DE3918046A1 - Pulsed voltage transformer for DC supply - has efficient energy transfer capability with secondary to primary feedback and reduced component dimensions - Google Patents

Pulsed voltage transformer for DC supply - has efficient energy transfer capability with secondary to primary feedback and reduced component dimensions

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Abstract

A DC voltage transforming circuit comprises a pulsed transformer (3) with primary pulsing via semiconductor (2) and shunt capacitor (1). The transformer secondary (3) supplies the capacitor (5) and circuit output terminals via diode (4) during the non-conducting phase of semiconductor (2). An energy recovery branch for improving the power transfer efficiency of the system comprises a diode (7) which permits pulses to capacitor (6) when semiconductor (2) shuts off and a second semiconductor (8) which controls the discharge of inductor (9) via diode (10). A third transformer winding ensures that semiconductor (8) is switched in phase with semiconductor (2) via coupling circuit (11). USE/ADVANTAGE - For controlled DC supply to protection, control, discharge, measurement and regulator devices. Efficient power transfer. Smaller less costly transformer and inductor. Primary semiconductor not subject to stringent requirements for withstand voltage.

Description

Die Erfindung betrifft einen getakteten Spannungswandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der auch als Sperrwandler bekannt ist und in zahlreichen Literaturstellen aufgeführt ist.The invention relates to a clocked voltage converter the preamble of claim 1, which is also known as a flyback converter is known and is listed in numerous references.

In H. Stiefken, "Stromversorgungen für die Elektronik", Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg 1979, Seite 48, 72 und 73 werden Leistungsvergleiche mit Flußwandlern angeführt, wobei der Sperr­ wandler bezüglich seines Wirkungsgrades etwa auf der Mitte zwischen Längsregler und Eintaktflußwandler liegt.In H. Stiefken, "Power Supplies for Electronics", Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg 1979, pages 48, 72 and 73 Performance comparisons with river converters are given, the barrier converter in terms of its efficiency in the middle lies between the series regulator and the single-ended forward converter.

Nach "Steuerungstechnik 8" (1975) Nr. 3, Seite 35 kann der Wirkungs­ grad auch bei größeren Leistungen zwischen 70 und 80% liegen, wenn geeignete Maßnahmen zur Verringerung der Streuverluste des Transformators durchgeführt werden.According to "Control Technology 8" (1975) No. 3, page 35, the effects degrees are between 70 and 80% even with larger outputs, if suitable measures to reduce the wastage of the Transformer.

Aus folgenden Quellen sind Diagramme bekannt, bis zu welcher übertragbaren Leistung sich dieser oder jener Typ von Wandler eignet, wobei der Sperrwandler mi einer oberen Grenze von ca. 200 W erscheint:Diagrams are known from the following sources, up to which transferable power yourself this or that type of converter is suitable, the flyback converter having an upper limit of approx. 200 W appears:

"Electronic Design 12", June 7, 1978, Seite 108
"Elektronikpraxis" Nr. 6, Juni 1984, Seite 67
Funk-Technik 37, Heft 11, 1982, Seite 482."Electronic Design 12", June 7, 1978, page 108
"Electronics Practice" No. 6, June 1984, page 67
Funk-Technik 37, Issue 11, 1982, page 482.

Der Sperrwandler hat seinen schlechten Wirkungsgrad durch die hohen Streuverluste des Transformators, insbesondere durch den erforderlichen Luftspalt im Kernmaterial, die im elektrischen Ersatzschaltbild des Transformators als Steuinduktivität im Primär- und Sekundärkreis in Form zusätzlicher Serieninduktivi­ täten erscheinen. Diese stehen in direktem mathematischen Zusammenhang zu den Spannungs- und Stromverhältnissen im Primär- und Sekundärkreis des Transformators.The flyback converter has its poor efficiency due to the high leakage losses of the transformer, in particular through the required air gap in the core material in the electrical Equivalent circuit diagram of the transformer as control inductance in the Primary and secondary circuit in the form of additional series inductors actions appear. These are in direct mathematical Relationship to the voltage and current conditions in the Primary and secondary circuit of the transformer.

