DE4120147A1

DE4120147A1 - Schaltregler

Info

Publication number: DE4120147A1
Application number: DE4120147A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Ohms; Heike Dipl Ing Ruppricht
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-06-19
Filing date: 1991-06-19
Publication date: 1993-01-07
Also published as: DE4120147C2

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltregler bestehend aus einem Gegentaktwandler mit vorgeschaltetem Tiefsetzsteller. Ein solcher Schaltregler ist bekannt aus Watkins Johnson Co., Palo Alto, USA, Tech-notes "Design of Power Converters für Space TWTA′S" Seiten 1 bis 13 oder aus DE 29 41 009 C2.

Schaltregler dieser Art werden verwendet, wenn stark variierende Eingangsspannungen, wie beispielsweise bei Satelliten-Stromversorgungen, zu verarbeiten sind. Der Tiefsetzsteller wird üblicherweise in Abhängigkeit der Schaltregler-Ausgangsspannung pulsbreitenmoduliert. Der nachgeschaltete Gegentaktwandler wird entweder mit Gegentaktimpulsen konstanter Dauer oder ebenfalls mit pulsbreitenmodulierten Impulsen betrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es den Schaltregler eingangs genannter Art so auszubilden, daß ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung auf.

Aus der US 49 59 765 oder aus der Siemens-Zeitschrift 48 (1974), Heft 11, Seiten 840 bis 846 ist es zwar bekannt, zur Verbesserung des Wirkungsgrades einen Gegentaktwandler durch Zuschalten eines Resonanzkondensators zu einem Resonanzwandler zu ergänzen, jedoch sind die dort aufgezeigten Resonanzwandler nicht ohne weiteres zum Betrieb mit einem vorgeschalteten Tiefsetzsteller geeignet. Bei dem aus der EP 77 958 B1 bekannten Gegentaktwandler werden zur Verringerung von Schaltverlusten die Gegentaktschalter mit einer Lückzeit betrieben, die so bemessen ist, daß in dieser Zeit der Gegentaktwandler als Resonanzgebilde mit der ihm eigenen Resonanzfrequenz von selbst umschwingen kann.

Der Schaltregler nach der Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Kapazität des entsprechenden Resonanzkondensators größer gewählt werden kann als bei herkömmlichen Resonanz- oder Quasiresonanzwandlern. Für das Nachladen eines Resonanzkondensators steht ausreichend Zeit zur Verfügung, nämlich jeweils die Zeit während der der jeweilige dieser Erkenntnis ist es überhaupt erst möglich den Resonanzwandler mit einem Tiefsetzsteller als Vorregler sinnvoll zu betreiben. Der Transformator des Gegentaktwandlers wird besser ausgenutzt als bei vergleichbaren anderen Resonanzwandlern, d. h. bei gleicher Leistung kann das Bauvolumen reduziert werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen in Satelliten von Vorteil. Die Regelung des Tiefsetzstellers ist sehr zuverlässig, da das Regelkriterium aus getrennten Zweigen des Gegentaktwandlers gewonnen wird. Durch die Addition der Spannungen an den Resonanzkondensatoren für die Regelung des Tiefsetzstellers gemäß Anspruch 6 werden Störsignale (Ripple) stark unterdrückt.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nun näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers nach der Erfindung,

Fig. 2 zeitliche Verläufe ausgewählter Signale für den Schaltregler nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Gegentaktwandlers für einen der Gegentaktzweige,

Fig. 4 den Umschwingstrom des Gegentaktwandlers fur unterschiedliche Bauelemente-Dimensionierungen.

In Fig. 1 ist ein von einer Eingangsgleichspannungsquelle QE gespeister Tiefsetzsteller - Buckregler - BR dargestellt, dem ein Parallel-Gegentaktgleichspannungswandler GW nachgeschaltet ist. Der Tiefsetzsteller BR umfaßt ein Stellglied im Längszweig, hier durch den Schalter S3 symbolisiert, und eine Freilaufdiode DF. Die Ausgangsinduktivität des Tiefsetzstellers im Längszweig ist erfindungsgemäß in zwei Einzelinduktivitäten L1 und L2 aufgeteilt, die magnetisch voneinander getrennt oder leicht gekoppelt sein können. Der Gegentaktwandler GW umfaßt einen Leistungstransformator Tr mit zwei voneinander galvanisch getrennten Primärwicklungen w1 und w2 und einer Sekundärwicklung w3.

