DE3808433C1 - Adjustable push-pull DC/DC converter and method for its control - Google Patents

Adjustable push-pull DC/DC converter and method for its control

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Abstract

In the case of known push-pull DC/DC converters having low component expenditure, the output voltage is at most equal to the input voltage, irrespective of the transformation ratio of the transformer. The new arrangement is intended to make it possible for the output voltage to be greater than the input voltage with similar expenditure on components. In addition, a method for controlling the new converter is intended to be provided. The push-pull DC/DC converter has an inductive input and four semiconductor switches in a bridge circuit, one of whose diagonals contains the transformer and the other the input voltage source. The storage inductor consists of two magnetically coupled inductors, one of which is connected via an additional semiconductor switch to the centre tap of the transformer. It is important for one circuit running through the input voltage source and through a storage inductance to be closed during each phase. The push-pull DC/DC converter is suitable for use with high supply voltages.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegentaktgleichspannungswandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung des Wandlers.The invention relates to a push-pull DC-DC converter according to the preamble of claim 1 and a method to control the converter.

Für regelbare Gegentaktgleichspannungswandler zum Betrieb an hohen Versorgungsspannungen werden wegen der geringen Spannungsbelastung der Halbleiterschalter Brückenwandler eingesetzt. Zur Erzielung eines niedrigen Eingangsbrummens ist ein induktiver Eingang vorgesehen. Man erwartet außerdem von einem Wandler, daß er einen kontinuierlichen Ausgangsstrom zur Verringerung der Siebmittel aufweist.For adjustable push-pull DC-DC converters for operation high supply voltages are due to the low Voltage load of the semiconductor switch bridge converter used. To achieve a low input hum an inductive input is provided. One also expects from a converter that he is a continuous Output current to reduce the sieving means.

Ein Gegentaktgleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 29 01 761 bekannt. Dieser Wandler weist eine Speicherinduktivität aus zwei magnetisch verkoppelten Speicherdrosseln auf. Es findet ein Ladevorgang der Speicherdrosseln statt, wenn einer der Schalter der Brückenschaltung geschlossen ist und ein Eingangsstrom von der Eingangsspannungsquelle über eine Speicherdrossel zur Mittenanzapfung der Primärwicklung des Transformators und dann wieder zur Eingangsspannungsquelle fließt. Anschließend findet ein Entladevorgang der Speicherdrosseln statt. Dabei ist wieder ein Schalter der Brückenschaltung geschlossen und ein Entladestrom fließt von der zweiten Speicherdrossel zur Mittenanzapfung der Primärwicklung und dann zurück zur Speicherdrossel. Ein weiterer Ladevorgang schließt sich an. Während des Entladevorgangs liegt die Eingangsspannung nicht am Transformator an. Die Ausgangsspannung ist bei diesem Wandler abgesehen vom Übersetzungsverhältnis des Transformators maximal gleich der Eingangsspannung.A push-pull DC-DC converter according to the preamble of claim 1 is known from DE-OS 29 01 761. This converter has a memory inductance made up of two magnetically coupled storage chokes. It finds one Loading of the storage chokes takes place if one of the Switch of the bridge circuit is closed and on Input current from the input voltage source via a Storage choke for tapping the primary winding of the Transformer and then back to the input voltage source flows. Then the unloading process takes place Storage chokes instead. Here is a switch again Bridge circuit closed and a discharge current flows from the second storage choke to tap the center Primary winding and then back to the storage choke. A  further charging follows. During the The input voltage is not present during the discharge process Transformer. The output voltage is at this Converter apart from the gear ratio of the Transformer maximum equal to the input voltage.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Gegentaktgleichspannungswandler in Brückenschaltung anzugeben, dessen Ausgangsspannung abgesehen vom Übersetzungsverhältnis des Transformators, bei vergleichbarem Bauelementaufwand größer als die Eingangsspannung ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Gegentaktgleichspannungswandlers anzugeben.The invention is based on this prior art the task is based on a push-pull DC-DC converter to specify in bridge circuit, its output voltage apart from the transformation ratio of the transformer, at comparable component expense larger than that Input voltage is. It is also an object of the invention a method for controlling such To specify push-pull DC voltage converter.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Gegentaktgleichspannungswandlers durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.This task is related to the Push-pull DC-DC converter through the features of Claim 1 and with respect to the method by the Features of claim 2 solved.

