DE3530950A1

DE3530950A1 - Schaltungsanordnung zum umwandeln einer gleichspannung in eine wechselspannung

Info

Publication number: DE3530950A1
Application number: DE19853530950
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Tucson Ariz. Somerville
Original assignee: Burr Brown Corp
Current assignee: Texas Instruments Tucson Corp
Priority date: 1984-08-30
Filing date: 1985-08-29
Publication date: 1986-03-13
Also published as: FR2569914B1; GB2163911B; FR2569914A1; JPH0447555B2; GB2163911A; GB8517769D0; JPS6162366A

Description

Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrom- bzw. Gleichspannungswandler (DC-to-DC-Converter), nachstehend als DC/ DC-Wandler bezeichnet, und auf Wandler zum Umwandeln von Gleichstrom bzw. Gleichspannung in Wechselstrom bzw. Wechselspannung (Dc-to-AC-Converter), nachstehend als DC/AC-Wandler bezeichnet, und sie bezieht sich insbesondere auf Wandler, die mit Stromschaltern zur Aktivierung von Primärspulen des an der Umwandlung beteiligten Transformators arbeiten.

Es ist bekannt, in primären Transformatorwicklungen periodisch Stromschalter , z.B. gesteuerte Siliziumgleichrichter, zu aktivieren, um in den Sekundärwicklungen eine Spannung (und einen Stromfluß) von wechselnder Phase zu erzeugen. Wenn der Strombedarf nicht übermäßig ist, ist es bekannt, die Frequenz, bei der die Wandler arbeiten können, heraufzusetzen. Höhere Frequenzen erlauben die Verwendung räumlich kleinerer Komponenten, z.B. Konsensatoren. Mit der Verwendung höherer Frequenzen werden jedoch andere Effekte bedeutsam. Es ist beispielsweise bekannt, zur Steuerung des

QQ Leitens durch zwei Schalter (und durch jedem Schalter zugeordnete Transformatorwicklungen) einen gemeinsamen Oszillator zu benutzen. Um ein gleichzeitiges Leiten durch die beiden Schalter, das zu einem übermässigen-Energieverbrauch führen kann, zu verhindern, kann zwischen den Os-

gg zillator und einen der Transistoren ein Inverterelement geschaltet werden. Mit wachsender Frequenz kann die Ver-

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zögerung des Inverterelements zu einem unerwünschten gleichzeitigen Leiten durch die beiden Schalter führen.

Demgemäß besteht ein Ziel der Erfindung darin, einen verbesserten Wandler zum Umwandeln eines Gleichstrom-Signals in ein Wechselstrom-Signal zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, zwei Transistoren zum alternierenden Einführen von Strom in zwei IQ Primärwicklungen zu⁴schaffen.

Ein besonderes Ziel der Erfindung besteht darin, Schalter zum alternierenden Einführen von Strom in Primärwicklungen eines Transformators zu schaffen, wobei die erfindungsge-■^5 mäße Schaltungsanordnung ein gleichzeitiges Leiten der beiden Schalter verhindert.

Ein weiteres besonders Ziel der Erfindung besteht darin, eine dritte Spule in der Primärwicklungsanordnung eines

2Q Transformators vorzusehen, wobei die dritte Wicklung das Leiten von Strom durch einen der beiden Transistorschaltkreise und damit die Stromleitung zu einer zugehörigen Transformatorwicklung steuert. Ein weiteres besonderes Ziel der Erfindung besteht darin, zwei Transistor-Schalt-

2g einheiten zu schaffen, die alternierend Strom an die beiden Primärwicklungen eines Transformators anlegen, wobei die beiden Schalteinheiten nicht gleichzeitig leitend sind.

Die vorstehenden und weitere Ziele der Erfindung werden _o_ durch einen Transformator erreicht, der in der Primärspulenanordnung drei Wicklungen aufweist. Die ersten beiden Primärwicklungen bringen alternierend Strom von entgegengesetzter Phase in den Transformator ein. .Die Steuerung von Strom durch jede der beiden Wicklungen wird von einer Transistorschalteinheit durchgeführt, die jeder

Wicklung zugeordnet ist. Das Leiten einer ersten Transistor-Schalteinheit und folglich die Leitung durch eine zugehörige Primärwicklung, wird durch eine Einrichtung zum periodischen Anlegen und Entfernen eines Betätigungssignals an das Steuerelement (Tor) der Transistor-Schalteinheit durchgeführt. Das Leiten der zweiten Transistor-Schalteinheit und folglich das Leiten von Strom durch eine zugehörige zweite Stromwicklung wird durch eine Spannung gesteuert, die in einer dritten Wicklung erzeugt und an das Steuerelement (Tor) 'der zweiten Transistor-Schalteinheit angelegt wird. Die Spannung in der dritten Wicklung hat dis richtige Phase zum Zulassen des leitenden Zustands in der zweiten Transistor-Schalteinheit nach Unterbrechung des Stromes in der ersten Primärwicklung. Die beiden Transistoren können nicht gleichzeitig leiten.

Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich in näheren Einzelheiten aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema eines DC/DC-Wandlers gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die Steuerspannungen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darstellt.

In Fig. 1 sind die Klemmen 5 und 6 die Spannungseingangs- QQ klemmen für eine Gleichspannung, wobei die Klemme 5 an eine positive Eingangsspannung und die Klemme 6 an eine gegenüber der Klemme 5 negative Eingangsspannung angeschlossen ist. Die Klemme 5 ist über eine Kapazität 14 mit der Klemme 6, ferner mit einer Klemme eines Widerstandes 11 und gg mit einer Klemme verbunden, die zwischen den beiden Haupt-

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Primärwicklungen 33 und 34 liegt. Die zweite Klemme des Widerstandes 11 ist an die Klemmen 14, 4, 5 und 6 eines Multivibrators 10 (4047B) und über eine Kapazität 15 an die Eingangsklemme 6 angeschlossen. Die Klemme 3 des MuI-tivibrators 10 ist über einen Widerstand 14 mit der Klemme 2 des Multivibrators 10 und über eine Kapazität 13 mit der Klemme 1 des Multivibrators IO verbunden. Die Klemmen 7,8, 9 und 12 des Multivibrators 10 sind an die Eingangsklemme 6 angeschlossen. Die Eingangsklemme 6 ist mit einer Source-Klemme eines MOS-Transistors 20, einer Source-Klemme eines MOS-Transistors 21 und über eine erste Primärwicklung 32 des Transformators 30 mit einer Gate-Klemme des Transistors 21 verbunden, wobei die Standard-oder Bezugspolarität der ersten Primärwicklung 32 an der Gate-Klemme liegt. Die Drain-Klemme des Transistors 21 ist über eine zweite Primärwicklung 33 an die Zwischenklemme 31 angeschlossen, wobei die Standard- oder Bezugspolarität der zweiten Primärwicklung 33 an der Zwischenklemme liegt. Die Gate-Klemme des Transistors 20 ist mit der Klemme 11 des Multivibrators 10 verbunden, während die Drain-Klemme des Transistors 20 über eine dritte Primärwicklung 34 des Transformators 20 mit der Zwischenklemme 31 verbunden ist, wobei die Standard- oder Bezugspolarität der dritten Transformator-Primärwicklung an der Drain-Klemme des Transistors 20 liegt. Die Ausgangsklemmen der in den Sekundärwicklungen des Transformators 30 erzeugten Spannungen sind mit 51, 52 und 53 bezeichnet. Die Ausgangsklemme 51 ist die positive Klemme, die Ausgangsklemme 52 ist die gemeinsame Klemme, und die Ausgangsklemme 53 bildet die negative Klemme. Die Ausgangsklemme 52 ist über eine Kapazität 45 an die Klemme 51 , über eine Kapazität 46 an die Klemme 53 und an der Klemme 39 an die Sekundärwicklungen 37 und 38 des Transformators 30 angeschlossen. Die Standard- oder Bezugspolarität der Sekundärwicklung 38 ist der Klemme 39 zugeordnet. Die zweite Klemme der sekundären Transformatorwicklung 38

ist mit einer Kathodenklemme einer Diode 44 und einer
Anodenklemme einer Diode 42 verbunden. Die zweite Klemme der Sekundärwicklung 37, die Klemme von Standard - oder Bezugspolarität ,^J ist an eine Anode einer Diode 41 und an
eine Kathode einer Diode 43 angeschlossen. Die Anode der Diode 41 und die Anode der Diode 42 sind mit der Klemme verbunden, während die Kathode der Diode 44 und die Kathode der Diode 43 an die Klemme 53 angeschlossen sind. Da der Wandler für einen Betrieb bei verhältnismäßig hohen Frequenzen ausgelegt ist, ist der Transformator 30 abgeschirmt. Typische Werte für die Elemente sind 6,8 KGhm für den
Widerstand 11 und den Widerstand 14, 22pF für die Kapazität 13, 0,01yuF für die Kapazität 15 und 0,33^uF für die Kapazität 14. Typische Betriebsparameter sind eine Frequenz von 600 KHz und eine Eingangsspannung von 15 Volt.