Beim Ausschalten des ersten Schalters 2 treten nun folgende Wirkungen auf:The following effects now occur when the first switch 2 is switched off:

Das abklingende Magnetfeld des Transformators induziert in der Sekundärspule eine Spannung, die einen Strom durch die Diode 4 in den Kondensator 5 treibt. Nach dem Einschalten der Diode 4 stellt sich zunächst an der Sekundärwicklung eine Spannung ein, die im wesentlichen von der Spannung des Kondensators 5 bestimmt wird und multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis Ü des Transformators zunächst die Spannungshöhe an der Primär­ wicklung bestimmt.The decaying magnetic field of the transformer induces a voltage in the secondary coil, which drives a current through the diode 4 into the capacitor 5 . After switching on the diode 4 , a voltage is initially set on the secondary winding, which voltage is essentially determined by the voltage of the capacitor 5 and multiplied by the transformation ratio U of the transformer first determines the voltage level on the primary winding.

Da wegen der Streuinduktivitäten und Kopplungsverlusten des Transformators die Primärspannung nicht fest an die Sekundär­ spannung gekoppelt ist, entsteht an den Primäranschlüssen des Transformators eine zusätzliche erste Spannungsspitze, die durch die Induktion des abklingenden Magnetfeldes in der Primär­ spule entsteht.Because of the leakage inductances and coupling losses of the Transformer the primary voltage is not fixed to the secondary voltage is coupled, arises at the primary connections of the Transformers an additional first voltage spike that through the induction of the decaying magnetic field in the primary coil arises.

Eine zweite zusätzliche Spannungsspitze an den Primäranschlüssen entsteht durch folgende Wirkung: Betrachtet man die Streuin­ duktivität in Serie zur Primärwicklung als Speicherdrossel, so hat diese während der Leitzeit des ersten Schalters 2 eine Stromladung aufgenommen, die sofort nach dem Öffnen des Schal­ ters 2 in den Primärkreis entladen wird und die zweite Spannungsspitze erzeugt, die sich in gleicher Richtung zu der ersten Spannungserhöhung addiert.A second additional voltage peak at the primary connections results from the following effect: If one considers the stray inductance in series with the primary winding as a storage choke, it has absorbed a current charge during the lead time of the first switch 2 , which immediately after opening the switch 2 in the primary circuit is discharged and the second voltage peak is generated, which is added in the same direction to the first voltage increase.

Für die Spannungsfestigkeit des ersten Schalters 2 erhöht sich die gesamte oben beschriebene Spannungserhöhung zusätzlich um die Gleichspannung an den Eingangsklemmen. So entstehen erhöhte Anforderungen an die Spannungsfestigkeit des ersten Schalters 2 und andererseits Verluste durch hin- und herpendelnde Energien im Transformator, die von den Spannungsspitzen verursacht werden und sich zwischen den verlustbehafteten Wickelkapazitäten und -Induktivitäten verbrauchen und zur Aufheizung des Trans­ formators und Verschlechterung des Wirkungsgrades beitragen.For the dielectric strength of the first switch 2 , the total voltage increase described above additionally increases by the DC voltage at the input terminals. This creates increased demands on the dielectric strength of the first switch 2 and, on the other hand, losses due to oscillating energies in the transformer, which are caused by the voltage peaks and are consumed between the lossy winding capacities and inductances and contribute to the heating of the transformer and a deterioration in the efficiency .

Aufgabe der Erfindung ist es daher erstens, den Wirkungsgrad eines Wandlers der genannten Art wesentlich zu verbessern und zweitens, einen elektronisch ansteuerbaren ersten Schalter von geringerer Spannungsfestigkeit gegenüber bekannten Schaltungen einzusetzen.The object of the invention is therefore firstly, the efficiency to significantly improve a converter of the type mentioned and second, an electronically controllable first switch from lower dielectric strength compared to known circuits to use.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst.This task is done with an arrangement of the preamble of Claim 1 according to the invention by the characterizing note male of claim 1 solved.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind der Einsatz von Sperrwandlern in höheren Leistungsbereichen, Gewichtseinspa­ rungen, Volumeneinsparungen, Kosteneinsparungen durch Verwen­ dung von ersten Schaltern geringerer Spannungsfestigkeit und kleinere Transformatoren bei vergleichbarer Leistung bekannter Wandler nach dem Stand der Technik. Dabei werden die erzielten Vorteile durch den Zusatzaufwand an Schaltmitteln nicht zunichte gemacht.The advantages achieved with the invention are the use of Flyback converters in higher power ranges, weight savings  savings, volume savings, cost savings through use of the first switches with lower dielectric strength and smaller transformers with comparable performance more well known State-of-the-art converter. Thereby the achieved The advantages of additional switching equipment do not negate made.

