DE4339160C1 - Sperrwandler-Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sperrwandler-Schaltnetzteil, umfassend einen Transformator mit einer Primärwicklung, an die eine gleichgerichtete Wechselspannung getaktet anlegbar ist, und mit mindestens einer Sekundärwicklung, an die über eine Gleichrichtereinrichtung eine Glättungskapazität und eine Ausgangsklemme zum Anschluß einer Last angeschlossen sind, ein Schaltelement, das in Reihe mit der Gleichrichter­ einrichtung geschaltet ist, und eine Steuerschaltung, durch die das Schaltelement in Abhängigkeit vom Wert der an der Ausgangsklemme abgreifbaren Spannung ein- und ausschaltbar ist (US-PS 49 12 617).

Bei Schaltnetzteilen wird im Prinzip magnetische Energie während einer Flußphase in einem Transformator gespeichert und während einer Sperrphase zur Speisung einer Last abgege­ ben. Hierzu ist ein Schaltelement vorgesehen, das in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators liegt und von einer Steuereinrichtung ein- und ausgeschaltet wird. Während der Flußphase ist der Schalter geschlossen, so daß eine gleichgerichtete Wechselspannung an der Primärwicklung an­ liegt. Dadurch fließt ein Strom durch die Primärwicklung, so daß der Transformator magnetisiert wird. Während der Sperr­ phase, d. h. bei geöffnetem Schaltelement, kehren sich die Spannungen am Transformator um, so daß die im Magnetfeld gespeicherte Energie über eine an die Sekundärseite ange­ schlossene Gleichrichtereinrichtung an eine Last abgegeben werden kann. Die Steuereinrichtung dient zur Einstellung der Ein- und Ausschaltzeitdauern des Schaltelements in Abhängig­ keit von der zu versorgenden Last. Bei freischwingenden Schaltnetzteilen können als Regelgrößen je ein von der Se­ kundärspannung und dem Primärstrom abgeleitetes Regelsignal verwendet werden.

Die Ausregelung der Sekundärspannung auf einen möglichst gleichbleibenden Wert unterliegt jedoch gewissen Schwankun­ gen.

Zur Einhaltung eines geforderten Toleranzbereichs der Ausgangsspannung ist bei einem in der US-Patentschrift 4 912 617 beschriebenen Schaltnetzteil ein Thyristor vorge­ sehen, dessen Anoden-Katoden-Strecke zwischen den Ausgang einer Sekundärwicklung des Schaltnetzteiltransformators und einen Ladekondensator zum Abgriff der geregelten Ausgangs­ spannung geschaltet ist. Der Thyristor ist einschaltbar, wenn die am Ladekondensator anliegende Ausgangsspannung einen Schwellwert unterschreitet. Der Einschaltzeitpunkt des Thyristors liegt nur bei einer an der Sekundärwicklung des Schaltnetzteiltransformators anliegenden positiven Spannung vor. In diesem Betriebszustand ist im Transformator magneti­ sche Energie gespeichert. Ein Schalten zu diesem Zeitpunkt kann Spannungssprünge bewirken, durch die Bauelemente zer­ stört werden könnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs ge­ nannte Schaltnetzteil in Bezug auf die Betriebssicherheit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung Mittel enthält, durch die das Schaltelement nur dann ge­ schaltet werden kann, wenn der Transformator entmagnetisiert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils,

Fig. 2 ein Signaldiagramm relevanter Signale in der Schaltung der Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit Energierückspeisung auf die Primärseite,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit geteilter Sekundärwicklung und

Fig. 5 ein detailliertes Realisierungsbeispiel der Stabilisierungsschaltung.