Die Fig. 2 zeigt idealisierte Kurvenformen für den von den Transistoren 20 und 21 geleiteten Strom im dargestellten Leerlauf-Zustand (lastloser Zustand), und zwar zusammen

mit den idealisierten Kurvenformen für die Gate-Spannungen, die die zugehörigen Transistoren steuern. Die Gate-Spannunq des Transistors 20 kann bei einer typischen Betriebsart von 0 bis 6V alternieren, während sich die Gate-Spannung des Transistors 21 von -6V bis +6V ändert.

Arbeitsweise:

Gemäß Fig. 1 ist der Multivibrator 10 so ausgelegt, daß
er als Oszillator zum Anlegen eines Signals von der Klemme 11 zum Gate des Transistors 20 über eine vorbestimmte Zeitperiode wirkt. Der Oszillator entfernt dann das den
Transistor 20 aktivierende Signal im wesentlichen für
die gleiche Zeitperiode. Während der Aktivierungsperiode des Transistors 20 fließt Strom von der Klemme 5 zur Klemme 6 durch die Primärwicklung 34. Wenn Strom durch die

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Primärwicklung 34 fließt, wird in der Primärwicklung 32 eine Spannung induziert. Die Polarität der induzierten Spannung an der Wicklung 32 hält den Transistor 21 in einem nicht-leitenden Zustand. Wenn das Aktivierungssignal von dem Gate-Anschluß des Transistors 20 entfernt und der Transistor in einen nicht leitenden Zustand gebracht wird, wird der Strom in der Primärwicklung unterbrochen, und es wird eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft erzeugt, die bei dem an dem Gate-Anschluß des Transistors 21 anliegenden Signal einen Polaritätswechsel hervorruft. Diese Polaritätsänderung bewirkt, daß der Transistor 21 leitend wird. Dann fließt Strom durch die Wicklung 33,womit eine Änderung des Stromflusses in die sekundären Wicklungen einhergeht und der leitende Zustand des Transistors 21 durch die in der Wicklung 32 induzierte Spannung aufrechterhalten wird. Der Transistor 21 bleibt in einem leitenden Zustand, bis das Aktivierungssignal an den Transistor 20 angelegt wird, und der Stromfluß durch die primäre Wicklung 34 induziert in der Wicklung 32 eine Spannung, die bewirkt, daß der Transistor 21 in einen nicht-leitenden Zustand gebracht wird. Es ist somit ersichtlich, daß das Leiten durch den Transistor 21 durch das Nicht-Leiten durch den Transistor 20 bestimmt wird und eine gleichzeitige Betätigung der beiden Transistoren nicht stattfinden kann.

Die Elemente 41, 42, 43 und 44 schaffen eine Vollweg-Gleichrichtung des Transformatorsignals zum Herbeiführen eines Gleichspannungs-Ausgangs an den Klemmen 51 und 53. 3Q Es versteht sich, daß auch eine DC/AC-Umwandlung durch Weglassen der Gleichrichterelemente erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann so funktionieren, daß in dem Transformatorkern ein magnetischer Fluß vom Wert Null aufrechterhalten wird. Dies führt für kleine

— "7 —

³⁵³⁰⁹⁵°

Auswanderungen vom Zustand gleicher Transistoreinschaltzyklen dazu, daß die Einschaltzyklen eines ieden Transistors qleich qemacht werden. Jeqliche kleine Ungleichheit der Einschaltz'yklen hat zur Folge, daß sich im Transformatorkern ein Fluß akkumuliert. und zu einer Änderung des Leitungseinsatzes (on-set des Leitens) in den Transistoren führt.

Die vorstehende Beschreibung dient der Erläuterung der Erfindung, und es versteht sich, daß vielerlei Abwandlungen getroffen werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung überschritten wird.

- Leerseite

Claims

P atentansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer eine erste Primärwicklung, eine zweite Primärwicklung und eine Steuer-Primärwicklung aufweisenden Transformatoreinrichtung, gekennzeichnet durch eine erste Schalteinrichtung, die an die erste Primärwicklung angeschlossen ist,um einen magnetischen Fluß in einem Kern dieser Transformatoreinrichtung zu erzeugen, und durch eine zweite Schalteinrichtung, die an die zweite Primärwicklung angeschlossen ist, um einen Fluß in dem Transformatorkern zu erzeugen, wobei die Steuer-Primärwicklung die zweite Schalteinrichtung in Abhängigkeit von vorbestimmten Kernfluß-Bedingungen aktiviert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung einen ersten Transistor aufweist, der in Serie zwischen die Gleichspannung und die erste Primärwicklung geschaltet ist.

gO

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rch gekennzeichnet, daß die zweite Schalteinrichtung einen zweiten Transistor aufweist, der zwischen die zweite Primärwicklung und die Gleichspannung geschaltet ist, wobei ein Steuerelement des zweiten Transistors·an die

gg Steuer-Primärwicklung der Transformatoreinrichtung angeschlossen ist.