Ein Vergleich mit einem primär getakteten Flußwandler, der bisher einem Sperrwandler überlegen war, ergibt, daß der Fluß­ wandler einen Leistungstransformator und eine Leistungsspeicher­ drossel benötigt, die beide an der Übertragung der Gesamtlei­ stung beteiligt sind und in beiden Bauteilen entsprechende Ver­ luste auftreten. Beim erfindungsgemäßen Sperrwandler ist jedoch nur ein Bauteil als Transformator zur Übertragung der Gesamt­ leistung erforderlich, während die zusätzliche Speicherdrossel in der Energierückgewinnungsschaltung nur die zurückgewonnene Verlustenergie weiterleitet und verhältnismäßig geringe Ab­ messungen besitzt.A comparison with a primary clocked flux converter, the was previously superior to a flyback converter, shows that the river converter a power transformer and a power storage choke needed, both at the transmission of the total stung involved and corresponding Ver in both components lusts occur. In the flyback converter according to the invention only one component as a transformer to transfer the total power required while the additional storage choke only the recovered in the energy recovery circuit Losses energy and relatively low Ab owns measurements.

Nachteilig ist der beim Sperrwandler gegenüber dem Flußwandler erhöhte Spitzenstrom im Sekundärkreis des Transformators, der zu erhöhten Verlusten im Sekundärkreis führt, die jedoch durch bestimmte Maßnahmen, z. B. Erhöhung des Kupferquerschnitts der Sekundärwicklung und einer Diode mit geringerer Flußspannung reduziert werden können.The disadvantage of the flyback converter is that of the forward converter increased peak current in the secondary circuit of the transformer, the leads to increased losses in the secondary circuit certain measures, e.g. B. Increase the copper cross section Secondary winding and a diode with a lower forward voltage can be reduced.

So ist mit einem optimal gestalteten Wandler der erfindungsge­ mäßen Art, wie an praktischen Versuchsaufbauten bestätigt, ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 90% zu erzielen.So with an optimally designed converter is the fiction moderate type, as confirmed on practical experimental set-ups To achieve an overall efficiency of approx. 90%.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung Fig. 1 dargestellt und im folgenden nur der kennzeichnende Teil der Anordnung näher beschrieben, da die Funktion des Oberbe­ griffs der Anordnung allgemein bekannt ist:An embodiment of the invention is shown in the drawing Fig. 1 and only the characterizing part of the arrangement described in more detail below, since the function of the Oberbe handle of the arrangement is generally known:

Beim Abschalten des ersten Schalters 2 fließt ein Strom aus der Primärwicklung des Transformators 3 über die Diode 7 in den Kondensator 6, aber erst oberhalb einer Spannung am Kondensator 6 von U (Eingang) + Ü × U (Ausgang), auf die der Kondensator 6 zu Beginn der Abschaltung aufgeladen war. Die Spannung am Konden­ sator 6 erhöht sich dabei um einen Betrag. When the first switch 2 is switched off , a current flows from the primary winding of the transformer 3 via the diode 7 into the capacitor 6 , but only above a voltage on the capacitor 6 of U (input) + Ü × U (output) to which the capacitor 6 was charged at the beginning of the shutdown. The voltage across the condenser 6 increases by an amount.

Es sei erwähnt, daß vom Abschaltmoment bis zum Moment, in dem die Diode 7 leitend wird, eine hier nicht eingezeichnete Schutzschaltung für den ersten Schalter 2 einen Teil des Stromes aus der Primärwicklung aufnimmt, um den Spannungsanstieg pro Zeiteinheit zu begrenzen. Für unterschiedliche Schalter sind verschieden dimensionierte Schutzschaltungen erforderlich und es ist denkbar, daß der technische Fortschritt bei den Halb­ leiterschaltern diese Schutzschaltung demnächst überflüssig macht. Dies erhöht zusätzlich den Bedarf einer Energierückfüh­ rung der Spannungsspitzen.It should be mentioned that from the moment of switch-off until the moment when the diode 7 becomes conductive, a protective circuit for the first switch 2 , not shown here, absorbs part of the current from the primary winding in order to limit the voltage rise per unit of time. For different switches different sized protective circuits are required and it is conceivable that the technical progress in the semi-conductor switches this protective circuit will soon be superfluous. This additionally increases the need for energy feedback of the voltage peaks.