Ein Schaltnetzteil enthält einen Trans­ formator 1 mit einer Primärwicklung 3 und einer Sekundär­ wicklung 4. Die Primärwicklung 3 ist mit einem Halbleiter­ schaltelement 5 verbunden, welches ein MOS-Transistor ist. Die Ein- und Ausschaltzeitdauern des Transistors 5 werden von einer Steuerungseinrichtung 9 bestimmt. Über den Transi­ stor 5 wird also die am Glättungskondensator 6 anliegende Spannung an die Primärwicklung getaktet angelegt. Der Glät­ tungskondensator 6 wird aus dein Brückengleichrichter 7 ge­ speist. Durch den Brückengleichrichter 7 wird eine an den Eingangsklemmen 17 anliegende Wechselspannung U_I gleichge­ richtet. Der Steuerungseinrichtung 9 wird die Regelinforma­ tion über Einrichtungen 8 und 10 zugeführt. Die Einrichtung 8, die eine Hilfswicklung 2, eine Diode, einen nach Primär­ masse 18 geschalteten Kondensator und einen Längswiderstand umfaßt, liefert ein an die Ausgangsspannung der Sekundär­ wicklung 4 gekoppeltes Regelsignal. Die Einrichtung 10, die im wesentlichen aus einem parallel zum Glättungskondensator 6 liegenden RC-Glied besteht, liefert das Regelsignal für den Primärstrom durch die Primärwicklung 3. Die Steuerungs­ einrichtung 9 wird üblicherweise als integrierter Schalt­ kreis realisiert. Beispielsweise kann für das gezeigte Schaltnetzteil die integrierte Schaltung TDA 4605 der Firma Siemens verwendet werden. An die Sekundärwicklung 4 ist eine Gleichrichterdiode 11 geschaltet, über die ein zwischen einem Ausgang 13 und Sekundärmasse 16 geschalteter Glät­ tungskondensator 12 aufladbar ist. Der Ausgangsanschluß 13 dient zum Anschluß einer Last, die mit der Spannung U ver­ sorgt wird.

Zwischen der Diode 11 und dem Anschluß des Kondensators 12 ist ein Schaltelement 15 angeordnet. Das Schaltelement 15 wird von einer Steuerungseinrichtung 14 gesteuert, die mit dem Ausgang 13 und Sekundärmasse 16 ver­ bunden ist. Bei eingeschaltetem Schalter 15 wird der Konden­ sator 12 durch den durch die Diode 11 fließenden Strom I aufgeladen. Bei geöffnetem Schalter 15 wird der Strom unter­ brochen. Der Schalter 15 wird durch die Steuerungseinrich­ tung 14 nun derart gesteuert, daß die Ausgangsspannung U in einem möglichst geringen Schwankungsbereich liegt. Hierzu wird in der Steuerungseinrichtung 14 die Spannung U abge­ fragt und mit einer Schwelle verglichen. Liegt die Spannung U unterhalb der Schwelle, wird der Schalter 15 geschlossen, so daß der Kondensator 12 aufgeladen wird. Liegt die Span­ nung U oberhalb dieser Schwelle, wird der Schalter 15 geöff­ net, so daß die am Kondensator 12 anliegende Spannung U nicht weiter ansteigt.

Die Wirkungsweise der Stabilisatorschaltung 14, 15 der Fig. 1 kann mit Hilfe des Signaldiagramms der Fig. 2 verdeutlicht werden. Es sind der Strom I durch die Diode 11 und den Schalter 15, der Pegelverlauf des den Schalter 15 steuernden Signals A und der Verlauf der Ausgangsspannung U darge­ stellt. Der Zeitraum 20 ist die Sperrphase, während der der Schalttransistor 5 gesperrt ist und die im Transformator 1 gespeicherte Energie als Strom I auf die Sekundärseite über­ tragen wird. Während der Flußphase 21 ist der Schalttransi­ stor 5 leitend, wobei Energie im Transformator 1 gespeichert wird. Dabei ist die Diode 11 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Strom I Null ist. Die Steuerungseinrichtung 9 sorgt dafür, daß die Flußphase erst dann beginnt, wenn die im Transformator 1 gespeicherte Energie sicher abgeflossen ist. Während der Strom I fließt, wird der Kondensator 12 aufgela­ den. Die Spannung U steigt demzufolge an. Ansonsten wird der Kondensator 12 durch die an den Anschluß 13 angeschlossene Last entladen, so daß die Spannung U abfällt.

Während des Zeitraums 22 weist das Signal A einen L-Pegel auf, ansonsten einen H-Pegel. Bei einem L-Pegel ist der Schalter 15 geöffnet, so daß der Strom I nicht fließen kann. Bei einem H-Pegel ist der Schalter 15 geschlossen, so daß der Strom I fließen kann. Durch die Einrichtung 14 wird der Momentanwert der Ausgangsspannung U mit der Schaltschwelle 23 verglichen. Liegt die Ausgangsspannung U oberhalb der Schaltschwelle 23, wird der Schalter 15 geöffnet. Zweckmäßi­ gerweise wird dies dann ausgeführt, wenn der Transformator 1 entladen und der Strom I auf Null zurückgegangen ist. Der Schalter 15 wird geschlossen, wenn die Spannung U unterhalb der Schaltschwelle 23 liegt. Das Schließen des Schalters wird zweckmäßigerweise auch während einer Strompause des Stroms I ausgeführt. Damit werden Belastungsspitzen, durch die irgendwelche Bauelemente zerstört werden könnten, ver­ mieden.