Die Einzelinduktivitäten L1 und L2 sind jeweils auf einen der Gegentaktzweige des Gegentaktwandlers geführt. Im Ausgangskreis des Gegentaktwandlers GW sind zwei Gleichrichterkreise mit Dioden D1, D2 und Glättungskondensatoren Cg1 und Cg2 dargestellt. Die beiden Gegentaktschalter S1 und S2 des Gegentaktwandlers sind jeweils in Serie zu einer der Primärwicklungen w1 bzw. w2 angeordnet, welche wiederum in Serie zu jeweils einer der Einzelinduktivitäten L1, L2 angeordnet sind. Der Wicklungssinn der Primärwicklungen w1 und w2 ist in Fig. 1 durch Punkte markiert. Zur Ausbildung des Gegentaktwandlers als Resonanzwandler sind im Gegensatz zu üblichen Lösungen zwei Resonanzkondensatoren C1 und C2 vorgesehen. Diese Resonanzkondensatoren C1, C2 sind an die Verbindungsleitung zwischen einer Einzelinduktivität L1, L2 und einer Primärwicklung w1, w2 einerseits und an den primärwicklungsfernen Zusammenschaltpunkt der beiden Gegentaktschalter S1 und S2 angeschlossen. Somit liegen die Resonanzkondensatoren C1 und C2 jeweils parallel zur Serienschaltung eines Gegentaktschalters und einer Primärwicklung. Die Resonanzkondensatoren können auch an anderer Stelle in den Gegentaktzweigen angeordnet werden, beispielsweise in Serie zu den Primärwicklungen und/oder in mindestens einem der Ausgangskreise.

Das Schaltspiel der Gegentaktschalter S1 und S2 zeigt Fig. 2 erste Zeile. Während einer Periodendauer T_P werden die Schalter S1 und S2 abwechselnd eingeschaltet. Während einer Lückzeit Tg sind beide Schalter stromlos. Diese Lückzeit Tg wird vorzugsweise so gewählt, daß in dieser Zeit das Resonanzgebilde in Form des Gegentaktwandlers gegebenenfalls unter Einbeziehung von parasitären Wicklungskapazitäten oder Gleichrichterkapazitäten umschwingen kann. Zur Aufbereitung der Steuersignale für die Schalter S1 und S2 unter Berücksichtigung der Lückzeit T_G kann eine Steuereinrichtung gemäß der EP 77 958 B1 verwendet werden. Die Ströme i_s1 und i_s2 in den primärseitigen Gegentaktzweigen sind in Fig. 2, Zeile 2 dargestellt (i_s2 gestrichelt). Fig. 2, Zeile 3 zeigt die Spannungen U_c1 bzw. U_c2 an den Resonanzkondensatoren C1, C2. Das Ersatzschaltbild für einen Gegentaktzweig zeigt Fig. 3. Der Eingangsstrom I_o des Gegentaktwandlers ist durch eine Stromquelle dargestellt. Der Transformator Tr ist durch seine Streuinduktivität L_s repräsentiert. Die Spannung U_o stellt die vom Sekundärkreis aus transformierte Ausgangsspannung dar. Am Resonanzkondensator C1, bzw. C2 liegt dann die Spannung U_o +Δ U_(t). Für den Strom i_L(t) im Resonanzkreis gilt folgende Beziehung:

Für verschiedene Werte von

ist in Fig. 4 der Umschwingstrom i_L(t) dargestellt. Je höher der Wert Z gewählt wird, umso höher ist die Resonanzüberhöhung. Es ist vorteilhaft den Wert Z möglichst groß zu wählen, um einen steilen Nulldurchgang des Stromes zu erhalten und um so ein sicheres Schalten zu erreichen.

Zur Erzeugung des Regelsignals für den Tiefsetzsteller BR ist eine Steuerschaltung St vorgesehen, die einen Pulsbreitenmodulator PBM enthält. Als Steuerkriterien für den Pulsbreitenmodulator PBM werden die Spannungen an den Resonanzkondensatoren C1 und C2 herangezogen sowie der Energieaufnahmestrom i_A des Tiefsetzstellers BR.