Der Gegentaktwandler als Boostregler ist bereits aus dem Aufsatz "The Venable converter" von R. Hayner et al in PESC 1976, RECORD (IEEE) bekannt, infolge des Gegentaktbetriebes ist die Spannungsbelastung der Schalter sehr hoch, die Störanfälligkeit ist groß und die Regelung ist verglichen mit dem erfindungsgemäßen Gegentaktgleichspannungswandler aufwendig. Außerdem ist der Bauelementeaufwand für diesen Wandler sehr hoch.The push-pull converter as a boost controller is already out of the Essay "The Venable converter" by R. Hayner et al in PESC 1976, RECORD (IEEE) known due to push-pull operation the voltage load on the switches is very high The susceptibility to faults is high and the regulation is compared with the push-pull DC-DC converter according to the invention complex. In addition, the cost of components for this Converter very high.

Der erfindungsgemäße Gegentaktgleichspannungswandler weist einen induktiven Eingang auf. Der Ausgangsstrom ist kontinuierlich und weist keine Sprünge auf. Der Aufwand an Siebmitteln auf der Sekundärseite ist daher gering. Der Wandler ist für höhere Eingangsspannungen geeignet, als der Wandler nach dem Stand der Technik, da beim erfindungsgemäßen Wandler immer zwei Halbleiterschalter nicht leitend sind, während die Spannung beim Wandler nach dem Stand der Technik über einen offenen Schalter abfällt. Die Spannungsbelastung der Halbleiterschalter ist also gering. Außerdem entsteht keine Sperrspannungsbelastung, da keine Sperrphase nötig ist. Die Eingangsspannung liegt immer am Transformator an. Während der Entladung der Speicherinduktivitäten liegen diese in Serie zur Eingangsspannungsquelle. Die Verlustleistung des Wandlers ist deshalb gering.The push-pull DC-DC converter according to the invention has an inductive input. The output current is continuously and has no jumps. The There is therefore expenditure on sieving agents on the secondary side low. The converter is for higher input voltages suitable as the converter according to the prior art, because in the converter according to the invention always two semiconductor switches  are not conductive, while the voltage at the converter after the state of the art via an open switch. The voltage load on the semiconductor switches is therefore low. In addition, there is no reverse voltage load, since no blocking phase is necessary. The input voltage is always on the transformer. During the discharge of the Memory inductors are available in series Input voltage source. The power loss of the converter is therefore small.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert: Dabei zeigtUsing the drawings, an embodiment of the Invention explained:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Gegentaktgleichspannungswandlers nach Anspruch 1. Fig. 1 is a schematic diagram of the push-pull DC-DC converter according to the invention according to claim 1.

Fig. 2 das Steuerschema der Halbleiterschalter und ein Stromzeitdiagramm des Gegentaktgleichspannungswandlers. Fig. 2 shows the control scheme of the semiconductor switch and a current-time diagram of the push-pull DC / DC converter.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Gegentaktgleichspannungswandlers. Die Halbleiterschalter S 2, S 3, S 4, S 5 sind in Brücken geschaltet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden npn-Transistoren eingesetzt. In der Diagonalen, die die Verbindungspunkte der Halbleiterschalter S 3 und S 5 bzw. S 2 und S 4 miteinander verknüpft, befindet sich eine Eingangsspannungsquelle UE und in Serie dazu eine Speicherdrossel L 1 und eine Diode D 1. In der anderen Diagonalen der Brückenschaltung befindet sich eine Primärwicklung T 1 eines Transformators T. Die Primärwicklung T 1 weist eine Mittenanzapfung auf. Diese ist über einen weiteren Halbleiterschalter S 1 mit einer zweiten Speicherdrossel L 2 verbunden, die mit der Eingangsspannungsquelle UE verbunden ist. Die Speicherdrossel L 2 ist mit der Speicherdrossel L 1 magnetisch verkoppelt und weist den gleichen Wicklungssinn auf. Die Diode D 1 ist so gepolt, daß ein Strom über die Primärwicklung T 1 fließt, wenn entweder die Halbleiterschalter S 2 und S 5 oder S 3 und S 4 geschlossen sind. Die Halbleiterschalter S 3, S 5 werden von einer Steuereinheit SE mit einem festen Takt gesteuert. Die Schalter S 1, S 2 und S 4 werden von der Steuereinheit SE beispielsweise in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U e , der Ausgangsspannung U a und/oder dem Eingangsstrom I E pulsbreitengesteuert. Die Sekundärspule des Transformators T ist Teil eines Lastkreises mit der Last L, der auch Mittel zur Gleichrichtung und zum Glätten der Ausgangsspannung U a aufweist. Fig. 1 is a schematic diagram showing a push-pull DC-DC converter according to the invention. The semiconductor switches S 2 , S 3 , S 4 , S 5 are connected in bridges. In the exemplary embodiment shown, npn transistors are used. In the diagonal, which links the connection points of the semiconductor switches S 3 and S 5 or S 2 and S 4 to one another, there is an input voltage source UE and in series with it a storage inductor L 1 and a diode D 1 . In the other diagonal of the bridge circuit there is a primary winding T 1 of a transformer T. The primary winding T 1 has a center tap. This is connected via a further semiconductor switch S 1 to a second storage inductor L 2 , which is connected to the input voltage source UE . The storage inductor L 2 is magnetically coupled to the storage inductor L 1 and has the same winding direction. The diode D 1 is polarized so that a current flows through the primary winding T 1 when either the semiconductor switches S 2 and S 5 or S 3 and S 4 are closed. The semiconductor switches S 3 , S 5 are controlled by a control unit SE with a fixed clock. The switches S 1 , S 2 and S 4 are pulse width controlled by the control unit SE, for example depending on the input voltage U e , the output voltage U a and / or the input current I E. The secondary coil of the transformer T is part of a load circuit with the load L , which also has means for rectifying and smoothing the output voltage U a .

