DE3422777C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein beschaltetes Gleichrichterele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Gleichrichterelement ist bekannt aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66.
Gleichrichterelemente können zur Verringerung der Verlust­ leistung 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 Verlust­ leistung nur die ohmschen Verluste des Drain-Sourcewider­ standes R DS(on) auf. Diodenschwellwerte spielen keine Rolle, so daß sich ein solches Gleichrichterelement insbe­ sondere für Kleinleistungsspannungswandler eignet. Das aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66, bekannte Gleich­ richterelement 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 Ruhe­ leistung von 30 mW pro Teilnehmer gefordert sind, lassen sich mit bekannten Maßnahmen nicht verwirklichen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gleichrichterele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches bei kleiner Verlustleistung auch Stromlückbetrieb durch eine Speicherinduktivität, insbesondere Dreiecks­ strombetrieb zuläßt. Außerdem sollen zwei Verwendungen für ein solches Gleichrichterelement angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 bzw. durch die An­ sprüche 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 Energie­ abgabe 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 Ver­ lustleistung minimierte Wandler sind deshalb besonders wichtig. Auch im Zusammenhang mit sonnenenergiegespeisten Verbrauchern eignet sich der Gleichrichter nach der Erfin­ dung.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläu­ tert. Es zeigt
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 Eingangsgleich­ spannung U E in die Ausgangsgleichspannung U A um. Im Primär­ kreis dieses Wandlers liegt ein über eine Steuereinrichtung St gesteuerter elektronischer Schalter S 1 in Serie zur Pri­ märwicklung w 1 eines Leistungsübertragers W. Die Steuerein­ richtung St kann beispielsweise aus einem in Abhängigkeit von der Wandlerausgangsspannung gesteuerten Pulsbreiten­ modulator bestehen. Im Sekundärkreis des Wandlers liegt das Gleichrichterelement Gl nach der Erfindung in Serie zur Sekundärwicklung w 2 des Leistungsübertragers W. Der Leistungsübertrager W mit seiner Sekundärwicklung w 2 be­ deutet für das Gleichrichterelement Gl eine Beschaltung mit einer Speicherinduktivität. Parallel zu den Ausgangs­ klemmen K 1 und K 2 des Wandlers liegt ein Glättungskonden­ sator C. Das Gleichrichterelement Gl besteht aus einem in Rückwärtsrichtung betriebenen FET F 1, dessen Gateanschluß über die Sekundärwicklung ü 2 eines Stromwandlers Ü Ansteuer­ signale erhält. Die Primärwicklung ü 1 des Stromwandlers Ü liegt in Serie zur Sekundärwicklung w 2 des Leistungsüber­ tragers W. Der Wicklungssinn der Sekundärwicklung w 2 ist gleich dem Wicklungssinn der Primärwicklung ü 1. Die Drain­ elektrode des FET F 1 ist an den der Klemme K 1 abgewandten Anschluß der Serienschaltung, bestehend aus Sekundär­ wicklung w 2 und Primärwicklung ü 1, angeschlossen. Die Sourceelektrode des FET F 1 führt zur Klemme K 2. Zwischen den Klemmen K 1 und K 2 befindet sich die Serienschaltung der Schaltstrecken zweier komplementärer Transistoren T 1 und T 2, wobei der Transistor T 1 vom NPN und der Transistor T 2 vom PNP-Typ ist. Der Kollektor von T 1 führt zu Klemme 1 und der Kollektor von T 2 zur Klemme K 1. Die Emitter von T 1 und T 2 sind mit dem Gateanschluß des FET F 1 verbunden. Die Basisanschlüsse von T 1 und T 2 führen über den gemein­ samen Basiswiderstand R 1 zur Sourceelektrode des FET F 1, bzw. zur Klemme K 2. Die Basis-Emitterstrecken der Tran­ sistoren T 1 und T 2 sind durch die Sekundärwicklung ü 2 des Stromwandlers Ü überbrückt. Anhand der Zeitdiagramme ausgewählter Signale gemäß Fig. 2 wird nun die Funktion zuvor beschriebener Schaltung aufgezeigt.
