DE3422777A1 - Mit einer induktivitaet beschaltetes gesteuertes gleichrichterelement, sowie dessen verwendung - Google Patents

Mit einer induktivitaet beschaltetes gesteuertes gleichrichterelement, sowie dessen verwendung

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Description

  • Mit einer Induktivität beschaltetes gesteuertes
  • Gleichrichterelement, sowie dessen Verwendung Die Erfindung betrifft ein beschaltetes Gleichrichterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Gleichrichterelement ist bekannt aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66.
  • Gleichrichterelemente können zur Verringerung der Verlustleistung durch in Rückwärtsrichtung betriebene FET ersetzt werden. Im Ersatzschaltbild eines solchen FET erscheint der Drain-Sourcewiderstand parallel zu einer Diode. Im Durchschaltzustand (FET angesteuert) treten als Verlustleistung nur die ohmschen Verluste des Drain-Sourcewiderstandes RDS(on) auf. Diodenschwellwerte spielen keine Rolle, sodaß sich ein solches Gleichrichterelement insbesondere für Kleinleistungsspannungswandler eignet. Das aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66, bekannte Gleichrichterelement besitzt diese Vorteile, eignet sich jedoch nicht für Spannungswandler mit Stromlückbetrieb, welcher insbesondere bei Sperrwandlern auftritt. Spannungswandler mit galvanischer Trennung wie sie beispielsweise im ISDN-Netz (Integrated Service Digital Network) bei einer Ruheleistung von L30 mW pro Teilnehmer gefordert sind, lassen sich mit bekannten Maßnahmen nicht verwirklichen, Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gleichrichterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches bei kleiner Verlustleistung auch Stromlückbetrieb durch eine Speicherinduktivität, insbesondere Dreiecksstrombetrieb zuläßt. Außerdem soll eine Verwendung für ein solches Gleichrichterelement angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 bzw. durch die Ansprüche 2 und 3 gelöst. Anspruch 4 gibt eine vorteilhafte Weiterbildung an. Das Gleichrichterelement nach der Erfindung eignet sich auch für den Dreiecksstrombetrieb, d.h. auch während einer Stromlückzeit bei der sekundärseitigen Energieabgabe eines Sperrwandlers kann eine Steuerung des FET über einen Stromwandler erfolgen. Kleinleistungs-Spannungswandler mit galvanischer Trennung und sehr geringer Verlustleistung lassen sich mit dem Gleichrichterelement nach der Erfindung realisieren. Das Gleichrichterelement nach der Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz im ISDN-Netz, da hier erstmals teilnehmerindividuelle Spannungswandler vorgesehen sein sollen, die permanent Teilnehmerruheleistung aus der Fernmeldeamtsbatterie entnehmen. Hinsichtlich ihrer Verlustleistung minimierte Wandler sind deshalb besonders wichtig. Auch im Zusammenhang mit sonnenenergiegespeisten Verbrauchern eignet sich der Gleichrichter nach der Erfindung.
  • Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers mit einem Gleichrichterelement nach der Erfindung, Fig. 2 Zeitdiagramme ausgewählter Signale des Sperrwandlers und Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Flußwandlers mit einem Gleichrichterelement nach der Erfindung.