Ein Steuerschema der Halbleiterschalter S 1 bis S 5 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in Fig. 2 dargestellt. Die schraffierten Felder zeigen, welche Schalter in welchem Zeitintervall leiten. Man kann das Steuerschema in 4 Phasen unterteilen. Während Phase 1 sind die Schalter S 1 und S 3 geschlossen. Der Eingangsstrom I E fließt von der Eingangsspannungsquelle UE über die Speicherdrossel L 2 und den Halbleiterschalter S 1 zur Mittenanzapfung der Primärspule T 1 des Transformators T und über Schalter S 3 zur Eingangsspannungsquelle UE. Es wird Energie auf die Sekundärseite des Transformators T übertragen und gleichzeitig im magnetischen Feld der Speicherdrossel L 1, L 2 gespeichert. Der Schalterzustand bleibt für den Zeitabschnitt t₁ erhalten. Dann wird Schalter S 1 geöffnet und Schalter S 4 geschlossen. Der Eingangsstrom I E fließt nun über die Speicherdrossel L 1 und die Brückenschaltung durch die Primärspule T 1. Die Stromrichtung durch die Primärspule T 1 ist dann, während Phase 2, gleich der Stromrichtung während Phase 1. Die Speicherdrossel L 1 wird während Phase 2 in Reihe mit der Eingangsspannung U e über den Transformator T an den Lastkreis L entladen. Die Dauer der Phase 2 beträgt t₂. Die Schalter S 3 und S 4 werden geöffnet. Phase 3 beginnt mit dem Schließen der Schalter S 1 und S 5. Sie entspricht Phase 1, wenn man davon absieht, daß der Eingangsstrom I E über die Schalter S 1 und S 5 fließt und daß die Stromrichtung in der Primärspule umgekehrt ist und der Strom durch den einen Teil der Primärspule fließt, während er während Phase 1 durch den anderen Teil der Primärspule fließt. Die Stromrichtung im Transformator T wird beim Übergang von Phase 2 in Phase 3 umgekehrt. Phase 4 entspricht Phase 2 mit entgegengesetzter Stromrichtung durch die Primärwicklung T 1 des Transformators T und mit den geschlossenen Halbleiterschaltern S 2 und S 5. Während jeder Phase wird ein über die Eingangsspannungsquelle UE und über eine Speicherdrossel L 1 oder L 2 führender Stromkreis geschlossen. Während den vier Phasen des Gegentaktgleichspannungswandlers wird die Speicherdrossel jeweils zweimal geladen und in Serie zur Eingangsspannung U e über den Transformator T an die Last L entladen.A control scheme of the semiconductor switches S 1 to S 5 according to the inventive method is shown in FIG. 2. The hatched fields show which switches conduct in which time interval. The control scheme can be divided into 4 phases. During phase 1, switches S 1 and S 3 are closed. The input current I E flows from the input voltage source UE through the storage inductor L 2 and the semiconductor switch S 1 to the center tap of the primary coil T1 of the transformer T and switch S 3 to the input voltage source UE. Energy is transferred to the secondary side of the transformer T and at the same time is stored in the magnetic field of the storage inductor L 1 , L 2 . The switch state remains for the period t ₁. Then switch S 1 is opened and switch S 4 is closed. The input current I E now flows through the storage inductor L 1 and the bridge circuit through the primary coil T 1 . The current direction through the primary coil T 1 is then, during phase 2 is discharged is equal to the current direction during phase 1. The storage inductor L 1 during Phase 2 in series with the input voltage U e via the transformer T to the load circuit L. The duration of phase 2 is t ₂. Switches S 3 and S 4 are opened. Phase 3 begins with the closing of switches S 1 and S 5 . It corresponds to phase 1, apart from the fact that the input current I E flows through the switches S 1 and S 5 and that the current direction in the primary coil is reversed and the current flows through one part of the primary coil while passing through during phase 1 the other part of the primary coil flows. The current direction in the transformer T is reversed during the transition from phase 2 to phase 3. Phase 4 corresponds to phase 2 with the opposite direction of current through the primary winding T 1 of the transformer T and with the closed semiconductor switches S 2 and S 5 . During each phase, a circuit leading via the input voltage source UE and via a storage inductor L 1 or L 2 is closed. During the four phases of the push-pull DC-DC converter, the storage choke is charged twice and discharged to the load L in series with the input voltage U e via the transformer T.

