DE4001325B4

DE4001325B4 - Gleichspannungssperrwandler

Info

Publication number: DE4001325B4
Application number: DE4001325A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Herrmann
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2010-01-19
Also published as: DE4001325A1

Abstract

Gleichspannungssperrwandler zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung (UA) aus einer Eingangsspannung (UE), mit folgenden Merkmalen:
a) ein Transformator (TR) weist eine eingangsseitige Primärwicklung (N1), eine ausgangsseitige Sekundärwicklung (N2) in einem gekoppelten Sekundärkreis (N2, D5, C2) und eine weitere Wicklung (N3) auf;
b) ein steuerbarer Schalter (T) liegt mit seiner Schaltstrecke in Reihe zu der Primärwicklung (N1), zu welcher eine Reihenschaltung aus erstem Kondensator (C1) und erster Diode (D1) parallel geschaltet ist, während eine weitere Reihenschaltung aus erster Spule (L1), zweiter Diode (D2) und erstem Kondensator (C1) parallel zur Schaltstrecke des steuerbaren Schalters (T) liegt und diese Reihenschaltungen ein Entlastungsnetzwerk (E) bilden;
c) an die weitere Wicklung (N3) des Transformators (TR) ist ein Meßkreis (M) angeschlossen, der wiederum mit dem Ist-Eingang (I) einer Regeleinrichtung (P) verbunden ist, die noch einen Sollwert-Eingang (S) besitzt;
d) mit der ersten Spule (L1) ist eine zweite Spule (L2) gekoppelt, die in Reihe...

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler 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 einer ersten Spule, einer zweiten Diode und dem ersten Kondensator gebildete Reihenschaltung liegt ( US 4 675 796 ).

Derartige Gleichspannungssperrwandler sind vielfach bekannt (J. Vermolen, D. Mellis, Kompakte Hochfrequenzoszilloskope..., in „Elektronik Industrie 1" 1986, S. 44–48; US 4 675 796 ; DE 28 16 267 A1 ). Bei derartigen Gleichspannungswandlern ist es ferner bekannt ( EP 157 729 A1 ; US 4 675 796 ; G: D. Ewing, R. M. Isbell „A new high-efficiency..." in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC 17, Nr. 6, Dezember 1982, S. 1210–1213), in Schutzbeschaltungselementen vorübergehend Energie zu speichern und diese Energie mittels gekoppelter Spulen an den Ausgang abzugeben. Bei Gleichspannungswandlern ist es auch bekannt (JP 56-121366 (A) in Patents Abstract of Japan, Sect. E, 1981, Band 5, Nr. 198 (E-78); IBM Techn. Discl. Bul., Band 31, Nr. 4, Sept. 1988, S. 97/98; Elektronik 15/25.7. 1986, S. 117–120), eine Regeleinrichtung mit Messkreis und zugehöriger Wicklung vorzusehen.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromversorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. Bei getakteten Gleichspannungswandlern sind insbesondere die Grundtypen Sperrwandler und Durchflußwandler zu unterscheiden. Dabei wird eine z.B. aus der Netzspannung durch Gleichrichtung und Siebung 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 übernimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und gesiebt. Dabei fließt bei einem Sperrwandler nur während der Sperrphase im Sekundärkreis ein Strom.

In dem Aufsatz "Kompakte Hochfrequenzoszilloskope erfordern eine effektive Stromversorgung" in Elektronik Industrie 1, 1986, Seiten 44 bis 48, von J. Vermolen und D. Mellis, ist beschrieben, bei einem getakteten Gleichspannungswandler durch Zuschalten eines Entlastungsnetzwerkes parallel zur Eingangsspannung den Wirkungsgrad zu verbessern. In Bild 5 auf der Seite 46 ist ein Entlastungsnetzwerk gezeigt, das dadurch gebildet wird, daß parallel zur Primärwicklung ein Kondensator in Reihe mit einer Diode und parallel zur Schaltstrecke des steuerbaren Schalters eine Spule, in Reihe mit einer weiteren Diode 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 getakteten Gleichspannungssperrwandler der eingangs genannten Art anzugeben, der eine verlustarme Erzeugung der Ausgangsspannung ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im Einzelnen ist ein an die Regeleinrichtung angeschlossener Meßkreis vorgesehen, wobei der Meßkreis eine Wicklung des Transformators aufweist, und es ist eine mit der ersten Spule gekoppelte zweite Spule vorgesehen, die in Reihe mit einer dritten Diode parallel zur Ausgangsspannung liegt.