An den Kondensator 6 schließt sich jetzt ein sogenannter Durch­ flußwandler mit dem zweiten Schalter 8, der Freilaufdiode 10 und der Speicherdrossel 9 an, der als Abwärtswandler den Kondensator 6 periodisch bis auf ca. U (Eingang) + Ü × U (Ausgang) entlädt und den Strom in die niedrigere Eingangsspannungsquelle einspeist. Die Schaltung eines Durchflußwandlers, die hier als Energierückgewinnungsschaltung verwendet wird, ist aus der Literatur hinreichend bekannt.At the capacitor 6 is now a so-called through converter with the second switch 8 , the freewheeling diode 10 and the storage inductor 9 , which periodically discharges the capacitor 6 as a down converter to about U (input) + Ü × U (output) and feeds the current into the lower input voltage source. The circuit of a flow converter, which is used here as an energy recovery circuit, is well known from the literature.

Das periodische Ein- und Ausschalten des zweiten Schalters 8 erfolgt nun vorteilhaft mit den Impulsspannungen aus einer dritten Wicklung des Transformators, wodurch die Zusatzschal­ tung keinen großen Aufwand zum Ansteuern des zweiten Schalters erfordert. Der zweite Schalter wird hier nun in dem Zeitmoment eingeschaltet, in dem auch der erste Schalter eingeschaltet wird. Durch die Dimensionierung der Anpassungsschaltung 11 und der dritten Wicklung wird sichergestellt, daß der zweite Schal­ ter den erforderlichen Ansteuerstrom erhält.The periodic switching on and off of the second switch 8 is now advantageously carried out with the pulse voltages from a third winding of the transformer, as a result of which the additional circuitry does not require any great effort to control the second switch. The second switch is now switched on at the time when the first switch is also switched on. The dimensioning of the matching circuit 11 and the third winding ensures that the second switch receives the required drive current.

Der Energiefluß aus dem Kondensator 6 regelt sich selbständig durch das Tastverhältnis, das vom ersten Schalter bestimmt wird. Bei geringer Ausgangsbelastung bekommt dann auch der zweite Schalter nur einen kurzen Einschaltimpuls, während bei maximaler Last beiden Schaltern ca. 50% Einschaltzeit zur Ver­ fügung stehen, so daß jetzt der zweite Schalter eine maximale Energie aus dem Kondensator 6 auf die Eingangsklemmen zurück­ speisen kann.The energy flow from the capacitor 6 regulates itself by the duty cycle, which is determined by the first switch. With a low output load, the second switch only gets a short switch-on pulse, while at maximum load both switches have a switch-on time of approx. 50%, so that the second switch can now feed a maximum energy from the capacitor 6 back to the input terminals.

Claims (5)