Die Dauer der Phase 1, t₁ entspricht der der Phase 3 und die Dauer der Phase 2, t₂, entspricht der der Phase 4. Betrachtet man den zeitlichen Verlauf des Eingangsstroms I L zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Speicherdrossel und der Eingangsspannungsquelle UE, so hängt dieser wesentlich von der Periodendauer T o =t₁+t₂, von der Zeitspanne t₁ und von den Induktivitäten der Speicherdrosseln L 1, L 2 ab. Ist die Induktivität der ersten Speicherdrossel L 1 gleich L S und die der zweiten Speicherdrossel L 2 gleich L S /n, ü das Übersetzungsverhältnis des Transformators T, y das Übersetzungsverhältnis für ein Teil der Primärwicklung T 1 des Transformators T und U a die Ausgangsspannung, so ergibt sich für den Strom I L die in Fig. 2 dargestellte Kurve, wobeiThe duration of phase 1, t ₁ corresponds to that of phase 3 and the duration of phase 2, t ₂, corresponds to that of phase 4. Looking at the time course of the input current I L between the common connection point of the storage inductor and the input voltage source UE , so this depends essentially on the period T o = t ₁ + t ₂, on the time period t ₁ and on the inductances of the storage chokes L 1 , L 2 . If the inductance of the first storage inductor L 1 is L S and that of the second storage inductor L 2 is L S / n , ü the transformation ratio of the transformer T , y the transformation ratio for part of the primary winding T 1 of the transformer T and U a the output voltage, this results in the curve shown in FIG. 2 for the current I L , where

undand

Da man erreichen will, daß die Ausgangsspannung U a möglichst konstant ist, ist es sinnvoll den Faktor y= zu wählen und die Primärwicklung T 1 des Transformators symmetrisch zu teilen. Es ergibt sich also n=2 und y=0,5.Since one wants to ensure that the output voltage U a is as constant as possible, it makes sense to choose the factor y = and to divide the primary winding T 1 of the transformer symmetrically. The result is n = 2 and y = 0.5.

Die Ausgangsspannung wirdThe output voltage will

wobei T o die Periodendauer des Eingangsstroms I L ist.where T o is the period of the input current I L.

Claims (3)