Die zweite Spule dient dabei insbesondere der Verminderung 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 Sperrzustand 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 Wicklungswiderstand und den Diodenwiderstand des Sekundärkreises verursachte Spannungsabfall der Ausgangsspannung ausgeglichen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungbeispiele näher erläutert.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungssperrwandlers.
Die 2 zeigt schematische Spannungs- und Stromverläufe eines Gleichspannungssperrwandlers.
Der in der 1 dargestellte Gleichspannungssperrwandler weist einen Primärkreis auf, mit einer zwischen einem positiven Potential UE+ und einem gegenüber diesem negativen Potential UEanliegenden Eingangsspannung UE. Parallel zur Eingangsspannung UE liegt eine Primärwicklung N1 eines Transformators Tr in Reihe mit der Schalt-strecke eines als selbstsperrender N-Kanal MOS Feldeffekttransistor 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 angeschlossen, die eingangsseitig einen Ist-Wert-Eingang I und einen Soll-Wert-Eingang S besitzt. Der Transformator 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 gemeinsame 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 Pulsbreitenmodulators P über einen zweiten Widerstand R2 mit dem negativen Potential UE- der Eingangsspannung UE verbunden. Parallel zur Eingangsspannung UE liegt zwischen dem positiven Potential UE+ und dem negativen Potential UE- ein Entlastungsnetzwerk E. Dazu ist parallel zur Schaltstrecke des Feldeffekttransistors die Reihenschaltung aus einer ersten Spule L1, einer zweiten Diode D2 und einem ersten Kondensators Cl angeordnet, wobei der gemeinsame Abgriff des ersten Kondensators Cl und der zweiten Diode D2 über eine erste Diode D1 an das positive Potential UE+ der Eingangsspannung UE angeschlossen ist.
Der Sekundärkreis des getakteten Gleichspannungssperrwandlers weist bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Sekundärwicklung N2 des Transformators Tr auf. In Reihe zur Sekundärwicklung N2 ist eine fünfte Diode D5 angeordnet, wobei parallel zu der aus der Sekundärwicklung N2 und der fünften Diode D5 gebildeten Reihenschaltung ein zweiter Kondensator C2 liegt. An den Ausgangsklemmen mit einem positiven Potential UA+ und einem 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 eine dritte Diode D3 an das positive Potential UA+ der Ausgangsspannung UA angeschlossen ist.
Während der Leitphase des Feldeffekttransistors T sperrt die zweite Diode D2 und an der Primärwicklung Ni des Transformators Tr liegt die Eingangsspannung UE an. Während der Sperrphase des Feldeffekttransistors T wird die Diode D5 leitend, und es wird die während der leitenden Phase von dem Transformator Tr aufgenommene Energie über die Diode D5. an den Kondensator C2 abgegeben und so die Ausgangsspannung UA erzeugt. Der Feldeffekttransistor 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 Feldeffekttransistors 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 Regelkriterium auf den Ist-Wert-Eingang I des Pulsbreitenmodulators P ein. Am Sollwerteingang S liegt eine vorgebbare Referenzspannung.
Ist der Feldeffekttransistor T gesperrt, so liegt an der Drain-Elektrode D des Feldeffekttransistors T eine Spannung, die sich aus der Summe der Eingangsspannung UE und einer an der Primärwicklung N1 anliegenden Spannung zusammensetzt, die auch eine durch die Streuinduktivität zwischen Primär- und Sekundärwicklung erzeugte Überspannungsspitze aufweist. Diese wird über den ersten Kondensator Cl und die erste Diode D1 zur Eingangsspannung UE zurückgespeist (2). Wird der Feldeffekttransistor T wieder leitend, so liegt der erste Kondensator C1 parallel zur Serienschaltung der zweiten Diode D2 und der ersten Spule L1. Die erste Spule L1 wird nun von der im ersten Kondensator Cl gespeicherten Energie geladen. Daraus resultiert ein rampenförmiger Stromanstieg in der ersten Spule L1, der durch das Sperren des Feldeffekttransistors 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 Schaltstecke des Feldeffekttransistors T eine Leistung umgesetzt, die sich aus dem Produkt des Widerstands der Schaltstrecke und, dem Quadrat des Effektivwertes des Stromes IL1 zusammensetzt. Ohne die zusätzliche zweite Spule L2 würde beim Sperren des Feldeffekttransistors T über der ersten Spule L ein Spannungsanstieg entstehen, der bereits dann erfolgt, wenn die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T noch nicht vollständig gesperrt ist. Hierdurch entstehen Schaltverluste, die insbesondere bei Gleichspannungswandlern 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. Zudem wird ein Nachregeleffekt erzielt, der insbesondere bei Gleichspannungswandlern mit einer Leistung größer 5 Watt zu günstigen Regelergebnissen führt.
Die 2 zeigt qualitative Spannungs- und Stromverläufe einer Steuerspannung UGS zwischen Gate- und Source-Elektrode des Feldeffekttransistors T, einer Spannung UDS, die an der Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T anliegt, eines Stromes IS an der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors T, eines Stromes IL1 durch die erste Spule L1 und eines durch die dritte Diode D3 fließenden Stromes ID3. Die 2a zeigt die zwischem 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 2b dargestellte Spannung UDS an der Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T wird in dessen Leitzustand 0 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. Ohne das Vorhandensein des Entlastungsnetzwerkes E würde die Spannung UDS außerdem eine im Spannungsverlauf in der 2b gestrichelt dargestellte überspannungsspitze 1 aufweisen. Diese wird beim Vorhandensein des Entlastungsnetzwerkes E jedoch über den Kondensator C1 durch die Diode D1, D2 zum positiven Potential UE+ der Eingangsspannung UE zurückgespeist, so daß sich für das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungssperrwandlers ein Spannungsverlauf UDS ohne Überspannungsspitze 1 ergibt. Im Sperrzustand des Feldeffekttransistors T erfolgt kein Stromfluß des in der 2c dargestellten Stromverlaufes des Stromes IS von der Source-Elektrode zum negativen Potential UE- der Eingangsspannung UE, während es im Leitzustand des Feldeffekttransistors T zu einem rampenförmigen Stromanstieg kommt, der durch das Sperren des Feldeffekttransistors T wieder auf Null abnimmt. Ebenso erfolgt in der Endphase des Sperrzustandes durch die erste Spule L1 kein Stromfluß des in der 2d dargestellten Stromes IL1. Im leitenden Zustand des Feldeffekttransistors T kommt es ebenso wie beim Strom IS zu einem Anstieg des Stromes IL1, der in der Anfangsphase des Sperrzustandes des Feldeffekttransistors 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 gespeicherte Energie über die aus der ersten und zweiten Diode D1 und D2 gebildete Reihenschaltung zum positiven Pol UE+ der Eingangsspannung UE abgeleitet wird. Dabei stellt sich ohne die zweite Spule L2 ein gestrichelt gezeichneter, rampenförmiger Stromverlauf ein. Weist der getaktete Gleichspannungssperrwandler jedoch entsprechend dem in der 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 Diode D3 in den Sekundärkreis transferiert. Damit stellt sich der in der 2d durchgezogen gezeichnete Stromverlauf des Stromes IL1 ein. Damit ergibt sich der in der 2e prinzipiell dargestellte Sromverlauf des durch die dritte Diode D3 fließenden Stromes ID3. Im Leitzustand des Feldeffekttransistors T erfolgt kein Stromfluß des Stromes ID3, während sich im Sperrzustand des Feldeffekttransistors T ein Stromfluß ID3 einstellt.

