsender Verzögerung.

Aus J. Wüstehube, Schaltnetzteile, expert-verlag, Grafenau 1979, S. 222, 223, ist das Problem des Speichereffekts bekannt, wobei darauf hingewiesen wird, daß bei Eintaktwandlern die Speicherzeit die minimale Einschaltzeit des Schalttransistors bestimmt. Zur Reduzierung der Speicherzeit wird vorgeschlagen, Entsättigungsschaltungen einzusetzen, die allerdings zu erhöhten Sättigungsspannungen führen.

Die US-PS 42 28 493 offenbart eine gattungsgemäße Stromversorgung, wobei bei Beendigung des Vorwärtsbasisstromimpulses eine Pause vorgesehen ist bis zum Beginn der Entsättigung des Kollektors, also bevor der Rückwärtsbasisstromimpuls aktiviert wird. Die genannte Pause wird dabei möglichst kurz gehalten. Das Ende der Pause wird von einem Vergleicher festgestellt, der die Kollektor-Emittersättigungsspannung mit einem Bezugswert vergleicht. Hierdurch wird zwar das gleichzeitige Leiten der beiden Treiberverstärker für den Vorwärts- und den Rückwärtsbasisstromimpuls verhindert; eine erhebliche Steigerung der Schaltfrequenz wird hierdurch jedoch nicht erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geschaltete Stromversorgung anzugeben, die mit einer wesentlich höheren Schaltfrequenz als bekannte Vorrichtungen bei verringerter Verlustleistung arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine geschaltete Stromversorgung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Durch die Reduzierung der Länge des Vorwärtsbasisstromimpulses um die Speicherzeit ist der Schalttransistor gerade zu einem Zeitpunkt entsättigt, zu dem der Rückwärtsbasisstromimpuls einsetzt. Ferner wird die Abfallzeit des Vorwärtsbasisstromimpulses gegenüber bekannten Vorrichtungen erheblich reduziert, da der Einfluß der Übersteuerung wegfällt. Die erhöhte Schaltfrequenz gestattet ferner eine erhebliche Verringerung des Volumens und des Gewichts der Stromversorgung, da die induktiven Elemente wesentlich kleiner dimensioniert werden können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die Rechteckimpulse der Steuervorrichtung abhängig von der Ausgangsgleichspannung breitengeregelt sein.

Eine besonders flexibel geschaltete Stromversorgung ergibt sich dann, wenn die Steuervorrichtung mittels der Kenndaten des Schalttransistors und dessen Kollektorstrom die Speicherzeit ermittelt und die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses daraus berechnet.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromversorgung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems für den Gleichspannungswandler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine Darstellung eines Oszillogramms, das den Basisstrom und den Kollektorstrom eines Gleichspannungswandlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Kurvendarstellung als Beispiel der Speicherzeit t_s/Vorwärtsbasisstrom I_B1- Eigenschaften in Fällen, wo ein Rückwärtsbasisstrom I_B2 angewandt wird mit dem Kollektorstrom I_c als Parameter,

Fig. 6 ein Schaltbild eines Basistreibersystems, wie es in einem Gleichspannungswandler gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems, wie es bei dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird,

Fig. 10 ein Schaltbild einer Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 11 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems, wie es bei der modifizierten vierten Ausführungsform der Erfindung Verwendung findet.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt einen Ferritkerntransformator 4, dem eine Eingangsgleichspannung an seiner Primärwicklung zugeführt wird, die mit einem Schaltleistungstransistor verbunden ist, der über eine Steuervorrichtung 21 (dargestellt durch ein Kästchen in gestrichelter Linie), die aus einem Taktgeber 211, einem Flip-Flop 212, einem Kondensator (einer Differenzierschaltung) 213, einer monostabilen Kippschaltung 214, Pufferverstärkern 215 und 216, Widerständen 219, 220, 221, einem pnp-Transistor 217 und einem npn-Transistor 218 besteht. Ein Gleichrichter 5 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 verbunden. Ein Glättungskondensator 6 liegt über den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 5.