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4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schalteinrichtung für etwa gleiche Perioden eines--Zyklus aktiviert werden, wobei der magnetische Fluß des Kernes die Zyklusperioden gleich macht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß des Transformatorkernes einen-Gleichgewichtszustand für Arbeitsperioden durch die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung herstellt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung während einer ersten Periode eines Zyklus Strom an die Transformator-Einrichtung anlegt, die zweite Schalteinrichtung während einer zweiten Periode des Zyklus Strom an die Transformatoreinrichtunq anleqt, und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die zweite Schalteinrichtung aktiviert, wenn die erste Schalteinrichtung entaktiviert ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadur ch gekennzeichnet, daß die erste Zyklusperiode und die zweite Zyklusperiode einen Gleichgewichtszustand aufweisen.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch

QQ gekennzeichnet, daß die Transformatoreinrichtung eine Sekundärwicklung aufweist, die erste Schalteinrichtung an die erste Primärwicklung angeschlossen ist, um periodisch eine Stromleitung durch die erste· Primärwicklung herbeizuführen, und die zweite Schalteinrich-

gg tung an die zweite Primärwicklung und an die Steuer-

wicklung angeschlossen ist, um eine Stromleitung durch die zweite Primärwicklung herbeizuführen, wenn die erste Schalteinrichtung nicht stromleitend ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung einen Oszillator und einen ersten Transistor aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u rch gekennzeichnet, daß die zweite Schalteinrichtung einen zweiten Transistor aufweist und das Leiten von Strom durch den zweiten Transistor hindurch durch Spannung von der Steuerwicklung gesteuert ist, die an ein Steuerelement des zweiten Transistors angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an Klemmen

der Sekundärwicklung eine Wechselspannung hoher Fre- \

quenz ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Periode des Leitens durch die erste Schalteinrichtung und eine Periode des Leitens durch die zweite Schalteinrichtung einen Gleichgewichtszustand erreichen.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoreinrichtung eine dritte Primärwicklung aufweist, ein erster Transistor an die erste Primärwicklung angeschlossen ist, um das Leiten von Strom durch die erste Wicklung hindurch während eines ersten Teils eines Zyklus zu -steuern, eine Signaleinrichtung zum Aktivieren des ersten Transistors vorgesehen ist und ein zweiter Transistor

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an die zweite Wicklung angeschlossen ist, wobei der zweite Transistor das Leiten von Strom durch die zweite Wicklung hindurch steuert und an die dritte Wicklung eingeschlossen ist, die bewirkt, daß der zweite Transistor während eines zweiten Teils des Zyklus leitend ist.

14. Schaltunqsanordnunq nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren komplementäre Metalloxyd-Halbleiterelemente sind und die dritte Wicklung zwischen eine Gate-Elektrode und eine Source-Elektrode des zweiten Transistors geschaltet ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, d adurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung direkt zwischen eine Gate-Elektrode und eine Source-Elektrode des zweiten Transistors geschaltet ist.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, d adurch gekennzeichnet, daß die Signaleinrichtung ein Multivibrator ist.

17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoreinrichtung an den Klemmen der Sekundärwicklungen einen hochfrequenten Wechselstromausgang schafft.

18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zyklus-3Q teil und der zweite Zyklusteil eine Gleichgewichtsbeziehung aufweisen.

19. Verfahren zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß Anspruch 1, dadurch ge-

gg kennzeichnet, daß ein erster Schalter aktiviert wird,

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1 der bewirkt, daß während eines ersten Teils eines Zyklus Strom durch die erste Primärwicklung der Transformatoreinrichtung fließt, daß der erste Schalter am Ende des ersten Zyklusteiles entaktiviert wird und

5 die Entaktivierung bewirkt, daß ein Steuersignal in der Steuer-Primärwicklung der Transformatoreinrichtung erzeugt wird, und daß mit dem Steuersignal ein zweiter ■ Schalter aktiviert wird, wodurch eine Stromleitung in

der zweiten Primärwicklung der Transformatoreinrich-10 tung bewirkt wird.