DE3500627A1

DE3500627A1 - Gleichstrom-gleichstromwandler

Info

Publication number: DE3500627A1
Application number: DE19853500627
Authority: DE
Inventors: Dan Barry Annapolis Zeitlin, Md.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1985-01-10
Publication date: 1985-07-25
Also published as: GB2153113A; FR2558655A1; GB8500930D0; JPS60162479A

Description

Gleichstrom-Gleichstromwandler

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Gleichstromwandler (DC-DC-Wandler) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

DC-DC-Wandler dienen dem Zweck, die einer Last zugeführte Energie und insbesondere dessen Spannung konstant zu halten. Das Ausgangssignal von einem Zerhacker oder einem Impulsgenerator wird der Primärwicklung eines Transformators zugeführt, dessen an der Sekundärwicklung zur Verfügung stehende Spannung gleichgerichtet und gefiltert wird, wobei die Ausgangsspannung von dem Tastverhältnis des Impulsgenerators und dem Wicklungsverhältnis des Transformators bestimmt ist.

'* Um eine konstante ausgangsseitige Gleichspannung vorzusehen, muß eine Rückkopplung Verwendung finden, die das Tastverhältnis modifiziert, wenn die Ausgangsspannung vom gewünschten Wert abweicht. Üblicherweise wird ein Teil der Ausgangsspannung direkt dem Impulsgenerator als Rückkopplung zugeführt, um dieses Ziel zu erreichen. Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, bei welchen die Lastseite des Transformators von der Eingangsseite des Transformators gleichstrommäßig getrennt sein muß. Entsprechend müssen Umlaufströme, welche Komponenten zerstören können, und unerwünschte Felder verhindert werden, die gesundheitsschädlich sein können. Ferner sollen z.B. Maßnahmen getroffen werden, die eine Geräuschisolation nach beiden Seiten sicherstellen.

In solchen Situationen, bei welchen eine Entkopplung der Eingangsseite von der Ausgangsseite sichergestellt sein muß, kann der Rückkopplungszweig nicht direkt angeschlossen werden. Rückkopplungseinrichtungen, die eine gleichstrommäßige Entkopplung sicherstellen, können z.B. aus optischen Kopplern bestehen oder anderen Schaltkreisen, die zusätzliche Leistung für ihren Betrieb erforderlich machen. Derartige Schaltungen sind häufig temperaturempfindlich und nicht linear, wodurch eine nicht genaue Regelung verursacht werden kann.

\ WS420P-2888 Der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem die Ausgangsseite von der Eingangsseite durch eine Anordnung entkoppelt ist, die keine externe Leistung erforderlich macht und eine minimale Anzahl von Komponenten benötigt, wobei eine extreme Linearität gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in einem DC-DC-Wandler verwirklicht, in welchem ein Impulsgenerator mit veränderlichen Tastverhältnissen vorgesehen ist. Das Impulssignal wird der Primärwicklung eines Transformators zugeführt, dessen Sekundärwicklung das Ausgangssignal über eine Gleichrichtersehaltung und eine Filterschaltung an die Last anlegt. Zwischen den Ausgangsklemmen liegt ein Transistor, der in Abhängigkeit von dem Impulssignal an der Sekundärwicklung an- und abgeschaltet wird. Vom Transistor entkoppelte elektrische Einrichtungen, welche durch den leitenden bzw. nicht leitenden Zustand des Transistors erregt werden, liefern das Rückkopplungssignal, welches charakteristisch für die ausgangsseitige Gleichspannung ist. Das Rückkopplungssignal wird abgetastet und in einem spitzen Gleichrichter gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Signal wird zurückgeführt, um das Tastverhältnis des Impulsgenerators zu ändern, wenn die ausgangsseitige Spannung von dem gewünschten Wert abweicht.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bekannten DC-DC-Wandlers, Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer modifizierten AusfUhrungsform der Erfindung mit einer genaueren Rüekkopplungssteuerung,

WS420P-2888 Via-. 4

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine modifizierte weitere Ausführungsform der Erfindung.

