DE3904511A1 - Spannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannungswandler nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Insbesondere für die Stromversorgung von elektrischen Geräten sind Spannungswandler bekannt, bei welchen mit Halbleiterschaltern rechteckförmige Spannungen erzeugt werden, die transformiert und gleichgerichtet werden. Dabei können die Transformatoren umso kleiner ausgelegt werden, je höher die Frequenz ist. Allerdings steigen dabei die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern. Durch die Anwendung von sogenannten Resonanzwandlern kann jedoch die Frequenz weiter angehoben werden bei möglichst geringen Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern. Dabei sind allerdings recht hohe Spitzenströme in den Halbleiterschaltern erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spannungswandler anzugeben, mit welchem hohe Leistungen erzielbar sind, wobei die Schaltverluste auch bei hoher Schaltfrequenz möglichst gering sein sollten.

Der erfindungsgemäße Spannungswandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß trotz hoher Schaltfrequenz und geringen Verlusten in den Halbleiterschaltern geringere Spitzenströme als in den bekannten Spannungswandlern nach dem Resonanzwandlerprinzip auftreten. Dadurch können bei gegebenen Halbleiterschaltern größere Leistungen als bei den bekannten Spannungswandlern umgesetzt werden. Außerdem weist der erfindungsgemäße Spannungswandler den Vorteil auf, daß der Aufwand an induktiven Bauelementen minimal ist, was wiederum eine geringe Baugröße und einen geringeren Preis ermöglicht. Ferner ist der am Ausgang vorgesehene Ladekondensator mit geringeren Spitzenströmen als bei den bekannten Spannungswandlern belastet. Schließlich führen die geringeren Spitzenströme allgemein zu einer erhöhten Lebensdauer des Spannungswandlers.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Durch eine digitale Dreiphasensteuerung ergibt sich eine äußerst geringe Störanfälligkeit. Die jeweils für eine Phase vorgesehenen Leistungsteile können identisch sein. Außerdem ist eine Vereinfachung der Wickeltechnik möglich. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß ein gemeinsamer Kern für die Transformatoren von drei Resonanzwandlern verwendet wird. Bei diesem Kern sind vorzugsweise die Schenkel durch gleichseitige Dreiecke verbunden, was eine gute Symmetrie ergibt. Dieses ist wiederum besonders günstig bei einer anderen Weiterbildung, die darin besteht, eine an sich erforderliche Resonanzinduktivität durch die Streuinduktivität des Transformators zu realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Leistungsteil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und die Stellungen der Schalter in mehreren aufeinanderfolgenden Schaltphasen und

Fig. 3 einen Transformatorkern für einen dreiphasigen Spannungswandler gemäß einer Weiterbildung der Erfindung.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Spannungswandler nach Fig. 1 ist eine digitale Dreiphasensteuerschaltung 1 vorgesehen, welche drei Steuersignale S ₀, S ₁₂₀ und S ₂₄₀ mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120° über Ansteuerschaltungen 2, 3, 4 an Resonanzwandler 5, 6, 7 abgibt, die im folgenden Leistungsteile genannt werden. Die Leistungsteile 5, 6, 7 sind eingangsseitig gemeinsam an eine in Fig. 1 als Batterie 8 dargestellte Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Ausgänge der Leistungsteile 5, 6, 7 bilden einen gemeinsamen Ausgang 9 und sind mit einem Ladekondensator C 1 verbunden. Der von dem Spannungswandler gespeiste Verbraucher ist als Widerstand R 1 dargestellt. Zur Regelung der Ausgangsspannung ist ein Soll/Ist-Vergleicher 10 vorgesehen, welchem bei 11 eine Sollwertspannung zugeführt wird. Um eine galvanische Trennung zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung zu ermöglichen, wird das von dem Soll/Ist-Vergleicher 16 erzeugte Stellsignal über einen Optokoppler 12 einem Steuereingang 13 der digitalen Dreiphasensteuerschaltung 1 zugeleitet.

In der Dreiphasensteuerschaltung 1 befindet sich ein Taktgenerator 14 zur Erzeugung eines Taktsignals mit relativ hoher Frequenz f _T . Ein steuerbarer Frequenzteiler 15 dient zur Erzeugung eines weiteren Taktsignals, dessen Frequenz von dem bei 13 zugeführten Stellsignal abhängig ist. Damit wirken sich Änderungen der Ausgangsspannung, die beispielsweise durch Änderungen der Last oder der Eingangsspannung bedingt sind, auf die Frequenz der Steuersignale aus. Dieses führt bei den auf eine vorgegebene Frequenz abgestimmten Leistungsteilen zu einer Ausregelung der Abweichungen der Ausgangsspannung. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 15 wird einem Zähler 16 zugeleitet. Mit einer Logikschaltung 17 wird der jeweilige Zählerstand derart ausgewertet, daß die um jeweils 120° phasenversetzten Signale S ₀, S ₁₂₀ und S ₂₄₀ entstehen.

Die Ansteuerschaltungen 2, 3, 4 erzeugen aus den Steuersignalen S ₀, S ₁₂₀, S ₂₄₀ jeweils zwei zueinander inverse Signale zur Ansteuerung der in den Leistungsteilen 5, 6, 7 enthaltenen Feldeffekttransistoren T 1 und T 2 mit dem dafür erforderlichen Pegel.

Von den Leistungsteilen 5, 6, 7 ist lediglich das Leistungsteil 6 detaillierter dargestellt. Die Leistungsteile 5 und 7 sind mit dem Leistungsteil 6 identisch. Der Transformator Tr weist eine Primärwicklung 21 und eine Sekundärwicklung 22 auf. Eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung ist mit Massepotential verbunden, während die beiden Enden über Gleichrichterdioden D 3, D 4 an den Ladekondensator C 1 angeschlossen sind. Die Primärwicklung 21 ist mit einer Induktivität Lr in Reihe geschaltet, welche ihrerseits mit Hilfe der Feldeffekttransistoren T 1, T 2 abwechselnd an den positiven oder negativen Pol der Spannungsquelle 8 angeschlossen wird.