Gemäß Fig. 2 bestimmt ein Zyklus des Flip-Flops 212 eine Schaltperiode T des Schaltleistungstransistors 3. Die Schaltperiode T besteht aus der Vorwärtshälfte t₁′ und der Rückwärtshälfte t₂′. Die Vorderflanke des vom Flip-Flop 212 abgegebenen Signals wird vom Kondensator 213 festgestellt. Unter Ansprechen auf diese Feststellung schaltet die monostabile Kippschaltung 214 auf hohen Pegel und bleibt auf diesem für eine vorbestimmte Periode, die auf einen Wert zwischen 20 und 50% der Vorwärtshälfte t₁ oder der Leitungsperiode t₁ eingestellt werden kann. Ein Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 wird nur während dieser kürzeren Periode an den Schaltleistungstransistor 3 angelegt, während der die monostabile Kippschaltung 214 auf hohem Pegel bleibt. Der Schaltleistungstransistor 3 wird durch diesen Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 leitend geschaltet, jedoch nicht durch die Beendigung des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 gesperrt bis nicht ein weiterer Transistor 218 einen Rückwärtsbasisstromimpuls I_B2, abhängig von dem durch einen Transistor 217 abgegebenen Signal abgibt, der unter Ansprechen auf die Rückflanke des vom Flip-Flop 212 abgegebenen Signals leitend geschaltet wird. Dies rührt daher, daß während der Speicherzeit t_s der Kollektorstrom I_c aufrechterhalten bleibt, auch nachdem der Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 beendet worden ist.

Da die Erregungszeit der monostabilen Kippschaltung 214 derart gewählt ist, daß sie gleich der Differenz zwischen der Leitungsperiode t₁ und der Speicherzeit t_s ist, sind die meisten in der Basis gespeicherten Träger zu Beginn der nichtleitenden Periode t₂ aus der Basis abgeflossen. Somit beginnt der Kollektorstrom I_c unmittelbar unter Ansprechen auf die Vorderflanke des Rückwärtsbasisstromimpulses I_B2 zu fließen, welcher unter Ansprechen auf die Rückflanke des vom Flip-Flop 212 abgegebenen Signals fließt, mit dem Ergebnis, daß die Wirkung der Speicherzeit aufgehoben wird.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Schaltverlust auf einen vernachlässigbaren Wert verringert wird, da die Länge der Abschaltperiode, bei der der Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Emitter erhöht wird, äußerst kurz ist.

Somit werden die bei bekannten Vorrichtungen zwangsläufig vorhandenen Nachteile vermieden, einschließlich des Problems, das durch die Inkompatibilität der Durchbruchsspannung und der Schaltgeschwindigkeit in einem Schalttransistor hervorgerufen wird, ferner des Einflusses der Verzögerung auf die Abschaltung und das Problem der Überhitzung eines Schalttransistors aufgrund einer langen Abschaltperiode.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Basisstroms und des Kollektorstroms bei der geschalteten Stromversorgung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist die Abfallzeit t_f auf 80 ns verringert. Die abklingende Schwingung wird durch die induktive Komponente der Schaltung hervorgerufen. Der allmähliche Anstieg des Kollektorstroms I_c kann durch die Verwendung einer größeren Drossel geglättet werden.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 zeigt einen Ferritkern-Transformator 4, an dessen Primärwicklung über einen Gleichrichter 1 eine Eingangsgleichspannung angelegt wird, so daß diese geschaltete Stromversorgung ein Wechselspannungseingangssignal aufnehmen kann. Die anderen Einheiten und/oder Elemente entsprechen vollständig denen des Ausführungsbeispiels 1.

Ausführungsbeispiel 3

Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf folgendem Grundgedanken:

1. Die Speicherzeit t_s wird durch folgende Formel ausgedrückt:

wobei
K eine Proportionalitätskonstante,
l_n das Symbol für den natürlichen Logarithmus,
I_B1 der Vorwärtsbasisstrom,
I_B2 der Rückwärtsbasisstrom,
I_C der Kollektorstrom,
h_FE der Stromverstärkungsfaktor
bedeuten.

In Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß ein Ansteigen der Speicherzeit t_s einem Ansteigen des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 und ein Verringern der Speicherzeit t_s einem Anstieg des Kollektorstroms I_C und des Rückwärtsbasisstromimpulses I_B2 folgt. Die Speicherzeit ist am längsten, wenn kein Rückwärtsbasisstromimpuls I_B2 angelegt wird.