Der bekannte Gleichstromwandler gemäß Fig. 1 umfaßt eine Wandlerschaltung 10, welche mit einem Impulsgenerator mit veränderlichem Tastverhältnis arbeitet. Das Ausgangssignal dieser Schaltung wird einem Transformator 12 zugeführt, der ausgangssei tig eine erhöhte bzw. verringerte Spannung, je nach dem Übersetzungsverhältnis, liefert. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, welche die bi-direktionalen Impulsschwingungen gleichrichtet und eine gleichgerichtete Impulsschwingung einem Filter zuführt. Der Ausgang 18 dieses Filters liefert eine konstante Gleichspannung für eine Last.

Ein Teil der Ausgangsspannung wird abgetastet und über eine Rückkopplungsschaltung 20 der Wandlerschaltung 10 zugeführt, um das Tastverhältnis zu verändern, wenn die Ausgangsspannung von dem gewünschten Wert abweicht. Wie bereits erwähnt, ist eine direkte Rückkopplung nicht zulässig, vielmehr muß eine gleichstrommäßige Entkopplung sichergestellt sein. Eine gleichstromentkoppelte Rückkopplung, welche die Nachteile des bekannten Aufbaus überwindet, ist in Fig. 2 dargestellt.

Bei diesem Aufbau liefert eine Wandlerschaltung 30 eine bi-direktionale Impulsschwingung am Ausgang. Derartige Wandlerschaltungen sind an sich bekannt und kommerziell erhältlich. Die Wandlerschaltung 30 hat Anschlußklemmen 31 und 32, über welche die Rückkopplungsspannung zugeführt wird, um das Tastverhältnis zu ändern. Dabei wird die Anschlußklemme 32 als Masseanschluß benutzt.

Die an die Primärwicklung 34 des Transformators Tl angelegte bi-direktionale Impulsschwingung wird symmetrisch an der Sekundärwicklung abgegriffen, welche einen Mittelabgriff 35 hat. Die beiden Wicklungsenden sind über Gleichrichterdioden 38 und 39 an die Filterschaltung angeschlossen, so daß an dieser eine gleichgerichtete Impulsschwingung wirksam ist. Das Filter besteht aus einer Induktivität 42 und einer Kapazität 43 und ist mit Ausgangsklemmen 46 und 47 verbunden, an welche eine Last angeschlossen werden kann. An diesen Ausgangsklemmen steht die gleichgerichtete und gefilterte Spannung zur Verfügung.

WS420P-2888 Die gleichstromentkoppelte

Die gleichstromentkoppelte Rückkopplungsschaltung umfaßt Transistoreinrichtungen, die in der einfachsten Form aus einem bi-polaren Transistor 50 bestehen, dessen Emitterelektrode 51 mit der Ausgangsklemme 47 verbunden ist. Der Basisanschluß 53 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators Tl über einen Widerstand 54 verbunden, dessen Größe derart ausgewählt ist, daß der Transistor 50 vom nicht leitenden in den Sättigungszustand entsprechend der an der Sekundärwicklung anliegenden Impulsschwingung schaltet. Ein weiterer Transformator T2 besitzt eine Primärwicklung 58, die mit der einen Seite an der Kollektorelektrode 52 des Transistors 50 liegt und mit der anderen Seite an die Anschlußklemme 46 angeschlossen ist. Der Transformator wird durch das An- und Abschalten des Transistors 50 und die wirksame Ausgangsspannung erregt. Durch diesen Betrieb entsteht an der Sekundärwicklung 59 des Transformators T2 eine Spannung, deren Amplitude von dem Wicklungsverhältnis des Transformators abhängt. Zwischen der Emitterelektrode 51 und dem Basisanschluß 53 ist eine Diode 60 vorgesehen, die den Basis-Emitterübergang des Transistors bei negativer Ansteuerung vor Beschädigungen schützt.

