DE3712228C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 32 33 248 A1).

Eintakt-Sperrwandler sind z. B. aus Wüstenhube, "Schaltnetzteile", 1982, expert verlag/VDE-Verlag, Reihe Kontakt und Studium, Bd. 33, Seite 30, Bild 1.5 (mit Netztrennung), und Seite 177, Bild 5.5 (mit Netztrennung und Regelung), bekannt.

Aus DE 32 33 248 A1 ist ein Bordladegerät mit mehreren zyklisch ge­ schalteten Sperrwandlern bekannt, von denen jeder einen separa­ ten, in seinen Wandler integrierten Magnetspeicher (Luftspalt) hat. In Fig. 1 ist ein nach demselben Prinzip arbeitender, aus zwei bekannten Eintakt-Sperrwandlern zusammengesetzter geregelter Gleichspannungswandler schematisch dargestellt. Seine beiden Wandlerhälften, die je einen energiespeichernden Transformator 1 a bzw. 1 b enthalten, werden im Gegentakt betrieben. Die speisende Spannung Us liegt an zwei parallelgeschalteten Reihenschaltungen aus jeweils einer Primärwicklung eines der Transformatoren 1 a bzw. 1 b und einem Schalttransistor 2 a bzw. 2 b, die von einem Steuerbaustein 3 im Gegentakt angesteuert werden. Zu Beginn der Sperrphasen schlägt die Spannung an den Transformator- Sekundärwicklungen um und treibt über den jeweiligen Gleichrich­ ter 4 a bzw. 4 b einen Ladestrom zum gemeinsamen Speicherkondensa­ tor 5, an dem die Ausgangsspannung U 2 abgenommen wird. Letztere liegt auch über eine Schaltung 6 zur Potentialtrennung am Steuer­ baustein 3 und bewirkt eine Impulsbreitensteuerung der Schalt­ transistoren 2 a und 2 b, wodurch die Ausgangsspannung U 2 konstant geregelt wird.

Aus DE 28 14 706 B2 ist eine Sperrwandlerschaltung mit einer Vielzahl paralleler Wandlerzweige bekannt. Sie verwendet pro Wandlerzweig je einen eigenen Magnetspeicher, obwohl die Wand­ lerzweige gleichphasig gesteuert sind.

Fig. 2 zeigt eine zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung äquivalente Ersatzschaltung. An die Stelle jedes der beiden ener­ giespeichernden Transformatoren 1 a und 1 b der in Fig. 1 darge­ stellten Anordnung tritt hier ein idealer Transformator 7 bzw. 8, eine Drossel 9 bzw. 10 und ein weiterer Gleichrichter 11 bzw. 12. In jedem der beiden Eintakt-Sperrwandler liegt die Drossel 9 bzw. 10 in der Leitphase über den weiteren Gleichrichter 11 bzw. 12 an der Sekundärwicklung des zugehörigen Transformators 7 bzw. 8 und nimmt Energie auf, die in der Sperrphase über den Gleichrichter 4 a bzw. 4 b an den Speicherkondensator 5 abgegeben wird.

Fig. 3 zeigt schematisch eine bekannte Schaltung zur Entlastung eines Schalttransistors 13 eines Sperrwandlers. Ein Kondensator liegt einerseits an einem Verbindungspunkt einer Primärwicklung eines Wandlertransformators mit einem Schalttransistor und ande­ rerseits an einem Verbindungspunkt zweier gleichsinnig in Reihe geschalteter Gleichrichter 15 und 17, von denen der eine (17) mit dem an der einen Klemme der Speisespannung Us liegenden, vom Ver­ bindungspunkt abgewandten Anschluß der Primärwicklung und der andere (15) über eine Hilfsdrossel (16) mit dem an der anderen Klemme der Speisespannung liegenden, vom Verbindungspunkt abge­ wandten Anschluß des Schalttransistors verbunden ist.

Die Gleichrichter sind so gepolt, daß der mit der Primärwicklung verbundene Gleichrichter 17 zu Beginn der Sperrphase als Frei­ laufdiode wirkt und daß über den mit der Hilfsdrossel in Reihe liegende Gleichrichter zu Beginn der Leitphase eine den Kondensa­ tor entladende Halbwelle fließt. In der Entladezeit, also zu Be­ ginn der Sperrphase, werden durch den Kondensator 14 die Transi­ stor-Sperrspannung und damit die Verluste klein gehalten, die der noch nicht auf Null abgeklungene Transistorstrom erzeugt. Die beste Wirkung ergibt sich dabei, wenn der Kondensa­ tor 14 in der Leitphase über die Drossel 16 und den Gleichrichter 15 voll entladen wird, so daß an der Drossel die Spannung Null gerade erreicht wird. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn die Dauer der Leitphase eine Halbperiode beträgt. Dauert die Leitpha­ se länger, fließt durch den Gleichrichter 17 schon während der Leitphase Strom, was unnötige Blindleistung verursacht. Ist sie kürzer, was bei großer Speisespannung Us der Fall ist, wird der Kondensator 14 nur ungenügend umgeladen, so daß nur eine teilwei­ se Entlastung erreicht wird. Bei Regelung der Ausgangsspannung durch Impulsbreitensteuerung kann diese bekannte Entlastungs­ schaltung also nur für einen Punkt ihres Arbeitsbereiches richtig dimensioniert werden.