Im Zeitintervall 0-t₁ fließt im Primärkreis über den elektronischen Schalter S 1 ein Energieaufnahmestrom für den Leistungsübertrager W (Fig. 2 erste Zeile gestrichelt). Der eine Speicherinduktivität darstellende Leistungsüber­ trager W wird magnetisiert. Sekundärseitig kann kein Strom fließen, da der VMOS-FET F 1 mit seiner Drain-Source-Diode in Vorwärtsrichtung gesperrt ist. Wird nun zum Zeitpunkt t₁ der elektronische Schalter S 1 geöffnet, polt sich die Spannung an der Leistungsübertragerwicklung w 2 um. Es kann nun ein Energieabgabestrom J a über die Drain-Source-Diode des FET F 1 fließen. Der FET F 1 wird nun in Rückwärtsrichtung betrieben. Der Leistungsübertrager wird entmagnetisiert. Zu Beginn die­ ser Energieabgabephase liegt für den Strom J a der Drain- Source-Widerstand R DS(on) parallel zur Drain-Source-Diode des FET F 1. Der Strom J a fließt auch durch die Primärwicklung ü 1 des Stromwandlers Ü in gleicher Richtung und verursacht an der Sekundärwicklung Ü 2 eine positive Basis-Emitter-Spannung. Der Transistor T 2 wird gesperrt und der Transistor T 1 wird leitend. Es fließt ein Basisstrom J BT 1(vgl. Fig. 2, Zeile 2). Der durchgeschaltete Transistor T 1 legt nun den Gateanschluß des FET F 1 auf das Potential der Ausgangsspannung (vgl. U GS F 1 in Fig. 2, letzte Zeile). Jetzt befindet sich im Sekundärkreis des Sperrwandlers hinsichtlich des FET nur noch der Drain- Source-Widerstand R DS(on) als Verlustwiderstand. Dadurch daß der Spannungsabfall am Drain-Source-Widerstand R DS(on) klei­ ner 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 ü 1 des Stromwandlers (vgl. Fig. 2 Zeitpunkt t₂), dann baut die Gate-Spannung U GS F 1 von FET F 1 eine negative Spannung an der Sekundär­ wicklung Ü₂ über den Basiswiderstand R 1 auf. Die Folge da­ von ist, daß der Transistor T 1 gesperrt wird und der Tran­ sistor T 2 leitend wird (vgl. Fig. 2, Zeile 3, Strom J BT2). Der Transistor T 2 bleibt solange im Leitendzustand, bis die Gate-Source-Kapazität von FET F 1 entladen ist (Fig. 2, Zeit­ punkt t₃). Nun beträgt U GS F 1 ungefähr 0 Volt, so daß FET F 1 sperrt. Während der Restzeit t₃-t₄ zwischen der Entmagnetisierung und Magnetisierung des Leistungsübertragers W ist der FET F 1 gesperrt. Ab dem Zeitpunkt t₄ wiederholt sich der Lade/Entladezyklus. Die Periodendauer T liegt im Mikrosekun­ denbereich, 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 F 1 fließen wollen, wird dies durch die in Sperrich­ tung gepolte Source-Drain-Diode des FET F 1 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 F 1 wie eine Diode.
In Fig. 3 ist die Verwendung des Gleichrichterelements nach der Erfindung für einen Flußwandler dargestellt. Der FET F 1 ersetzt hierbei die Freilaufdiode des Wandlers. Im Freilauf­ kreis befindet sich die Primärwicklung ü 1 eines Strom­ wandlers Ü in Serie zur Sekundärwicklung w 2 des Leistungs­ übertragers W. Die Ansteuerung des FET F 1 geschieht wie beim zuvor behandelten Ausführungsbeispiel über die Sekun­ därwicklung ü 2 des Stromwandlers Ü und die Transistoren T 1 und T 2. Der FET F 1 wird wie zuvor in Rückwärtsrichtung be­ trieben. Über die gleichen Ansteuermechanismen wie zuvor fließt im Freilaufkreis nur ein Strom J a, wenn die Speicher­ induktivität W entmagnetisiert werden soll. Bei Magnetisie­ rung der Speicherinduktivität W und während der übrigen Zeit sperrt der FET F 1 wie eine Diode.

Claims (4)

1. Mit einer Speicherinduktivität beschaltetes gesteuertes Gleichrichterelement, bestehend aus einem in Rückwärts­ richtung betriebenen FET, welcher über einen Übertrager steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertra­ ger (Ü) ein Stromwandler ist, dessen Primärwicklung (ü 1) in Serie zur Schaltstrecke des FET (F 1) liegt, daß die Sekundärwicklung (ü 2) des Stromwandlers (Ü) derart an den Steuereingang des FET (F 1) angeschlossen ist, daß letzterem während der Entmagnetisierung der Speicherin­ duktivität (W) ein Steuersignal zum Durchschalten zu­ führbar ist und während der Magnetisierung der Speicher­ induktivität (W) und einer eventuellen Restzeit zwischen diesen beiden Magnetisierungszyklen ein Durchschalten des FET (F 1) unterbleibt.
2. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der Freilaufdiode eines Flußwandlers.
3. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der (den) Diode(n) im Lastkreis eines Sperr­ wandlers.
4. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 3 mit folgender Beschaltung:
  • - die Drainelektrode des FET (F 1) ist über die Serien­ schaltung bestehend aus der Sekundärwicklung (w 2) der als Sperrwandlerübertrager ausgebildeten Speicherinduk­ tivität (W) und der Primärwicklung (ü 1) des Strom­ wandlers (Ü) an eine Ausgangsklemme des Sperr­ wandlers angeschlossen,
  • - die Sourceelektrode des FET (F 1) ist an die andere Ausgangsklemme (K 2) des Sperrwandlers angeschlossen,
  • - parallel zu den beiden Ausgangsklemmen (K 1, K 2) des Sperrwandlers liegt eine Serienschaltung zweier Schaltstrecken zueinander komplementärer Transisto­ ren (T 1, T 2),
  • - der gemeinsame Verbindungspunkt der Schaltstrecken­ elektroden der Transistoren (T 1, T 2) führt zum Gate­ anschluß des FET (F 1) sowie über die Sekundärwicklung (ü 2) des Stromwandlers (Ü) zu den Steuerelektroden der komplementären Transistoren (T 1, T 2),
  • - die Steuerelektroden der beiden zueinander komple­ mentären Transistoren (T 1, T 2) sind über einen ge­ meinsamen Basiswiderstand (R 1) mit der Sourceelektro­ de des FET (F 1) verbunden.
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