1. Regelbarer Gegentaktgleichspannungswandler mit den folgenden Merkmalen
  • a) Der Gegentaktgleichspannungswandler weist vier Halbleiterschalter (S 2, S 3, S 4, S 5) in Brückenschaltung auf.
  • b) Die eine Diagonale der Brückenschaltung enthält die Primärwicklung (T 1) eines Transformators (T).
  • c) An eine Sekundärwicklung des Transformators (T) ist ein Lastkreis (L) angeschlossen.
  • d) Eine Eingangsspannungsquelle (UE) liegt in der zweiten Diagonalen der Brückenschaltung.
  • e) Zwischen der Eingangsspannungsquelle (UE) und einem Paar der Halbleiterschalter (S 2, S 4) liegt eine Speicherdrossel (L 1).
  • f) In Serie zur Speicherdrossel (L 1) ist eine Diode (D 1) derart geschaltet, daß ein Strom durch die Primärwicklung (T 1) des Transformators (T) fließt, wenn einer der Halbleiterschalter (S 5, S 3), der die Eingangsspannungsquelle (UE) direkt mit der einen Seite der Primärspule (T 1) verbindet und der Halbleiterschalter (S 2, S 4), der die Speicherdrossel (L 1) mit der anderen Seite der Primärspule (T 1) verbindet, leitend sind.
  • g) Die Speicherdrossel (L 1) ist mit einer gleichsinnig gewickelten zweiten Speicherdrossel (L 2) magnetisch gekoppelt.
  • h) Die Primärwicklung (T 1) des Transformators (T) weist eine Mittenanzapfung auf.
  • i) Die Eingangsspannungsquelle (UE) ist über die zweite Speicherdrossel (L 2) und einen weiteren Halbleiterschalter (S 1) mit der Mittenanzapfung der Primärwicklung (T 1) des Transformators (T) verbunden.
1. Adjustable push-pull DC-DC converter with the following features
  • a) The push-pull DC-DC converter has four semiconductor switches (S 2 , S 3 , S 4 , S 5 ) in a bridge circuit.
  • b) The one diagonal of the bridge circuit contains the primary winding (T 1 ) of a transformer (T) .
  • c) A load circuit (L) is connected to a secondary winding of the transformer (T) .
  • d) An input voltage source (UE) lies in the second diagonal of the bridge circuit.
  • e) A storage choke (L 1 ) is located between the input voltage source (UE) and a pair of the semiconductor switches (S 2 , S 4 ).
  • f) In series with the storage choke (L 1 ), a diode (D 1 ) is connected such that a current flows through the primary winding (T 1 ) of the transformer (T) when one of the semiconductor switches (S 5 , S 3 ), the the input voltage source (UE) connects directly to one side of the primary coil (T 1 ) and the semiconductor switch (S 2 , S 4 ), which connects the storage inductor (L 1 ) to the other side of the primary coil (T 1 ), is conductive.
  • g) The storage choke (L 1 ) is magnetically coupled to a second storage choke (L 2 ) wound in the same direction.
  • h) The primary winding (T 1 ) of the transformer (T) has a center tap.
  • i) The input voltage source (UE) is connected via the second storage inductor (L 2 ) and a further semiconductor switch (S 1 ) to the center tap of the primary winding (T 1 ) of the transformer (T) .
Die Merkmale a), b), c), d), e), g), h) bilden den Oberbegriff, die Merkmale f) und i) das Kennzeichen.The features a), b), c), d), e), g), h) form the General term, the characteristics f) and i) the characteristic. 2. Verfahren zur Steuerung eines Gegentaktgleichspannungswandlers nach Anspruch 1.
  • a) Einer der Halbleiterschalter (S 5) der Brückenschaltung, der die Eingangsspannungsquelle (UE) direkt mit der einen Seite der Primärspule (T 1) des Transformators (T) verbindet, und der Halbleiterschalter (S 1), der mit der Mittenanzapfung der Primärspule (T 1) verbunden ist, werden geschlossen.
  • b) Es fließt ein Strom durch die zweite Speicherdrossel (L 2) und durch einen Teil der Primärspule (T 1), nämlich von der Mittenanzapfung zu der Seite, die mit dem geschlossenen Halbleiterschalter (S 5) der Brückenschaltung verbunden ist.
  • c) Der Halbleiterschalter (S 1), der mit der Mittenanzapfung der Primärspule (T 1) verbunden ist, wird geöffnet und der Halbleiterschalter (S 2), der die erste Speicherdrossel (L 1) mit der zweiten Seite der Primärspule (T 1) verbindet, wird geschlossen.
  • d) Es fließt ein Strom durch die erste Speicherdrossel (L 1) und durch die Primärspule (T 1).
  • e) Der Vorgang wird nun mit den anderen Halbleiterschaltern (S 3, S 4) der Brückenschaltung wiederholt, der Strom fließt in entgegengesetzter Richtung durch die Primärspule (T 1) des Transformators (T).
2. A method for controlling a push-pull DC-DC converter according to claim 1.
  • a) One of the semiconductor switches (S 5 ) of the bridge circuit, which connects the input voltage source (UE) directly to one side of the primary coil (T 1 ) of the transformer (T) , and the semiconductor switch (S 1 ), with the center tap of the primary coil (T 1 ) is connected to be closed.
  • b) A current flows through the second storage inductor (L 2 ) and through part of the primary coil (T 1 ), namely from the center tap to the side that is connected to the closed semiconductor switch (S 5 ) of the bridge circuit.
  • c) The semiconductor switch (S 1 ), which is connected to the center tap of the primary coil (T 1 ), is opened and the semiconductor switch (S 2 ), which connects the first storage inductor (L 1 ) to the second side of the primary coil (T 1 ) connects, is closed.
  • d) A current flows through the first storage inductor (L 1 ) and through the primary coil (T 1 ).
  • e) The process is now repeated with the other semiconductor switches (S 3 , S 4 ) of the bridge circuit, the current flows in the opposite direction through the primary coil (T 1 ) of the transformer (T) .
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