Claims

Gleichspannungssperrwandler zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung (UA) aus einer Eingangsspannung (UE), mit folgenden Merkmalen: a) ein Transformator (TR) weist eine eingangsseitige Primärwicklung (N1), eine ausgangsseitige Sekundärwicklung (N2) in einem gekoppelten Sekundärkreis (N2, D5, C2) und eine weitere Wicklung (N3) auf; b) ein steuerbarer Schalter (T) liegt mit seiner Schaltstrecke in Reihe zu der Primärwicklung (N1), zu welcher eine Reihenschaltung aus erstem Kondensator (C1) und erster Diode (D1) parallel geschaltet ist, während eine weitere Reihenschaltung aus erster Spule (L1), zweiter Diode (D2) und erstem Kondensator (C1) parallel zur Schaltstrecke des steuerbaren Schalters (T) liegt und diese Reihenschaltungen ein Entlastungsnetzwerk (E) bilden; c) an die weitere Wicklung (N3) des Transformators (TR) ist ein Meßkreis (M) angeschlossen, der wiederum mit dem Ist-Eingang (I) einer Regeleinrichtung (P) verbunden ist, die noch einen Sollwert-Eingang (S) besitzt; d) mit der ersten Spule (L1) ist eine zweite Spule (L2) gekoppelt, die in Reihe mit einer dritten Diode (D3) parallel zur Ausgangsspannung (UA) liegt; e) die Regeleinrichtung (P) ist zur Erzeugung von impulsmodulierten Steuersignalen (UGS) ausgebildet, die den steuerbaren Schalter (T) leitend bzw. nichtleitend steuern; e1) im leitenden Zustand des Schalters (T) erfolgen ein Stromfluß (IS) im Primärkreis (N1, T) und ein Stromfluß (IL1) in der ersten Spule (L1); e2) im Sperrzustand des Schalters (T) wird eine sonst auftretende Überspannungspitze (1) über das Entlastungsnetzwerk (E) zur Eingangsspannung (UE) zurückgespeist, wobei in der ersten Spule (L1) gespeicherte Energie zum positiven Pol (UE+) der Eingangsspannung (UE) abgeleitet wird und ein Teil dieser gespeicherten Energie über die zweite Spule (L2) in den gekoppelten Sekundärkreis (N2, C2) als abnehmender Strom (ID 3) eingekoppelt wird.
Gleichspannungssperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkreis (M) parallel zur witeren Wicklung (N3) eine vierte Diode (D4) in Reihe mit einem dritten Kondensator (C3) liegt, wobei dem dritten Kondensator (C3) ein Spannungsteiler (R1 R2) parallelgeschaltet ist, dessen Abgriff an den Ist-Wert-Eingang (I) der Regeleinrichtung (P) angeschlossen ist.
Gleichspannungssperrwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L1, L2) einen mit Luftspalt versehenen Kern (K) aufweisen.
Gleichspannugssperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (P) als Pulsbreitenmodulaturor ausgebildet ist.