DE4004412A1

DE4004412A1 - Dc-dc wandler

Info

Publication number: DE4004412A1
Application number: DE4004412A
Authority: DE
Inventors: Akira Saitou; Osamu Takahashi; Seigou Tsukada; Yasuyuki Sohara; Hideki Tsuruse; Hidehiko Sugimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1990-08-16
Also published as: CA2009817A1; US4991075A; CA2009817C; DE4004412C2

Description

Die Erfindung betrifft einen DC-DC Wandler.

Fig. 4 der Zeichnungen zeigt ein Schaltbild eines herkömmli chen DC-DC Wandlers. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, bezeichnet das Bezugszeichen 2 einen Transformator mit einer Primärwick lung 2 a und einer Sekundärwicklung 2 b sowie einer Rückstell wicklung 2 c. Eine DC Stromquelle 1 ist an die Primärwicklung 2 a des Transformators 2 über ein Schaltelement 3 angeschlossen. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Rückstelldiode, die an die Rückstellwicklung 2 c des Transformators 2 angeschlossen ist, um eine Rückstellung des erregten Transformators 2 durchzu führen.

Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen jeweils Gleichrichterdio den, die an die Sekundärwicklung 2 b angeschlossen sind. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Glättungsdrosselspule; das Be zugszeichen 9 bezeichnet einen Glättungskondensator; das Be zugszeichen 10 bezeichnet eine Last. Die Bezugszeichen 21, 22 bzw. 23 bezeichnen einen Widerstand, eine Diode bzw. einen Kondensator, die zusammen eine Dämpfungsschaltung 24 bilden.

Die Wirkungsweise des oben beschriebenen Wandlers wird nach stehend beschrieben. Das Schaltelement 3 wird von einer nicht dargestellten Steuerschaltung periodisch eingeschaltet und ausgeschaltet. Die elektrische Energie der DC Stromquelle 1 wird von der Primärwicklung 2 a des Transformators 2 zu seiner Sekundärwicklung 2 b während der Zeit übertragen, wo das Schalt element 3 durchgeschaltet ist. Auf der Sekundärseite wird die Spannung von den Gleichrichterdioden 6 und 7 gleichgerichtet, dann von der Glättungsdrosselspule 8 und dem Glättungskonden sator 9 geglättet und schließlich der Last 10 zugeführt.

Bei dieser Art von Wandler muß der Kern des Transformators 2, der während der Zeit erregt ist, wo das Schaltelement 3 durch geschaltet ist, zu der Zeit zurückgestellt werden, wo das Schaltelement 3 abgeschaltet ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 wird somit die Energie durch die Diode 4 zur DC Stromquelle 1 während der Zeit zurückgeführt, wo das Schaltelement 3 abge schaltet ist.

Außerdem bringt eine Erhöhung der Schaltfrequenz oder eine Er höhung der Betriebsgeschwindigkeit des Schaltelementes 3 das Erfordernis mit sich, eine Dämpfungsschaltung 24 vorzusehen. Die Dämpfungsschaltung 24 ist für den Zweck vorgesehen, daß ein sicherer Betriebsbereich für das Schaltelement 3 während der Schaltoperation gewährleistet ist und jeglicher Verlust beim Schaltelement 3 verhindert wird.

Fig. 5 zeigt die Wellenformen zur Erläuterung des Zusammenhan ges zwischen dem Drainstrom ID und der Source-Drain-Spannung VSD des Schaltelementes 3 beim herkömmlichen Wandler, wobei das Bezugszeichen E die Spannung bezeichnet, die an den Trans formator 2 angelegt wird.

Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen. Zu dem Zeitpunkt T 1, wo das Schaltelement 3 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet wird, verhindert die Streuinduktivität des Transformators 2 einen schnellen Anstieg des Drainstromes ID und bewirkt ein allmähliches Ansteigen des Drainstroms ID. Wenn zum Zeitpunkt T 2 das Schaltelement 3 abgeschaltet wird, verhindern die Diode 22 und der Kondensator 23 ein rasches Ansteigen der Source- Drain-Spannung VSD und bewirken ein allmähliches Ansteigen der Source-Drain-Spannung VSD.

Auf diese Weise werden die Anstiegszeit des Drainstromes ID und die Anstiegszeit der Source-Drain-Spannung VSD auf Zeiten gesetzt, die länger sind als die Anstiegszeit ton des Schalt elementes 3 bzw. die Abfallzeit toff des Schaltelementes 3, so daß Schaltverluste verringert werden können.