Die Amplitude der Spannung an der Sekundärwicklung 59 wird von einem Spitzendetektor gleichgerichtet, der z.B. aus einem Widerstand 62 und einer Diode 63 sowie einem Kondensator 64 bestehen kann. Der Spitzenwert des gleichgerichteten Rückkopplungssignals steht am Verbindungspunkt der Diode 63 mit dem Kondensator 64 zur Verfügung und wird an die Wandlerschaltung 30 über die Anschlußklemme 31 angelegt. Damit läßt sich das Tastverhältnis der Wandlerschaltung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen 46 und 47 variieren, wenn die Ausgangsspannung von dem vorgegebenen bestimmten Wert abweicht. Zu dem Kondensator 64 liegt ein Widerstand 66 parallelgeschaltet, mit dem die Zeitkonstante des Detektors eingestellt wird.

Der Spannungsabfall an der Diode 63 beträgt etwa 0,6 Volt, wobei sich dieser Wert um 0,25 Volt ändern kann bei den üblichen extremen Temperaturwerten. Wenn das Übersetzungsverhältnis des Transformators T2 ausreichend groß ist, ergibt sieh eine Spannung, die wesentlich größer als die Spannungsveränderung an der Diode 63 ist, womit man Nicht-Linearitäten normalisieren und eine an sich erforderliche Temperaturkompensation eliminieren kann.

WS420P-2888 Eine

Eine noch genauere Steuerung läßt sich mit Hilfe des Aufbaus gemäß Fig. 3 erzielen. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung stellt den Detektor dar, welcher zwischen den Transformator T2 und die Wandlerschaltung 30 der Schaltung gemäß Fig. 2 als modifizierte Schaltung eingesetzt werden kann. Dieser Schaltungsaufbau umfaßt eine weitere Diode 63' in der Masse-Leitung, welche auf der einen Seite über einen Widerstand 68 an eine positive Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der Spannungsabfall an der Diode 63' wird zu dem Spitzenwert am Detektorausgang addiert und ist bezüglich der Größe gleich dem Spannungsabfall an der Diode 63, so daß dadurch die durch die Diode 63 eingeführte Spannungsänderung kompensiert wird.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei für die Transistoreinrichtung ein Feldeffekttransistor 70 Verwendung findet. Dieser Feldeffekttransistor ist mit seinem Drain-Anschluß an die Ausgangsklemme 47 angeschlossen und liegt mit seinem Souree-Anschluß 72 über einem Widerstand 76 an der Ausgangsklemme 46. Der Gate-Anschluß 73 ist direkt mit der Sekundärwicklung des Transformators Tl auf der einen Seite verbunden. Damit wird der Feldeffekttransistor an- und abgeschaltet, entsprechend der an der Sekundärwicklung auftretenden Spannung. Der Vorteil in der Verwendung eines Feldeffekttransistors besteht in der Tatsache, daß dieser keinen Basisstrom zur Ansteuerung benötigt.

Der über den Feldeffekttransistor und insbesondere über den Widerstand 76 fließende Strom ist im leitenden Zustand proportional der Ausgangsspannung. Dieser Strom wird mit Hilfe eines Strom wandlers 78 abgetastet, der ebenfalls gleichstrom mäßig entkoppelt ist. Das Ausgangssignal des Stromwandlers stellt das Rückkopplungssignal dar. Der Stromwandler kann z.B. durch einen Operationsverstärker verwirklicht werden, dessen Ausgangsspannung proportional dem Spitzenwert des vom Stromwandler 78 gelieferten Stromes ist. Alternativ kann mit dem Stromwandler ein Widerstand 80 gemäß Fig. 4 verbunden sein, an welchem eine dem vom Stromwandler gelieferten Strom proportionale Spannung entsteht. Die Amplitude dieser Spannung ist ebenfalls proportional der Ausgangsspannung, welche über den Feldeffekttransistor 70 an- und abgeschaltet wird. Durch den nachgeschalteten Spitzen-Gleichrichter, welcher aus einem Widerstand 82 und einer Diode 83 sowie einem Kondensator 84 besteht, wird das gewünschte Rückkopplungssignal erzeugt und über die Anschlußklemme 31, wie bereits erwähnt, an die Wandlerschaltung 30 angelegt.