Eintakt-Sperrwandler besitzen im Vergleich zu Durchflußwandlern mehrere Vorteile, derentwegen sie im Bereich kleiner Leistungen häufig verwendet werden:

• - Sie weisen einen größeren, im Prinzip unbegrenzten Regelbereich auf.
• - Ihre Ausgangs-Gleichrichterschaltungen sind einfacher.
• - Ihre Ausgangs-Gleichrichterschaltungen erzeugen zueinander proportionale Ausgangsspannungen.
• - An ihren Schalttransistoren treten meist viel kleinere größt­ mögliche Sperrspannungen auf.

Für größere Leistungen werden Gegentakt-Durchflußwandler ihrer kleineren Energiespeicher wegen bevorzugt, wogegen Gegentakt- und Mehrtakt-Sperrwandler trotz der obengenannten Vorzüge ihres grö­ ßeren Gewichts und Volumens wegen nur selten eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ursache für das gegenüber Durchflußwandlern größere Gewicht und Volumen von für größere Leistungen bestimmte Gegentakt- und Mehrtakt-Sperrwand­ lern zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merk­ male gelöst.

Auf diese Weise wird schon bei einem Gegentakt-Sperrwandler die Dauer der Leistungszufuhr und Leistungsentnahme halbiert, und die Leistungszufuhren und -entnahmen kompensieren sich weitgehend.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet. Auf diese Weise benötigt der Wandler nur noch ein einziges magnetisches Bauelement.

Aus DE 13 19 009 B2 ist zwar ein Transformator eines als stromge­ speister Gegentaktschaltregler ausgebildeten Gleichspannungswand­ lers mit drei Sekundärkreisen bekannt, der zwei luftspaltlose Schenkel und einen luftspaltbehafteten, als gemeinsamer Energie­ speicher dienenden Schenkel aufweist. Doch erfordern alle drei Schenkel dieser bekannten Anordnung eine Bewickelung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 6 gekennzeichnet. Auf diese Weise arbeitet die Entlastungsschaltung gemäß Fig. 3 im ganzen Regelbereich optimal.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung sche­ matisch dargestellten Ausführungsformen erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 4 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles mit ei­ nem Ausgleichstransformator,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles mit nur einem einzigen magnetischen Bauelement besonderer Bauart und

Fig. 6 ein etwas ausführlicheres Schaltbild der in Fig. 4 darge­ stellten Anordnung.

Der in Fig. 4 dargestellte, aus zwei im Gegentakt betriebenen Eintakt-Sperrwandlerzweigen bestehende geregelte Gleichspannungs­ wandler verwendet zwei nahezu ideale Transformatoren 18, 19, eine gemeinsame Speicherdrossel 20 und einen gemeinsamen symmetrischen Ausgleichstransformator 21, dessen Mittelanschluß mit der Spei­ cherdrossel 20 verbunden ist. Die äußeren Anschlüsse des Aus­ gleichstransformators 21 liegen jeweils am einen Anschluß eines Gleichrichters 4 a′ oder 4 b′, dessen anderer Anschluß mit einem Speicherkondensator 5′ verbunden ist, und am einen Anschluß eines Gleichrichters 11′ oder 12′, dessen anderer Anschluß mit einer Sekundärwicklung eines der Transformatoren 18 oder 19 verbunden ist.

Jedem der beiden Wandlerzweigen wird über die Speicherdrossel 20 und den Ausgleichstransformator 21 ein Strom zugeführt, der der Hälfte des gespeicherten Drosselstromes entspricht.

In den Sperrphasen der Wandlerzweige fließt dieser Strom über die Gleichrichter 4 a′ bzw. 4 b′ teils zum Ladekondensator 5′ und teils über die Ausgangsklemmen zu einem nicht näher dargestellten Ver­ braucher. Dabei ist die Spannung an der Speicherdrossel negativ, so daß der Strom durch die Speicherdrossel abnimmt.