Der von der Induktivität Lr abgewandte Anschluß der Primärwicklung 21 ist mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 8 über eine Diode D 2 und einen Kondensator Cr und mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 8 über eine weitere Diode D 1 verbunden. Die Dioden D 1 und D 2 dienen zur Klemmung der jeweiligen Spannung und werden daher im folgenden als Klemmdioden bezeichnet.

Zur Erläuterung der Funktion eines der Leistungsteile 5, 6, 7 ist in den Fig. 2a) bis 2d) ein vereinfachtes Ersatzbild des Leistungsteils in vier Schaltphasen während einer Periode des Steuersignals dargestellt. Dabei sind sowohl die Feldeffekttransistoren T 1, T 2 als auch die Klemmdioden D 1, D 2 und die Gleichrichterdioden D 3, D 4 als Schalter dargestellt, wodurch der Stromfluß innerhalb der jeweiligen Schaltphase deutlicher dargestellt wird.

In der in Fig. 2a) dargestellten ersten Schaltphase ist der Schalter S 1 leitend. Der Strom durch den von der Induktivität Lr, der Primärwicklung 21 des Transformators Tr und dem Kondensator Cr gebildeten Resonanzkreis steigt sinusförmig an. In der Sekundärwicklung 22 entsteht eine Spannung mit einer derartigen Polarität, daß der Schalter S 5 (Diode D 3) leitend wird und somit dem Ladekondensator Cl Ladung zuführt. Während dieser Zeit steigt die Spannung am Resonanzkondensator Cr an, bis zu Beginn der zweiten Schaltphase (Fig. 2b)) der Schalter S 3 (Diode D 1) leitend wird. Damit wird in der Sekundärwicklung keine Spannung mehr induziert, so daß keiner der Schalter S 5, S 6 (Dioden D 3, D 4) leitet.

Zu Beginn der dritten Schaltphase (Fig. 2c)) wird der Schalter S 1 in den nichtleitenden Zustand und der Schalter S 2 in den leitenden Zustand gesteuert. Damit wird der Resonanzkondensator Cr über die Primärwicklung 21 entladen, wobei in der Sekundärwicklung 22 eine Spannung induziert und über den leitenden Schalter S 6 dem Ladekondensator Cl zugeführt wird. Die Spannung am Resonanzkondensator Cr sinkt dann etwa linear, bis bei einem Nulldurchgang der Schalter S 4 leitend wird, womit die vierte Phase (Fig. 2d)) eingeleitet wird, in welcher beide sekundärseitigen Schalter S 5 und S 6 nichtleitend sind.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Transformatorkerns, der aus zwei Hälften mit jeweils drei Schenkeln besteht, wobei jeweils ein Schenkel (31, 31′; 32, 32′; 33, 33′) mit den Wicklungen des Transformators Tr eines der Leistungsteile 5, 6, 7 (Fig. 1) versehen werden kann. Eine gute Symmetrierung wird dadurch erreicht, daß die drei Schenkel durch gleichseitige Dreiecke 34, 34′ verbunden sind. Somit haben die Transformatoren aller Phasen gleiche Kopplungsbedingungen. Dieses ist besonders dann vorteilhaft, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Resonanzinduktivität durch die Streuinduktivität des Transformators gebildet wird. Dazu sind möglichst enge Toleranzen der Streuinduktivitäten erforderlich, was durch die dargestellte Form des Kerns ermöglicht wird.

Claims (9)

1. Spannungswandler, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Resonanzwandler (5, 6, 7) ein- und ausgangsseitig parallelgeschaltet und mit gegeneinander phasenverschobenen Steuersignalen steuerbar sind.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Resonanzwandler (5, 6, 7) vorgesehen sind und daß die Steuersignale um jeweils 120° gegeneinander phasenverschoben sind.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Resonanzwandler (5, 6, 7) von einem Transformator (Tr) mit einer Primärwicklung (21) gebildet ist, deren einer Anschluß in Reihe mit einer Induktivität (Lr) über zwei Halbleiterschalter (T 1, T 2) abwechselnd mit einem der Pole einer Spannungsquelle (8) verbindbar ist und daß der andere Anschluß der Primärwicklung (21) über je eine Gleichrichterdiode (D 1, D 2) mit den Polen der Spannungsquelle verbunden ist.

4. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (Cr) einer der Dioden (D 2) parallelgeschaltet ist.

5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Resonanzwandlern (5, 6, 7) ein gemeinsamer Ladekondensator (Cl) zugeordnet ist.

6. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Resonanzwandler (5, 6, 7) als Istwert einem Regelkreis zuführbar ist, welcher die Frequenz der Steuersignale in Abhängigkeit von der Regelabweichung steuert.

7. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator mit einem dreischenkligen Kern vorgesehen ist und daß jeweils auf einem Schenkel (31, 31′; 32, 32′; 33, 33′) die Wicklungen (21, 22) des Transformators (Tr) eines Resonanzwandlers (5, 6, 7) angeordnet sind.

8. Spannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (31, 31′; 32, 32′; 33, 33′) durch zwei im wesentlichen gleichseitige Dreiecke (34, 34′) verbunden sind.

9. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuinduktivität der Primärwicklung des Transformators derart gewählt ist, daß sie zusammen mit einem Resonanzkondensator einen Schwingkreis mit einer zum Betrieb des Resonanzwandlers erforderliche Resonanzfrequenz bildet.