WS420P-2888 Die in Fig. 5

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung entspricht in wesentlichen Teilen der Schaltung gemäß Fig. 2, jedoch wird ein abgewandelter Detektor verwendet. Dieser Detektor 86 besteht aus einem Synchron-Demodulator, der die Spannung der Sekundärwicklung 59 des Transformators T2 abgreift, wenn diese das Maximum durchläuft, und diese Spannung so lange hält, bis der nächste Abtastvorgang stattfindet. Die Frequenz der Wandlersehaltung wird über die Anschlüsse 87 und 88 dazu benutzt, den Detektor synchron mit der Wandlerschaltung und der über den Rückkopplungszweig zugeführten Frequenz zu betreiben. Die Verwendung eines derartigen synchronen Demodulators als Detektor ist bekannt und steht als kommerzielle Schaltung zur Verfügung. Mit diesem synchronen Demodulator lassen sieh größere Bandbreiten erfassen.

WS420P-2888
FS/fr

Claims

Patentansprüche

Gleichstromwandler (DC-DC-Wandler) mit einem Transformator, dessen Primärwicklung von einer bi-direktionalen Impulsschwingung beaufschlagt wird, und dessen Sekundärwicklung an eine Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, um eine gleichgerichtete Impulsschwingung zu liefern, welche über ein Filter äusgangsseitig zur Ansteuerung einer Last als Gleichspannung zur Verfügung steht, und mit einer Rückkopplungsschaltung zur Ansteuerung der Wandlerschaltung in Abhängigkeit von der ausgangsseitigen Spannung,
dadurch gekennzeichnet,

- daß Transistoreinrichtungen (50; 70) zwischen die Ausgangsklemmen (46, 47) des Filters (42, 43) geschaltet und an dem Steuereingang (53) von der an der Sekundärwicklung des Transformators (Tl) liegenden Spannung beaufschlagt werden, um die Transistoreinrichtungen zwischen einem nicht leitenden und leitenden Zustand in Abhängigkeit von der Spannung an der Sekundärwicklung umzuschalten,

- daß weitere Entkopplungseinrichtungen (Transformator T2) mit den Transistoreinrichtungen verbunden sind und in Abhängigkeit vom leitenden bzw/nicht leitenden Zustand der Transistoreinrichtungen erregt werden, um ein der ausgangsseitigen Gleichspannung entsprechendes Rückkopplungssignal zu übertragen

- und daß Detektoreinrichtungen (62-64; 80-84; 86) vorhanden sind, welche das Rückkopplungssignal gleichrichten und an die Wandlerschaltung (30) zur Steuerung des Tastverhältnisses anlegen.

WS420P-2888
FS/fr
2) Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wandlerschaltung (30) derart aufgebaut ist, daß das Tastverhältnis der ausgangsseitigen bi-direktionalen Impulsschwingung in Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal veränderbar ist.
3) Gleichstromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Entkopplungsschaltung ein zweiter Transformator (T2) Verwendung findet, dessen Primärwicklung in Serie zu den Transistoreinrichtungen geschaltet ist, und dessen Sekundärwicklung mit dem Spitzendetektor (62-64; 86) verbunden ist.
4) Gleichstromwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß für die Transistoreinrichtungen (50) ein bi-polarer Transistor Verwendung findet, dessen Basisanschluß (53) mit der Sekundärwicklung des Transistors (Tl) über einen Widerstand (54) verbunden ist.
5) Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Detektoreinrichtung (62-64) ein Spitzen-Gleichrichter ist.
6) Gleichstromwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Detektoreinrichtung (86) aus einem synchronen Demodulator besteht.
7) Gleichstromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoreinrichtungen (70) ein Feldeffekttransistor sind, dessen Gate-Anschluß direkt mit der Sekundärwicklung des Transformators (Tl) verbunden ist.
8) Gleichstromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß im Stromkreis des Feldeffekttransistors ein Stromwandler (78) angeordnet ist, der den über den Feldeffekttransistor fließenden Strom abgreift und als gleichstromproportionale Spannung an die Detektoreinrichtungen anlegt.

\ WS420P-2888
9) Gleichstromwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - daß parallel zum Stromwandler (78) ein Widerstand (80) geschaltet ist, an dem das der ausgangsseitigen Gleichspannung proportionale Rückkopplungssignal abgreifbar ist.

WS420P-2888

FS/fr