Der größte Teil der Energie, der in der Streuinduktivität des Transformators 2 zu der Zeit gespeichert ist, wo das Schalt element 3 eingeschaltet ist, wird dem Kondensator 23 zuge führt, wenn das Schaltelement 3 abgeschaltet wird. Ein Teil der Energie wird jedoch vom Widerstand 21 verbraucht.

Somit nimmt der vom Widerstand 21 verursachte Verlust zu, wenn die Schaltfrequenz des Schaltelementes 3 ansteigt, was zu einer Verringerung der Wandlereffizienz führt. Da die Energie, die in der Streuinduktivität des Transformators 2 gespeichert ist, auch zunimmt, wenn die Last 10 zunimmt, wird die An stiegszeit der Source-Drain-Spannung VSD durch eine Änderung der Last 10 geändert, und der vom Widerstand 21 verursachte Verlust wird ebenfalls erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen DC-DC Wandler anzugeben, der eine Erhöhung der Schaltfrequenz sowie eine Er höhung der Betriebsgeschwindigkeit des Schaltelementes ermög licht, ohne daß unerwünschte Verluste auftreten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise gelöst. Der erfindungsgemäße DC-DC Wandler weist folgen de Komponenten und Eigenschaften auf: ein Schaltelement mit einer Anstiegszeit ton und einer Abfallzeit toff; eine Steuer einrichtung zur Steuerung des Schaltbetriebes des Schaltelemen tes; einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung über ein Schaltele ment an eine DC Stromquelle angeschlossen ist und eine Leer laufinduktivität LM hat; eine Induktivität mit einem Indukti vitätswert L, die mit der Sekundärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet ist; und einen Gleichrichter zum Gleich richten des Ausgangssignales von der Sekundärwicklung des Transformators, wobei der Wandler folgenden Beziehungen ge nügt:

L < (E/ID) ton LM < 4 toff²/f² Cl,

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: E ist die an die Primärwicklung angelegte Spannung; der Laststrom, der durch den Transformator fließt, ist mit ID bezeichnet; und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes und der verteilten Kapazität der Wicklungen des Transformators ist mit Cl be zeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines DC-DC Wandlers;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen DC-DC Wand lers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wel lenformen, die beim Betrieb der erfindungsgemäßen Aus führungsform auftreten;

Fig. 4 ein Schaltbild eines herkömmlichen DC-DC Wandlers; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wel lenformen, die beim Betrieb des herkömmlichen Wandlers auftreten.

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein Transformator 2 weist eine Primärwicklung 2 a, eine Sekundär wicklung 2 b und eine Rückstellwicklung 2 c auf. Eine DC Strom quelle 1 ist über ein Schaltelement 3 an die Primärwicklung 2 a des Transformators 2 angeschlossen. Eine Steuerschaltung 11 ist an das Schaltelement 3 für die periodischen Schaltopera tionen angeschlossen.

Eine Rückstelldiode 4 ist an die Rückstellwicklung 2 c des Transformators 2 angeschlossen. Das eine Ende einer Induktions spule 5 ist mit der Sekundärwicklung 2 b des Transformators 2 in Reihe geschaltet; eine Gleichrichterschaltung weist Gleich richterdioden 6 und 7 auf, die an das andere Ende der Induk tionsspule 5 angeschlossen sind. Eine Glättungsschaltung um faßt eine Glättungsdrosselspule 8 und einen Glättungskondensa tor 9 und ist an die Gleichrichterschaltung angeschlossen, wäh rend eine Last 10 an die beiden Enden des Glättungskondensa tors 9 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild dieser Ausführungsform. In Fig. 2 umfaßt eine Induktivität 31 die Induktionsspule 5 und die Streuinduktivität des Transformators 2; eine Induktivität 32 steht für die Leerlaufinduktivität des Transformators 2. Eine Kapazität 33 repräsentiert die Summe der Streukapazität des Schaltelementes 3 und die verteilte Kapazität der Windun gen des Transformators 2. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszei chen 34 eine DC Stromquelle.

