DE4001325A1 - Gleichspannungssperrwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungssperrwandler zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung mit einer Primärwicklung in Reihe mit der Schaltstrecke eines mit einer Regeleinrichtung verbundenen steuerbaren Schalters, wobei parallel zur Primärwicklung ein erster Kondensator in Reihe mit einer ersten Diode und parallel zur Schalt­ strecke eine aus einer ersten Spule, einer zweiten Diode und dem ersten Kondensator gebildete Reihenschaltung liegt.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromver­ sorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. Bei getakteten Gleichspannungs­ wandlern sind insbesondere die Grundtypen Sperrwandler und Durchflußwandler zu unterscheiden. Dabei wird eine z. B. aus der Netzspannung durch Gleichrichtung und Sie­ bung gewonnene Gleichspannung mit Hilfe eines steuerbaren Schalters in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese wird mit Hilfe eines Transformators übertragen, der im Fall des Sperrwandlers auch die Energiespeicherung über­ nimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und gesiebt. Da­ bei fließt bei einem Sperrwandler nur während der Sperr­ phase im Sekundärkreis ein Strom.

In dem Aufsatz "Kompakte Hochfrequenzoszilloskope erfor­ dern eine effektive Stromversorgung" in Elektronik Indu­ strie 1, 1986, Seiten 44 bis 48, von J. Vermolen und D. Mellis, ist beschrieben, bei einem getakteten Gleich­ spannungswandler durch Zuschalten eines Entlastungsnetz­ werkes parallel zur Eingangsspannung den Wirkungsgrad zu verbessern. In Bild 5 auf der Seite 46 ist ein Entla­ stungsnetzwerk gezeigt, das dadurch gebildet wird, daß parallel zur Primärwicklung ein Kondensator in Reihe mit einer Diode und parallel zur Schaltstrecke des steuerba­ ren Schalters eine Spule, in Reihe mit einer weiteren Di­ ode sowie dem Kondensator liegt. Dabei wird die in der Spule enthaltene Energie über die an die Primärwicklung angeschlossene Diode zur Eingangsspannung zurückgespeist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen getakte­ ten Gleichspannungssperrwandler der eingangs genannten Art anzugeben, der eine verlustarme Erzeugung der Aus­ gangsspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleichspannungssperrwandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein an die Regeleinrichtung angeschlossener Meßkreis vorgesehen ist, wobei der Meßkreis eine Wicklung des Transformators auf­ weist, und daß eine mit der ersten Spule gekoppelte zwei­ te Spule vorgesehen ist, die in Reihe mit einer dritten Diode parallel zur Ausgangsspannung liegt.

Die zweite Spule dient dabei insbesondere der Verminde­ rung der Schaltverluste des steuerbaren Schalters. Durch die zweite Spule wird im Sperrzustand der Strom durch die erste Spule zu Null und somit wird auch die im Sperrzu­ stand zu übertragende Leistung zu Null und schließlich die Schaltverluste spürbar reduziert und transferiert auch einen Teil der in der ersten Spule gespeicherten Energie in den Sekundärkreis, wodurch ein Nachregeleffekt erreicht wird und so der insbesondere durch den Wick­ lungswiderstand und den Diodenwiderstand des Sekundär­ kreises verursachte Spannungsabfall der Ausgangsspannung ausgeglichen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figu­ ren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleich­ spannungssperrwandlers. Die

Fig. 2 zeigt schematische Spannungs- und Stromver­ läufe eines Gleichspannungssperrwandlers.