1. Getakteter Spannungswandler mit einem Kondensator 1 an den Eingangsklemmen, der den Primärkreis, bestehend aus einem ersten elektronisch ansteuerbaren Schalter 2 in Serie mit der Primärwicklung eines Transformators 3, mit Gleichspannung versorgt
und einer Diode 4 an einer Klemme der Sekundärwicklung des Transformators 3, über die der Kondensator 5 an den Ausgangs­ klemmen mit pulsierendem Gleichstrom gespeist wird, der während der Ausschaltzeit des Schalters 2 über die in Fluß­ richtung gepolte Diode 4 fließt
und einer Energierückgewinnungsschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode 7 an der Verbindungsstelle zwischen dem Schalter 2 und der Primärwicklung des Transformators 3 angeschlossen ist, deren zweiter Anschluß mit einem Kondensator 6 verbunden ist, der an seinem zweiten Anschluß wahlweise an einer der beiden Eingangsklemmen angeschlossen ist, wobei die Diode 7 so gepolt ist, daß am Anfang der Ausschaltzeit des Schalters 2 ein Strom aus der Primärwicklung des Transformators 3 über die in Flußrichtung gepolte Diode 7 in den Kondensator 6 fließt
und einen an die Verbindungsstelle der Diode 7 mit dem Kondensator 6 angeschlossenen zweiten elektronisch ansteuer­ baren Schalter 8, dem eine Speicherdorssel 9 in Serie folgt, die mit ihrem zweiten Anschluß an der Eingangsklemme zur Primärwicklung des Transformators 3 angeschlossen ist
und einer Diode 10, die am Verbindungspunkt des zweiten Schal­ ters 8 mit der Speicherdrossel 9 und mit ihrem zweiten An­ schluß an der Eingangsklemme zum ersten Schalter 2 angeschlos­ sen ist und so gepolt ist, daß der während der Ausschaltzeit des zweiten Schalters 8 gelieferte Strom aus der Speicher­ drossel 9 in Flußrichtung durch die Diode 10 fließt
und einer Ansteuerschaltung für den zweiten Schalter 8, die einen Ansteuerstrom über eine Anpassungsschaltung 11 aus einer dritten Wicklung des Transformators 3 bezieht und so dimen­ sioniert wird, daß der zweite Schalter 8 mit einer Spannung aus der dritten Wicklung vorteilhaft im gleichen Zeitpunkt mit dem ersten Schalter 2 ein- und ausgeschaltet wird.1. Clocked voltage converter with a capacitor 1 at the input terminals, which supplies the primary circuit, consisting of a first electronically controllable switch 2 in series with the primary winding of a transformer 3 , with direct voltage
and a diode 4 on a terminal of the secondary winding of the transformer 3 , via which the capacitor 5 at the output terminals is fed with pulsating direct current which flows during the switch-off time of the switch 2 via the diode 4 polarized in the flow direction
and an energy recovery circuit,
characterized in that a diode 7 is connected at the junction between the switch 2 and the primary winding of the transformer 3 , the second connection of which is connected to a capacitor 6 which is optionally connected at its second connection to one of the two input terminals, the diode 7 is polarized so that at the beginning of the switch 2 switch off time, a current flows from the primary winding of the transformer 3 into the capacitor 6 via the diode 7 polarized in the forward direction
and a connected to the junction of the diode 7 with the capacitor 6 second electronically controllable switch 8 , which is followed by a storage choke 9 , which is connected with its second connection to the input terminal for the primary winding of the transformer 3
and a diode 10 which at the connection point of the second switch 8 with the storage inductor 9 and with its second connection to the input terminal of the first switch 2 is connected and polarized so that the current supplied during the switch-off time of the second switch 8 is off the storage choke 9 flows in the flow direction through the diode 10
and a drive circuit for the second switch 8 , which receives a drive current via an adapter circuit 11 from a third winding of the transformer 3 and is dimensioned such that the second switch 8 with a voltage from the third winding advantageously at the same time as the first switch 2 is switched on and off. 2. Getakteter Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine belie­ bige Ansteuerschaltung für den zweiten Schalter 8 mit belie­ biger Ein- und Ausschaltzeitfolge zur Anwendung kommt.2. Clocked voltage converter according to claim 1, characterized in that an arbitrary drive circuit for the second switch 8 with any switch on and off time sequence is used. 3. Getakteter Spannungswandler der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden­ sator 1 und der Kondensator 5 jeweils durch einen galvanischen Akkumulator mit festem oder flüssigem Elektrolyt ersetzt wird oder daß wahlweise ein oder beide Kondensatoren jeweils durch ein festes Gleichspannungsnetz ersetzt werden.3. Clocked voltage converter of claims 1 and 2, characterized in that the capacitor 1 and the capacitor 5 are each replaced by a galvanic accumulator with solid or liquid electrolyte or that one or both capacitors are each replaced by a fixed DC voltage network. 4. Getakteter Spannungswandler der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie­ rückgewinnungsschaltung einen beliebigen Verbraucher mit Strom versorgt.4. clocked voltage converter of claims 1-3, characterized in that the energy recovery circuit using any consumer Electricity supplied. 5. Getakteter Spannungswandler der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beliebige Einrichtungen, z. B. Ansteuerschaltungen, Schutzschaltungen, Entstörschaltungen, Meß- und Regelschaltungen der Anordnung zugefügt werden.5. clocked voltage converter of claims 1-4, characterized in that any Facilities, e.g. B. control circuits, protective circuits, Interference suppression, measuring and control circuits of the arrangement be added.
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