  • Der Sperrwandler gemäß Fig. 1 setzt die Eingangsgleichspannung UE in die Ausgangsgleichspannung UA um. Im Primärkreis dieses Wandlers liegt ein über eine Steuereinrichtung St gesteuerter elektronischer Schalter S1 in Serie zur Primärwicklung wl eines Leistungsübertragers W. Die Steuereinrichtung St kann beispielsweise aus einem in Abhängigkeit von der Wandlerausgangsspannung gesteuerten Pulsbreitenmodulator bestehen. Im Sekundärkreis des Wandlers liegt das Gleichrichterelement Gl nach der Erfindung in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Der Leistungsübertrager W mit seiner Sekundärwicklung w2 bedeutet für das Gleichrichterelement Gl eine Beschaltung mit einer Speicherinduktivität. Parallel zu den Ausgangsklemmen K1 und K2 des Wandlers liegt ein Glättungskondensator C. Das Gleichrichterelement Gl besteht aus einem in Rückwärtsrichtung betriebenen FET F1, dessen Gateanschluß über die Sekundärwicklung ü2 eines Stromwandlers 0 Ansteuersignale erhält. Die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers ü liegt in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Der Wicklungssinn der Sekundärwicklung w2 ist gleich dem Wicklungssinn der Primärwicklung ü1. Die Drainelektrode des FET F1 ist an den der Klemme K1 abgewandten Anschluß der Serienschaltung, bestehend aus Sekundärwicklung w2 und Primärwicklung ü1, angeschlossen. Die Sourceelektrode des FET F1 führt zur Klemme K2. Zwischen den Klemmen K1 und K2 befindet sich die Serienschaltung der Schaltstrecken zweier kompementärer Transistoren T1 und T2, wobei der Transistor T1 vom NPN und der Transistor T2 vom PNP-Typ ist. Der Kollektor von T1 führt zu Klemme 1 und der Kollektor von T2 zur Klemme K1. Die Emitter von T1 und T2 sind mit dem Gateanschluß des FET F1 verbunden.
  • Die Basisanschlüsse von T1 und T2 führen über den gemeinsamen Basiswiderstand R1 zur Sourceelektrode des FET F1, bzw. zur Klemme K2. Die Basis-Emitterstrecken der Transistoren T1 und T2 sind durch die Sekundärwicklung ü2 des Stromwandlers ü überbrückt. Anhand der Zeitdiagramme ausgewählter Signale gemäß Fig. 2 wird nun die Funktion zuvor beschriebener Schaltung aufgezeigt.
  • Im Zeitintervall O - t1 fließt im Primärkreis über den elektronischen Schalter S1 ein Energieaufnahmestrom für den Leistungsübertrager W (Fig. 2 erste Zeile gestrichelt).
  • Der eine Speicherinduktivität darstellende Leistungsübertrager W wird magnetisiert. Sekundärseitig kann kein Strom fließen, da der VMOS-FET F1 mit seiner Drain-Source-Diode in Vorwärtsrichtung gesperrt ist. Wird nun zum Zeitpunkt t1 der elektronische Schalter S1 geöffnet, polt sich die Spannung an der Leistungsübertragerwicklung w2 um. Es kann nun ein Energieabgabestrom Ja über die Drain-Source-Diode des FET F1 fließen. Der FET F1 wird nun in Rückwärtsrichtung betrieben.
  • Der Leistungsübertrager wird entmagnetisiert. Zu Beginn dieser Energieabgabephase liegt für den Strom Ja der Drain-Source-Widerstand RD5(0n)Parallel zur Drain-Source-Diode des FET Fl. Der Strom Ja fließt auch durch die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers 0 in gleicher Richtung und verursacht an der Sekundärwicklung 02 eine positive Basis-Emitter-Spannung.
  • Der Transistor T2 wird gesperrt und der Transistor T1 wird leitend. Es fließt ein Basisstrom JBT1 (vgl. Fig. 2, Zeile 2).
  • Der durchgeschaltete Transistor T1 legt nun den Gateanschluß des FET Fl auf das Potential der Ausgangsspannung (vgl. UG5 Fl in Fig. 2, letzte Zeile). Jetzt befindet sich im Sekundärkreis des Sperrwandlers hinsichtlich des FET nur noch der Drain-Source-Widerstand RDS(on) als Verlustwiderstand. Dadurch daß der Spannungsabfall am Drain-Source-Widerstand RDS(on) kleiner als die Durchlaßspannung der Drain-Source-Diode des FET ist, wird diese nicht wirksam. Ist die Speicherinduktivität - Leistungsübertrager W - entmagnetisiert, und es fließt kein Strom mehr durch die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers (vgl. Fig. 2 Zeitpunkt t2), dann baut die Gate-Spannung UGs F1 von FET F1 eine negative Spannung an der Sekundärwicklung U2 über den Basiswiderstand R1 auf. Die Folge davon ist, daß der Transistor T1 gesperrt wird und der Transistor T2 leitend wird (vgl. Fig. 2, Zeile 3, Strom JBT2).