Der in der Fig. 1 dargestellte Gleichspannungssperrwand­ ler weist einen Primärkreis auf, mit einer zwischen einem positiven Potential UE+ und einem gegenüber diesem nega­ tiven Potential UE- anliegenden Eingangsspannung UE. Pa­ rallel zur Eingangsspannung UE liegt eine Primärwick­ lung N1 eines Transformators Tr in Reihe mit der Schalt­ strecke eines als selbstsperrender N-Kanal MOS Feldef­ fekttransistor ausgebildeten steuerbaren Schalters T, dessen Source-Elektrode an das negative Potential UE- der Eingangsspannung UE angeschlossen ist. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors T ist an den Ausgang einer als Pulsbreitenmodulator ausgebildeten Regeleinrichtung P an­ geschlossen, die eingangsseitig einen Ist-Wert-Eingang I und einen Soll-Wert-Eingang S besitzt. Der Transforma­ tor Tr weist eine weitere Wicklung N3 eines Meßkreises M auf. Die Anschlußklemmen der Wicklung N3 sind über die Reihenschaltung einer vierten Diode D4 und eines dritten Kondensators C3 miteinander verbunden, wobei der gemein­ same Abgriff über einem ersten Widerstand R1 an den Ist- Wert-Eingang I des Pulsbreitenmodulators P angeschlossen ist. Darüber hinaus ist der Ist-Wert-Eingang I des Puls­ breitenmodulators P über einen zweiten Widerstand R2 mit dem negativen Potential UE- der Eingangsspannung UE verbunden. Parallel zur Eingangsspannung UE liegt zwi­ schen dem positiven Potential UE+ und dem negativen Po­ tential UE- ein Entlastungsnetzwerk E. Dazu ist parallel zur Schaltstrecke des Feldeffekttransistors die Reihen­ schaltung aus einer ersten Spule L1, einer zweiten Dio­ de D2 und einem ersten Kondensator C1 angeordnet, wobei der gemeinsame Abgriff des ersten Kondensators C1 und der zweiten Diode D2 über eine erste Diode D1 an das positive Potential UE+ der Eingangsspannung UE angeschlossen ist.

Der Sekundärkreis des getakteten Gleichspannungssperr­ wandlers weist bei dem in der Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel eine Sekundärwicklung N2 des Transforma­ tors Tr auf. In Reihe zur Sekundärwicklung N2 ist eine dritte Diode D3 angeordnet, wobei parallel zu der aus der Sekundärwicklung N2 und der dritten Diode D3 gebildeten Reihenschaltung ein zweiter Kondensator C2 liegt. An den Ausgangsklemmen mit einem positiven Potential UA+ und ei­ nem gegenüber diesem negativen Potential UA- parallel zum zweiten Kondensator C2 liegt eine Ausgangsspannung UA. Die erste Spule L1 ist über einen gemeinsamen Kern K mit einer zweiten Spule L2 gekoppelt, die einerseits an das negative Potential UA- der Ausgangsspannung UA und über die dritte Diode D3 an das positive Potential UA+ der Ausgangsspannung UA angeschlossen ist.

Während der Leitphase des Feldeffekttransistors T sperrt die dritte Diode D2 und an der Primärwicklung N1 des Transformators Tr liegt die Eingangsspannung UE an. Wäh­ rend der Sperrphase des Feldeffekttransistors T wird die Diode D3 leitend und es wird die während der leitenden Phase von dem Transformator Tr aufgenommene Energie über die Diode D3 an den Kondensator C2 abgegeben und so die Ausgangsspannung UA erzeugt. Der Feldeffekttransi­ stor T wird dabei durch Impulse gesteuert, die in ihrer Breite in Abhängigkeit von Lastschwankungen moduliert werden. Die Impulse werden von dem Pulsbreitenmodulator P erzeugt und an die Steuerelektrode (Gate) des Feldeffekt­ transistors T gelegt. Über die weitere Wicklung N3 des Transformators Tr wird eine Spannung abgegriffen, die ein Maß für das Verhalten der Ausgangsspannung UA darstellt. Diese wirkt, insbesondere bei Lastschwankungen, als Re­ gelkriterium auf den Ist-Wert-Eingang I des Pulsbreiten­ modulators P ein. Am Sollwerteingang S liegt eine vorgeb­ bare Referenzspannung.