Bei dieser Ausführungsform ist die Induktivität 31 so ausge bildet, daß sie einen Wert L hat, der größer ist als der Wert, den man erhält, wenn man das Produkt aus der am Transformator 2 anliegenden Spannung E und der Anstiegszeit ton des Schalt elementes 3 durch den Laststrom ID teilt, der durch den Trans formator 2 fließt. Die Induktivität 32 hat einen Wert LM, der größer ist als der Wert, den man erhält, indem man das Produkt aus 4/π ² und dem Quadrat der Abfallzeit toff des Schaltelemen tes 3 durch den Wert Cl der Kapazität 33 dividiert. Es werden nämlich die folgenden Relationen erhalten:

L < E ton/ID) (1)
LM < 4 toff²/π² Cl. (2)

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend un ter Bezugnahme auf die Wellenformen in Fig. 3 näher erläutert. Das Schaltelement 3 wird von der Steuerschaltung 11 periodisch eingeschaltet und ausgeschaltet, und der Drainstrom oder Last strom ID des Schaltelementes 3 wird, wenn es eingeschaltet ist, durch die nachstehende Gleichung (3) angegeben:

ID = E t 1/L, (3)

wobei t 1 die Anstiegszeit des Drainstromes ID bezeichnet.

Aus der Gleichung (3) kann die nachstehende Gleichung (4) für die Anstiegszeit t 1 des Drainstromes ID erhalten werden:

t 1 = ID L/E. (4)

Da die Relation (1) bei dieser Ausführungsform erfüllt ist, er gibt sich die Beziehung (5) durch das Einsetzen der Relation (1) in die Gleichung (4) wie folgt:

t 1 < ton. (5)

Da somit der Drainstrom ID ansteigt, nachdem das Schaltelement 3 in ausreichender Weise geöffnet hat, wird der Verlust im Schaltelement 3 zu diesem Zeitpunkt verringert, wie sich der Fig. 3 entnehmen läßt. In Fig. 3 bezeichnet die gestrichelte Linie den Fall, wo t 1 = ton gilt. Wie sich aus der Relation (1) entnehmen läßt, kann der Wert L der Induktivität 31 ver ringert werden, wenn ein schnell arbeitendes Schaltelement 3 verwendet wird.

Während der Zeit, wo das Schaltelement 3 eingeschaltet ist, wird die von der DC Stromquelle 1 gelieferte Energie von der Primärwicklung 2 a zur Sekundärwicklung 2 b übertragen und der Last 10 in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen DC-DC Wandler gemäß Fig. 4 zugeführt.

Die Energie von der DC Stromquelle 1 wird nämlich von der Pri märwicklung 2 a des Transformators 2 aus zur Sekundärwicklung 2 b des Transformators 2 während der Zeit übertragen, wo das Schaltelement 3 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet ist. Das Ausgangssignal von der Sekundärwicklung 2 b wird von der Gleich richterschaltung gleichgerichtet, von der Glättungsschaltung geglättet und dann der Last 10 zugeführt.

Wenn das Schaltelement 3 dann abgeschaltet wird, wird ein Re sonanzkreis gebildet von der Leerlaufinduktivität 32 des Trans formators 2 und der Kapazität 33, wobei die Anstiegszeit t 2 der Source-Drain-Spannung VSD des Schaltelementes 3 durch eine viertel Periode der Resonanzfrequenz

ausgedrückt wird, also durch die nachstehende Gleichung (6):

Da jedoch der Wert L der Induktivität 31 wegen der hohen Schalt geschwindigkeit auf einen kleinen Wert gesetzt worden ist, kann angenommen werden, daß der Wert L der Induktivität praktisch keinen Einfluß hat.

Da bei dieser Ausführungsform die Relation (2) erfüllt ist, ergibt das Einsetzen der Gleichung (6) in die Relation (2) die nachstehende Beziehung (7):

t 2 < toff (7)

Da somit, wie in Fig. 3 dargestellt, die Source-Drain-Spannung VSD des Schaltelementes 3 ansteigt, nachdem das Schaltelement 3 in ausreichendem Maße abgefallen ist, wird der Verlust im Schaltelement 3 zu diesem Zeitpunkt verringert.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, werden bei dieser Ausführungsform keine Verluste im Widerstand einer Dämpfungs schaltung hervorgerufen, da eine derartige Dämpfungsschaltung nicht verwendet wird; somit ist es bei der Ausführungsform ge mäß der Erfindung möglich, eine Zunahme der Schaltfrequenz so wie eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit des Schaltelemen tes sowie eine Verringerung der Schaltverluste zu realisieren.