Der Energieaufnahmestrom i_A wird über den Stromwandler SW erfaßt, gleichgerichtet und einem Widerstand RM zugeführt, der in Serie zu einer Sägezahnspannungsquelle QSZ an den invertierenden Eingang des als Komparator ausgebildeten Pulsbreitenmodulators PBM angeschlossen ist. Der nichtinvertierende Eingang des Pulsbreitenmodulators PBM ist mit dem Ausgang eines Fehlersignalverstärkers FV verbunden, welcher das andere Schaltkriterium - hier die Spannungen an den Resonanzkondensatoren C1, C2 - mit einer Referenzspannung Ur vergleicht. Die Funktionsweise dieser Steuerschaltung St kann der US 50 01 413 entnommen werden. Die Länge des Steuerpulses für das Schaltregler-Stellglied S3 ist demnach von der Höhe des Energieaufnahmestroms i_A und der Höhe des Fehlersignals am Ausgang des Fehlersignalverstärkers FV abhängig. Zur Gewinnung des resonanzkondensatorabhängigen Steuerkriteriums ist ein Summiernetzwerk bestehend aus den Widerständen R1, R2, R3, R4, C3 vorgesehen, mittels dessen eine Spannung UCD gewonnen wird, die proportional zur Summe der addierten Spannungen an den Resonanzkondensatoren C1 und C2 ist. Der Kondensator C3 parallel zum Spannungsteiler R3, R4 dient zur Integration der addierten Spannungen.

Claims

1. Schaltregler bestehend aus einem Gegentaktwandler (GW) mit vorgeschaltetem Tiefsetzsteller (BR), dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentaktwandler (GW) als Resonanzwandler ausgebildet ist und daß die Ausgangsinduktivität des Tiefsetzstellers (BR) in zwei Einzelinduktivitäten (L1, L2) aufgeteilt ist, wobei diese Einzelinduktivitäten (L1, L2) jeweils zu einem der Gegentaktzweige des Gegentaktwandlers (GW) geführt sind.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelinduktivitäten (L1, L2) magnetisch schwach gekoppelt sind.

3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen (w1, w2) des Gegentaktwandler-Transformators (Tr) galvanisch voneinander getrennt sind und daß jeder Gegentaktzweig aus der Serienschaltung einer der Einzelinduktivitäten (L1; L2), einer Primärwicklung des Gegentaktwandler-Transformators (Tr) und einem der Gegentaktschalter (S1; S2) besteht, sowie mindestens einen Resonanzkondensator (C1; C2) aufweist.

4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkondensatoren (C1, C2) der Gegentaktzweige an die Verbindungsleitung zwischen einer Einzelinduktivität (L1; L2) und einer Primärwicklung (w1; w2) einerseits und an den primärwicklungsfernen Zusammenschaltpunkt der beiden Gegentaktschalter (S1, S2) andererseits angeschlossen sind.

5. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltung (St) für den Tiefsetzsteller (BR) als Steuerkriterium mindestens eine der Spannungen an den Resonanzkondensatoren (C1, C2) zuführbar ist.

6. Schaltregler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Summiernetzwerk (R1, R2, R3, R4, C3) für die beiden Spannungen an den Resonanzkondensatoren, welches gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Fehlersignalverstärkers (FV) an einen Steuereingang des Pulsbreitenmodulators (PBM) für den Tiefsetzsteller (BR) angeschlossen ist.

7. Schaltregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltung (St) für den Tiefsetzsteller (BR) als weiteres Steuerkriterium der aufgenommene Strom (i_A) des Schaltreglers oder ein davon abgeleitetes Signal zuführbar ist, dem gegebenenfalls ein Sägezahnsignal überlagert ist.

8. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktschalter (S1, S2) mit einer Lückzeit betreibbar sind, während der beide Schalter (S1, S2) gleichzeitig stromlos sind und daß diese Lückzeit (T_G) derart bemessen ist, daß einerseits der Gegentaktwandler (GW) als Resonanzgebilde sicher umschwingen kann und andererseits für das Nachladen des jeweiligen Resonanzkondensators (C1; C2) ausreichend Zeit zur Verfügung steht.