In den Leitphasen der Wandlerzweige fließt dieser Strom über die Gleichrichter 11′ und 12′ und über die Sekundärwicklungen der Transformatoren 18 und 19. Dabei ist die Spannung an der Spei­ cherdrossel 20 positiv, so daß der Strom durch die Speicherdros­ sel zunimmt.

Das in Fig. 5 vereinfacht dargestellte zweite Ausführungsbei­ spiel lehnt sich an die in Fig. 4 dargestellte Anordnung an, verwendet aber nur einen einzigen Eisenkern besonderer Bauart, der die vier Eisenkerne der beiden Wandler, der Speicherdrossel und des Ausgleichstransformators der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ersetzt. Dieser Eisenkern besitzt drei Schenkel, näm­ lich einen Schenkel 22, der einen Luftspalt 23 aufweist, in dem Energie gespeichert wird und der keine Wicklung zu tragen braucht, und zwei geschlossene Schenkel 24 und 25, von denen je­ der eine Primärwicklung 26 bzw. 27 und eine Sekundärwicklung 28 bzw. 29 eines Wandlerteils trägt. Die beiden Sekundärwicklungen 28 und 29 sind jeweils direkt über einen Gleichrichter 30 bzw. 31 mit einem Speicherkondensator 32 verbunden, an dem die Ausgangs­ spannung U 2 abgegriffen wird.

In der Leitphase, z. B. des linken Wandlerteils, liegt dessen Pri­ märwicklung 26 an der Speisespannung Us und nimmt Strom auf, wo­ bei Energie im Luftspalt 23 gespeichert wird. Dabei ist die an der Sekundärwicklung 28 auftretende Spannung so gepolt, daß der Gleichrichter 30 dieses Wandlerteils sperrt.

In der folgenden Sperrphase schlägt die Spannung an der Sekundär­ wicklung 28 um, so daß Strom über den Gleichrichter 30 fließt und den Kondensator 32 lädt.

Da die Wicklungen 26, 28 und 27, 29 der beiden Wandlerteile auf verschiedenen Schenkeln 24 bzw. 25 sitzen, die nur über den Schenkel 22 und den Luftspalt 23 magnetisch miteinander gekoppelt sind, können die beiden von einem Steuerbaustein 33 im Gegentakt angesteuerten Wandlerteile auch mit sich gegenseitig überlappen­ den Leitphasen betrieben werden. In der Leitphase des einen Wand­ lerteils kann daher der Gleichrichter des anderen Wandlerteiles je nachdem, ob der andere Wandlerteil in Sperrphase oder in Leitphase ist, leiten oder ebenfalls sperren.

Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung unterscheidet sich sekun­ därseitig von der in Fig. 5 gezeigten Prinzipanordnung unter anderem durch zwei weitere Gleichrichterkreise 34 und 35 , von denen der eine (34) eine Hilfsspannung U 2 h und von denen der an­ dere (35) eine Zusatzspannung Uz erzeugt. Schaltungselemente, die denjenigen der Fig. 5 entsprechen, tragen deren Bezugszeichen.

Auf der Primärseite liegt in jedem Wandlerteil die Reihenschal­ tung einer Primärwicklung 26 bzw. 27 und eines Schalttransistors an einer Eingangsspannung U 1, die sich aus der speisenden Span­ nung Us und der im Gleichrichterkreis 35 erzeugten konstant gere­ gelten Zusatzspannung Uz zusammensetzt. Daher ist der Variations­ bereich der Eingangsspannung U 1 wesentlich geringer als der mö­ gliche Variationsbereich der Speisespannungen Us beim Anlegen von Netzspannungen im Bereich von z. B. 100 Volt bis 240 Volt. Auf diese Weise werden sehr kurze Leitphasen vermieden, wodurch sich beträchtliche Verbesserungen des Wandlerwirkungsgrades und der Konstanz der Ausgangsspannung und gegebenenfalls auch weiterer ungeregelt mitgeführter Ausgangsspannungen ergeben.

Die vier Wicklungen 36, 37, 26 und 27 haben gleiche Windungszah­ len, und das mit dem Schalttransistor verbundene Ende jeder Pri­ märwicklung 26 bzw. 27 ist mit dem mit einem Gleichrichter 38 bzw. 39 des Gleichrichterkreises 35 verbundenen Ende der zugehö­ rigen Sekundärwicklung 36 bzw. 37 über einen Kondensator 40 bzw. 41 verbunden. Da auch die anderen Enden dieser Wicklungen über einen Ladekondensator 42 des Gleichrichterkreises 35 und den ge­ ringen Innenwiderstand von Us miteinander kapazitiv verbunden sind, sind diese Wicklungen praktisch parallel geschaltet. Auf diese Weise wird die Energie zurückgewonnen, die Takt für Takt in der Streuinduktivität der Schenkel 24 und 25 gespeichert wird.