Wenn die Induktivität 32 jedoch einen extrem hohen Wert LM hat, wird das Schaltelement 3 eingeschaltet oder durchgeschaltet während der Rückführung der Erregungsenergie des Transformators 2 zur DC Stromquelle 1. Infolgedessen fließt ein Strom mit einem sehr hohen Wert durch das Schaltelement 3, was zu einer Reduzierung seiner Wandlereffizienz führt.

Dementsprechend ist es erwünscht, daß der Wert LM der Indukti vität 32 so gewählt wird, daß er die nachstehende Relation (8) erfüllt:

wobei tmax die maximale Zeit bezeichnet, für die das Schaltele ment 3 abgeschaltet ist. Aus dieser Relation (8) läßt sich die nachstehende Relation (9) für den Wert von LM entnehmen:

LM < tmax²/π² · Cl. (9)

Aus den beiden Relationen (2) und (9) läßt sich entnehmen, daß es wünschenswert ist, den Wert LM der lnduktivität (32) so zu wählen, daß die nachstehende Relation (10) erfüllt ist:

4 · toff²/π² · Cl < LM < tmax²/π² · Cl. (10)

Die Induktivität 31 gemäß Fig. 2 kann nur von der Streuindukti vität des Transformators 2 gebildet werden. Das bedeutet, die Induktionsspule 5 gemäß Fig. 1 kann entfallen. In diesem Falle kann ein Wandler konzipiert werden, so daß der Wert L 1 der Streuinduktivität des Transformators 2 die nachstehende Rela tion (11) erfüllt:

L 1 < E · ton/ID. (11)

Die Streuinduktivität L 1 ist jedoch klein und hat einen vernach lässigbaren Effekt, wenn das Schaltelement 3 abgeschaltet wird.

Claims

1. DC-DC Wandler, gekennzeichnet durch

- ein Schaltelement (3) mit einer Anstiegszeit (ton) und einer Abfallzeit (toff);
- eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung des Schaltbetrie bes des Schaltelementes (3);
- einen Transformator (2) mit einer Primärwicklung (2 a) und einer Sekundärwicklung (2 b), wobei die Primärwicklung (2 a) über das Schaltelement (3) an eine DC Stromquelle (1) an geschlossen ist und eine Leerlaufinduktivität (LM) aufweist;
- eine Induktivität mit einem Induktivitätswert (L), die mit der Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) verbunden ist; und
- eine Gleichrichtereinrichtung (6, 7) zur Gleichrichtung des Ausgangssignals von der Sekundärwicklung (2 b) des Transfor mators (2);

wobei die folgenden Relationen in dem Wandler erfüllt sind:
L < (E/ID) ton
und
LM < 4 toff ²/π ² Cl,
wobei angenommen ist, daß an der Primärwicklung (2 a) des Trans formators (2) die Spannung (E) anliegt, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom den Wert (ID) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Windungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine Induktionsspule (5) aufweist, die an die Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) ange schlossen ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität aus der Streuinduktivität des Transforma tors (2) besteht.

4. DC-DC Wandler, gekennzeichnet durch

- ein Schaltelement (3) mit einer Anstiegszeit (ton) und einer Abfallzeit (toff);
- eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung des Schaltbetrie bes des Schaltelementes (3);
- einen Transformator (2) mit einer Primärwicklung (2 a) und einer Sekundärwicklung (2 b), wobei die Primärwicklung (2 a) über das Schaltelement (3) an eine DC Stromquelle (1) an geschlossen ist und eine Leerlaufinduktivität (LM) auf weist;
- eine Induktivität mit einem Induktivitätswert (L), die mit der Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) verbunden ist; und
- eine Gleichrichtereinrichtung (6, 7) zur Gleichrichtung des Ausgangssignals von der Sekundärwicklung (2 b) des Transfor mators (2);

wobei die folgenden Relationen in dem Wandler erfüllt sind:
L < (E/ID) ton
und
4 × toff ²/π ² × Cl < LM < tmax ²/π ² × Cl,
wobei die an der Primärwicklung (2 a) des Transformators (2) anliegende Spannung einen Wert (E) hat, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom mit (ID) bezeichnet ist, die maximale Zeit, für die das Schaltelement (3) abgeschaltet ist, einen Wert (tmax) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Win dungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine Induktionsspule (5) aufweist, die an die Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) ange schlossen ist.

6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität aus der Streuinduktivität des Transforma tors (2) besteht.