Fig. 5 zeigt Kennlinien der Speicherzeit t_s, bezogen auf den Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 in Fällen, wo kein Rückwärtsbasisstromimpuls I_B2 angelegt wird, wobei der Kollektorstrom I_C als Parameter dient.

2. Um die besten gemäß der Erfindung zu erwartenden Ergebnisse zu erreichen, muß die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 identisch mit der Differenz zwischen einer Hälfte des Schaltzyklus oder der -periode T und der Speicherzeit t_s sein, die von dem Kollektorstrom I_C und dem Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 abhängt.

3. Eine kombinierte Vorrichtung zum Überwachen des Kollektorstroms und zum Berechnen der entsprechenden Speicherzeit t_s und der optimalen Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 dient dazu, die besten Ergebnisse zu realisieren.

Gemäß den Fig. 6 und 7 wechselt unter Ansprechen auf von einem Taktgeber 231 abgegebene Taktimpulse ein Flip-Flop 232 seinen Signalspannungspegel bei jedem Zyklus T_C eines Schaltleistungstransistors 3. Ein Kondensator 233 stellt die Vorderflanke des vom Flip-Flop 232 abgegebenen Signals fest, um eine Setz-Rücksetz- Kippstufe 236 zu setzen. Ein Stromdetektor 234 stellt den Kollektorstrom I_C des Schaltleistungstransistors 3 fest.

Eine Tabellenaufsucheinheit 235 bestimmt die optimale Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 unter Ansprechen auf den festgestellten Kollektorstrom I_C und eine vorbestimmte Stärke des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1. Die Setz- Rücksetz-Kippstufe 236 wird zu einem Zeitpunkt rückgesetzt, wenn diese festgestellte Periode abläuft. Somit wird der Vorwärtsbasisstromimpuls I_B1 an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 über einen Pufferverstärker 237 nur während der vorbestimmten Periode angelegt, so daß die geschaltete Stromversorgung die besten Ergebnisse erzielen kann.

Ausführungsbeispiel 4

Ein Vorteil einer geschalteten Stromversorgung besteht in der Möglichkeit, eine Ausgangsgleichspannung präzise auf einem vorbestimmten Wert zu halten, und zwar unabhängig von Potentialveränderungen in der Eingangsspannung und/oder der Last.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel realisiert diesen Vorteil.

Fig. 8 zeigt einen Ferritkerntransformator, an dessen Primärwicklung eine Eingangsgleichspannung angelegt wird und ein Schaltleistungstransistor 3 angeschlossen ist, der durch eine Steuervorrichtung 24 (dargestellt durch das Kästchen mit gestrichelter Linie) geregelt wird, die aus einem Taktgeber 241 einer Tastverhältniseinstellvorrichtung 242, einer Vorwärtsbasisstromquelle 243 und einer Rückwärtsbasisstromquelle 244 besteht. Ein Gleichrichter 5 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 verbunden und ein Kondensator 6 liegt über den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 5. Ein Spannungssensor 71 stellt die Ausgangsspannung der geschalteten Stromversorgung fest. Die Differenz zwischen der festgestellten Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung 72 wird mittels eines Verstärkers 73 verstärkt, bevor die Spannungsabweichung an die Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 angelegt wird.

Gemäß Fig. 9 gibt der Taktgeber 241 periodisch Taktimpulse ab. Die Tastverhältniseinstellvorrichtung 242, die diese Taktimpulse empfängt, bestimmt die jeweilige Dauer der Leitungsperiode t₁ und der Sperrdiode t₂ unter Ansprechen auf das Ausgangssignal des Verstärkers 73. Der hohe Pegel des Signals wird an die Vorwärtsbasisstromquelle 243 angelegt, in der die Zeitdauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 durch Subtraktion einer speziellen Zeit von der Leitungsperiode t₁ bestimmt wird. Für diese Berechnungen seien drei Möglichkeiten genannt. Die erste besteht darin, die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 durch Multiplikation einer Konstanten mit der Zeitdauer der Leitungsperiode t₁ zu bestimmen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Zeitdauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 durch Subtraktion einer Konstanten von der Zeitdauer der Leitungsperiode t₁ zu bestimmen. Die dritte Möglichkeit besteht darin, die Zeitdauer des Vorwärtsbasisstromimpulses I_B1 durch Subtraktion der unter Ansprechen auf den Kollektorstrom I_C bestimmten Speicherzeit (wie in Ausführungsbeispiel 3) von der Zeitdauer der Leitungsperiode t₁ zu bestimmen. Der niedrige Pegel des Ausgangssignals der Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 wird an die Rückwärtsbasisstromquelle 244 angelegt und es wird ein Rückwärtsbasisstromimpuls I_B2 an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 ohne Verzögerung unter Ansprechen auf die Rückflanke des von der Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 abgegebenen Impulses abgegeben.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich eine geschaltete Stromversorgung mit zwei unabhängigen Vorteilen, nämlich einer höheren Schaltfrequenz und einer geregelten Ausgangsgleichspannung.