Der in Fig. 6 dargestellte Wandler enthält eine Entlastungs­ schaltung, die der in Fig. 3 dargestellten Anordnung weitgehend entspricht, wobei gleichwirkende Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die hier angewandte Endlastungs­ schaltung unterscheidet sich aber vorteilhaft von der in Fig. 3 dargestellten Anordnung durch Einführen einer Hilfsspannung Ue in Serie zu der für beide Wandlerteile gemeinsamen Hilfsdrossel 16. Die Hilfsspannung Ue wird von einer auf dem mit dem Luftspalt 23 versehenen Schenkel 22 sitzenden Wicklung 43 erzeugt, die die halbe Windungszahl einer der vier Wicklungen 26, 27, 36 und 37 besitzt. Damit liegt während der Leitphase in Reihe zur Hilfsdros­ sel 16 eine Hilfsspannung Ue, die der halben Summe der Spannungen entspricht, die an den Primärwicklungen in der Leit- und in der Sperrphase liegen. Es gilt also Ue = ¹/₂ (U 1 + Uz). Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Kondensatoren 14 zu Beginn der Leitphasen immer entladen sind, so daß die Entlastungsschaltung im gesamten Regelbereich optimal arbeitet.

Wie schon bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird die Ausgangsspannung U 2 über eine Schaltung 33 zur Potentialtrennung zum regelnden Steuerbaustein 34 zurückgeführt. Während einer An­ laufphase wird der Steuerbaustein von einer Anlaßschaltung 35 aus der Speisespannung Us und später im Normalbetrieb über eine Diode 36 aus der Zusatzspannung Uz mit Betriebsspannung versorgt.

Claims (9)

1. Gleichspannungswandler, bestehend aus zwei oder mehreren Transformator-Sperrwandlern, die parallel an derselben Eingangs­ spannung liegen, im Gegentakt bzw. zyklisch eingeschaltet werden und ihre Leistung gemeinsam auf einen oder mehrere Ausgänge abge­ ben, dadurch gekennzeichnet, daß alle beteiligten Sperrwandler einen gemeinsamen magnetischen Energiespeicher besitzen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ener­ giespeicher eine Drossel (20) ist, der über einen oder mehrere Ausgleichstransformatoren (21) eine Hilfsspannung (Uh) zugeführt ist, die zur Summe der Spannungen der Wandlertransformatoren (18, 19) aller beteiligter Sperrwandler proportional ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein­ ziger Transformator vorhanden ist, der mehrere Schenkel (22, 24, 25) besitzt, von denen ein Schenkel (22) einen den Energiespei­ cher darstellenden Luftspalt (23) aufweist und von denen die üb­ rigen luftspaltlosen Schenkel (24, 25) jeweils eine Primärwicklung (26 bzw. 27) und mindestens eine Sekundärwicklung (28 bzw. 29) eines der beteiligten Sperrwandler tragen.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ gangsspannung (U 1) aus der Summe einer Speisespannung (Us), die einer Batterie oder einem Netzgleichrichter entstammt, und einer in einem weiteren Gleichrichterkreis ( 35 ) des Wandlers erzeugten geregelten Zusatzspannung (Uz) besteht.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pri­ märwicklungen (26, 27) und die zu dem die Zusatzspannung erzeugen­ den weiteren Gleichrichterkreis ( 35 ) gehörigen Sekundärwicklungen (36, 37) aller beteiligten Sperrwandler die gleiche Windungszahl aufweisen und in jedem Sperrwandler mittels eines Kondensators (40 bzw. 41) parallel geschaltet sind.

6. Wandler nach Anspruch 2, bei dem zur Verminderung der Aus­ schaltverluste parallel zu jeder Primärwicklung (26 bzw. 27) eine Entlastungskapazität (14) in Reihe zu einer Entlastungsdiode (17) geschaltet ist und bei dem jede Entlastungskapazität (14) über eine Ladediode (15) und eine Hilfsdrossel (16) während der jewei­ ligen Leitphase so geladen wird, daß an deren Ende an der Entla­ stungsdiode (17) keine Spannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Hilfsdrossel (16) eine mit dem Fluß des magnetischen Speichers gekoppelte Hilfswicklung (43) geschaltet ist, die eine weitere Hilfsspannung (Ue) liefert, die der halben Summe der Primärspannungen der Wandlerteile entspricht.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (43) auf dem den Luftspalt (23) aufweisenden Schen­ kel (22) sitzt.

8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung aus mehreren Teilwicklungen besteht, die jeweils auf einem der geschlossenen Schenkel sitzen und in Reihe geschal­ tet sind.

9. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung eine die und nur die geschlossenen Schenkel umfas­ sende Wicklung ist.