  • Der Transistor T2 bleibt solange im Leitendzustand, bis die Gate-Source-Kapazität von FET F1 entladen ist (Fig. 2, Zeitpunkt t3). Nun beträgt UGs F1 ungefähr 0 Volt, sodaß FET F1 sperrt. Während der Restzeit t3 - t4 zwischen der Entmagnetisierung und Magnetisierung des Leistungsübertragers W ist der FET Fl gesperrt. Ab dem Zeitpunkt t4 wiederholt sich der Lade/Entladezyklus. Die Periodendauer T liegt im Mikrosekundenbereich, wohingegen die Zeit t2 - t3 im Nanosekundenbereich liegt. Der Abbildungsmaßstab während t2 - t3 ist in Fig. 2 gedehnt dargestellt. Würde etwa ein Strom von der Last durch den FET F1 fließen wollen, wird dies durch die in Sperrichtung gepolte Source-Drain-Diode des FET F1 verhindert. Es fließt im Sekundärkreis des Sperrwandlers nur ein Strom, wenn der Leistungsübertrager W entmagnetisiert werden soll. Während der übrigen Zeit - Magnetisierung und Restzeit - sperrt der FET F1 wie eine Diode.
  • In Fig. 3 ist die Verwendung des Gleichrichterelements nach der Erfindung für einen Flußwandler dargestellt. Der FET F1 ersetzt hierbei die Freilaufdiode des Wandlers. Im Freilaufkreis befindet sich die Primärwicklung ü1 eines Stromwandlers 0 in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Die Ansteuerung des FET F1 geschieht wie beim zuvor behandelten Ausführungsbeispiel über die Sekundärwicklung ü2 des Stromwandlers 0 und die Transistoren T1 und T2. Der FET F1 wird wie zuvor in Rückwärtsrichtung betrieben. über die gleichen Ansteuermechanismen wie zuvor fließt im Freilaufkreis nur ein Strom Ja wenn die Speicherinduktivität W entmagnetisiert werden. soll. Bei Magnetisierung der Speicherinduktivität W und während der übrigen Zeit sperrt der FET F1 wie eine Diode.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: Mit einer Speicherinduktivität beschaltetes gesteuertes Gleichrichterelement, bestehend aus einem in Rückwärtsrichtung betriebenen FET, welcher über einen Übertrager steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (ü) ein Stromwandler ist, dessen Primärwicklung (ül) in Serie zur Schaltstrecke des FET (F1) liegt, daß die Sekundärwicklung (ü2) des Stromwandlers (ü) derart an den Steuereingang des FET (F1) angeschlossen ist, daß letzterem während der Entmagnetisierung der Speicherinduktivität (W) ein Steuersignal zum Durchschalten zuführbar ist und während der Magnetisierung der Speicherinduktivität (W) und einer eventuellen Restzeit zwischen diesen beiden Magnetisierungszyklen ein Durchschalten des FET (F1) unterbleibt.
  2. 2. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der Freilaufdiode eines Flußwandlers.
  3. 3. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der (den) Diode(n) im Lastkreis eines Sperrwandlers.
  4. 4. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 3 für folgende Beschaltung: - die Drainelektrode des FET (F1) ist'über die Serienschaltung bestehend aus der Sekundärwicklung (w2) der als Sperrwandlerübertrager ausgebildeten Speicherinduktivität (W) und der Primärwicklung (ü1) des Stromwandlers (0) an eine Ausgangsklemme (K1) des Sperrwandlers angeschlossen, - die Sourceelektrode des FET (F1) ist an die andere Ausgangsklemme (K2) des Sperrwandlers angeschlossen, - parallel zu den beiden Ausgangsklemmen (K1, K2) des Sperrwandlers liegt eine Serienschaltung zweier Schaltstrecken zueinander komplementärer Transistoren (Tl, T2), - der gemeinsame Verbindungspunkt der Schaltstreckenelektroden der Transistoren (T1, T2) führt zum Gateanschluß des FET (Fl) sowie über die Sekundärwicklung (ü2) des Stromwandlers (0) zu den Steuerelektroden der komplementären Transistoren (Tl, T2), - die Steuerelektroden der beiden zueinander komplementären Transistoren (T1, T2) sind über einen gemeinsamen Basiswiderstand (Rl) mit der Sourceelektrode des FET (F1) verbunden.
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