Modifikation des Basistreibersystems in Anwendung auf das Ausführungsbeispiel 4

Die Fig. 10 und 11 zeigen, daß der Taktgeber 241 Taktimpulse abgibt, die jeweils durch eine RC-Differenzierschaltung 245 differenziert werden, deren Zeitkonstante geregelt wird durch Verändern der Impedanz eines Transistors 246, an dessen Basis das Ausgangssignal des Verstärkers 73 angelegt wird, der die Abweichung der Ausgangsgleichspannung der geschalteten Stromversorgung von der Bezugsspannung 72 verstärkt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 245 hat eine Signalform gemäß Zeile A in Fig. 11 und wird eigens einem Inverter 2 mit einer Schwellenspannung H nach Durchlauf durch eine Pegelverschiebungsschaltung 247 zugeführt, sowie an einen Inverter 249 mit einer Schwellenspannung L angelegt. Der Inverter 248 gibt ein erstes Signal mit geringer Breite gemäß Zeile B in Fig. 11 ab. Der Inverter 249 gibt ein zweites Signal C (Fig. 15) mit größerer Breite ab. Das erste Signal B wird in einer Treiberschaltung 250 invertiert, bevor es an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 angelegt wird, um diesen leitend zu schalten. Das zweite Signal C wird in einer Treiberschaltung 241 differenziert, bevor es an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 angelegt wird, um diesen zu sperren. Somit ergibt sich ein Basisstrom D in Fig. 11.

In Fig. 6 kann der Kondensator 233, die Kippstufe 236 und der Pufferverstärker 237 parallel geschaltet sein zu einem Zweig, bestehend aus einem Verstärker 238, dessen Ausgang über einen Widerstand 2311 mit der Basis eines Transistors 239 verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 2312 an negativer Spannung liegt. Der Kollektor des Transistors 239 ist ferner mit der Basis eines Transistors 2310 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 2313 an negativer Spannung liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors 3 verbunden ist.

Claims

1. Geschaltete Stromversorgung mit einem Transformator, dessen Primärwicklung eine Eingangsgleichspannung zugeführt wird, einer Schaltvorrichtung mit einem Schalttransistor, der periodisch den Primärstrom des Transformators unterbricht, einem Gleichrichter zum Gleichrichten des Wechselspannungsausgangssignals des Transformators, einer Glättungsschaltung zum Glätten der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters und einer Steuervorrichtung, die Rechteckimpulse erzeugt, an deren Vorderflanke beginnend dem Schalttransistor ein Vorwärtsbasisstromimpuls zugeführt wird und die am Ende der Transistorspeicherzeit einen den Schalttransistor sperrenden Rückwärtsbasisstromimpuls erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtsbasisstrom (I_B2) mit dem Ende der Rechteckimpulse beginnt und daß die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses (I_B1) mittels der Steuervorrichtung derart bemessen wird, daß sie gleich ist der Differenz zwischen der Dauer der Rechteckimpulse und der Speicherzeit (t_s) des Schalttransistors (3), so daß dieser für die Dauer der Rechteckimpulse leitend ist.

2. Geschaltete Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckimpulse abhängig von der Ausgangsgleichspannung breitengeregelt sind (Fig. 8).

3. Geschaltete Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses (I_B1) 20% bis 50% der Dauer der Rechteckimpulse beträgt.

4. Geschaltete Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung mittels der Kenndaten des Schalttransistors (3) und dessen Kollektorstrom die Speicherzeit (t_s) ermittelt und die Dauer des Vorwärtsbasisstromimpulses (I_B1) daraus berechnet wird (Fig. 6, 8).