Ist der Feldeffekttransistor T gesperrt, so liegt an der Drain-Elektrode D des Feldeffekttransistors T eine Span­ nung, die sich aus der Summe der Eingangsspannung UE und einer an der Primärwicklung N1 anliegenden Spannung zu­ sammensetzt, die auch eine durch die Streuinduktivität zwischen Primär- und Sekundärwicklung erzeugte Überspan­ nungsspitze aufweist. Diese wird über den ersten Konden­ sator C1 und die erste Diode D1 zur Eingangsspannung UE zurückgespeist (Fig. 2). Wird der Feldeffekttransistor T wieder leitend, so liegt der erste Kondensator C1 paral­ lel zur Serienschaltung der zweiten Diode D2 und der er­ sten Spule L1. Die erste Spule L1 wird nun von der im er­ sten Kondensator C1 gespeicherten Energie geladen. Daraus resultiert ein rampenförmiger Stromanstieg in der ersten Spule L1, der durch das Sperren des Feldeffekttransi­ stors T wieder beendet wird. Im leitenden Zustand des Feldeffekttransistors T fließt über die Schaltstrecke Drain-Source des Transistors T der "Ladestrom" IL1 der ersten Spule L1. Dabei wird an der Schaltstrecke des Feld­ effekttransistors T eine Leistung umgesetzt, die sich aus dem Produkt des Widerstands der Schaltstrecke und dem Quadrat des Effektivwertes des Stromes IL1 zusammen­ setzt. Ohne die zusätzliche zweite Spule L2 würde beim Sperren des Feldeffekttransistors T über der ersten Spu­ le L ein Spannungsanstieg entstehen, der bereits dann er­ folgt, wenn die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T noch nicht vollständig gesperrt ist. Hierdurch entstehen Schaltverluste, die insbesondere bei Gleichspannungswand­ lern höherer Leistung erhebliche Verluste verursachen. Durch die zweite Spule L2 wird im Sperrzustand der Strom IL1 durch die erste Spule L1 zu Null und somit wird auch die im Sperrzustand zu übertragende Leistung zu Null und schließlich die Schaltverluste spürbar reduziert. Zu­ dem wird ein Nachregeleffekt erzielt, der insbesondere bei Gleichspannungswandlern mit einer Leistung größer 5 Watt zu günstigen Regelergebnissen führt.

Die Fig. 2 zeigt qualitative Spannungs- und Stromverläufe einer Steuerspannung UGS zwischen Gate- und Source-Elek­ trode des Feldeffekttransistors T, einer Spannung UDS, die an der Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T an­ liegt, eines Stromes IS an der Source-Elektrode des Feld­ effekttransistors T, eines Stromes IL1 durch die erste Spule L1 und eines durch die dritte Diode D3 fließenden Stromes ID3. Die Fig. 2a zeigt die zwischen dem Gate- und der Source-Elektrode des selbstsperrenden N-Kanal-MOS- Feldeffekttransistors T anliegende Steuerspannung UGS. Dabei nimmt die Steuerspannung UGS im Leitzustand des Feldeffekttransistors T von Null verschiedene Werte an, während sie im Sperrzustand zu Null wird. Die in Fig. 2b dargestellte Spannung UDS an der Schaltstrecke des Feld­ effekttransistors T wird in dessen Leitzustand O und nimmt in dessen Sperrzustand von Null verschiedene Werte an. Dabei setzt sich der Spannungsverlauf aus der Summe der Eingangsspannung UE und der Rückschlagsspannung an der Primärwicklung N1 des Transformators Tr zusammen. Oh­ ne das Vorhandensein des Entlastungsnetzwerkes E würde die Spannung UDS außerdem eine im Spannungsverlauf in der Fig. 2b gestrichelt dargestellte Überspannungsspitze 1 aufweisen. Diese wird beim Vorhandensein des Entlastungs­ netzwerkes E jedoch über den Kondensator C3 durch die Di­ ode D4 zum positiven Potential UE+ der Eingangsspan­ nung UE zurückgespeist, so daß sich für das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungs­ sperrwandlers ein Spannungsverlauf UDS ohne Überspan­ nungsspitze 1 ergibt. Im Sperrzustand des Feldeffekttran­ sistors T erfolgt kein Stromfluß des in der Fig. 2c dar­ gestellten Stromverlaufes des Stromes IS von der Source- Elektrode zum negativen Potential UE- der Eingangsspan­ nung UE, während es im Leitzustand des Feldeffekttransi­ stors T zu einem rampenförmigen Stromanstieg kommt, der durch das Sperren des Feldeffekttransistors T wieder auf Null abnimmt. Ebenso erfolgt im Sperrzustand durch die erste Spule L1 kein Stromfluß des in der Fig. 2d darge­ stellten Stromes IL1. Im leitenden Zustand des Feldef­ fekttransistors T kommt es ebenso wie beim Strom IS zu einem Anstieg des Stromes IL1, der beim Sperren des Feld­ effekttransistors T jedoch nicht zu Null wird, sondern aufgrund der im Kern K der ersten Spule L1 gespeicherten Energie dadurch abnimmt, daß die in der Spule L gespei­ cherte Energie über die aus der ersten und zweiten Dio­ de D1 und D2 gebildete Reihenschaltung zum positiven Pol UE+ der Eingangsspannung UE abgeleitet wird. Dabei stellt sich ohne die zweite Spule L2 ein gestrichelt ge­ zeichneter rampenförmiger Stromverlauf ein. Weist der ge­ taktete Gleichspannungssperrwandler jedoch entsprechend dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine mit der ersten Spule L1 gekoppelte zweite Spule L2 auf, so wirkt diese als Abmagnetisierungsspule, die einen Teil der im Kern K gespeicherten Energie über die dritte Dio­ de D3 in den Sekundärkreis transferiert. Damit stellt sich der in der Fig. 2d durchgezogen gezeichnete Strom­ verlauf des Stromes IL1 ein. Damit ergibt sich der in der Fig. 2e prinzipiell dargestellte Stromverlauf des durch die dritte Diode D3 fließenden Stromes ID3. Im Leitzu­ stand des Feldeffekt-Transistors T erfolgt kein Stromfluß des Stromes ID3, während sich im Leitzustand des Feldef­ fekttransistors T ein Stromfluß einstellt.

Claims (4)

1. Gleichspannungssperrwandler zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung mit einer Primärwicklung in Reihe mit der Schaltstrecke eines mit einer Regeleinrichtung verbundenen steuerbaren Schalters, wobei parallel zur Primärwicklung ein erster Kondensator in Reihe mit einer ersten Diode und parallel zur Schaltstrecke eine aus ei­ ner ersten Spule, einer zweiten Diode und dem ersten Kon­ densator gebildete Reihenschaltung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Regeleinrichtung (P) angeschlossener Meß­ kreis (M) vorgesehen ist, wobei in den Meßkreis (M) eine Wicklung (N3) des Transformators (Tr) eingeschaltet ist, und daß eine mit der ersten Spule (L1) gekoppelte zweite Spule (L2) vorgesehen ist, die in Reihe mit einer dritten Diode (D3) parallel zur Ausgangsspannung (UA) liegt.

2. Gleichspannungssperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkreis (M) parallel zur weiteren Wicklung (N3) eine vierte Diode (D4) in Reihe mit einem dritten Konden­ sator (C3) liegt, wobei dem dritten Kondensator (C3) ein Spannungsteiler (R1, R2) parallelgeschaltet ist, dessen Abgriff an den Ist-Wert-Eingang (I) der Regeleinrich­ tung (P) angeschlossen ist.

3. Gleichspannungssperrwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L1, L2) einen mit Luftspalt versehenen Kern (K) aufweisen.

4. Gleichspannungssperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (P) als Pulsbreitenmodulator ausgebildet ist.