Das Schaltnetzteil der Fig. 3 unterscheidet sich von der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, daß eine weite­ re Primärwicklung 31 vorhanden ist. Ein erster Anschluß der Primärwicklung 31 ist mit Primärmasse 18 verbunden, ein weiterer Anschluß ist über eine Diode 32 mit dem mit der Primärwicklung 3 verbundenen Anschluß des Glättungskondensa­ tors 6 gekoppelt. Die im Transformator 1 gespeicherte Ener­ gie wird während der Sperrphase bei geöffnetem Schalter 15, also dann, wenn kein Sekundärstrom I fließen kann, auf die Primärseite zurückgespeist. Dabei wird die Diode 32 leitend, so daß ein Strom aus der weiteren Primärwicklung 31 zur Aufladung des Kondensators 6 fließt. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn auf der Sekundärseite nur Wicklungen angeschlossen sind, die eine Stabilisatorschaltung 14, 15 enthalten. Dies können eine oder mehrere solche Sekundär­ wicklungen sein. Damit wird dem Fall abgeholfen, daß die im Transformator eingespeicherte Energie nicht über die Sekun­ därseite abfließen kann, wenn alle Schalter geöffnet sind.

Das Schaltnetzteil nach Fig. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 darin, daß die Sekundärwicklung einen Mittelabgriff 48 aufweist. Die Sekundärwicklung ent­ hält dann einen ersten und einen zweiten Wicklungsabschnitt 40 und 41. Der Zwischenabgriff 48 der Sekundärwicklung ist über eine Diode 44 mit dem Lastanschluß 49 verbunden. Der andere Ausgangsanschluß der Sekundärwicklung ist über eine Diode 43 und außerdem ein Schaltelement 45 mit dem Lastan­ schluß 49 verbunden. Die Steuerungseinrichtung zur Ansteue­ rung des Schalters 45 liegt erfindungsgemäß zwischen dem Lastanschluß 49 und Sekundärmasse 16 parallel zum Glättungs­ kondensator 47.

Bei geschlossenem Schalter 45 fließt der Entladestrom des Transformators während der Sperrphase über die Diode 43 in den Glättungskondensator 47. Bei geöffnetem Schalter 45 steigt das Potential am Wicklungsausgang 48 an, bis die Diode 44 leitend wird und den Kondensator 47 auflädt. In diesem Fall ist folglich die an einer Windung abfallende Spannung höher als im Fall des geschlossenen Schalters. Dies bedeutet, daß auch an der Regelwicklung 2 eine höhere Span­ nung abfällt. Mittels der Steuerschaltung 9 wird dann das Schaltverhalten des Schalttransistors derart nachgeregelt, daß in den Transformator 1 weniger Energie eingespeist wird. Das in der Fig. 4 gezeigte Schaltnetzteil mit einer geteilten Sekundärwicklung 40, 41 ist dann vorteilhaft, wenn nur eine einzige Sekundärwicklung vorliegt. Im Vergleich zur Ausfüh­ rungsform der Fig. 3 erfolgt keine Leistungsübertragung auf die Primärseite, so daß wenig Verlustleistung verbraucht wird.

Eine beispielhafte schaltungstechnische Ausführung der Steu­ erschaltung 14 und des Schalters 15 ist in Fig. 5 gezeigt. Der Schalter 15 ist ein selbstsperrender n-Kanal-MOS-Transi­ stor, der in den Strompfad zwischen die Diode 11 und den Ausgangsanschluß 13 geschaltet ist. Dabei wirkt die mit dem Anschluß 13 verbundene Elektrode des MOS-Transistors 15 als Source, die mit der Diode 11 verbundene Elektrode als Drain. Die längs der Sekundärwicklung 4 abfallende Spannung wird über einen Kondensator 50 in die Steuerschaltung 14 einge­ koppelt. Zweckmäßigerweise ist eine Zenerdiode 51 vorgese­ hen, deren Anode mit der Katode der Gleichrichterdiode 11 und deren Katode mit dem Koppelkondensator 50 verbunden ist. Die Zenerdiode 51 dient dazu, den zwischen ihren Anschluß­ klemmen abfallenden Spannungshub zu begrenzen. Eine Diode 52 liegt mit dem Koppelkondensator 50 in Reihe. Sie dient zum Aufladen eines zwischen die Diode 52 und den Ausgangsan­ schluß 13 geschalteten Glättungskondensators 53. Aus dem Kondensator 53 wird die Steuerschaltung 14 mit Spannung versorgt. Zur Messung der Ausgangsspannung U zwischen dem Ausgangsanschluß 13 und Sekundärmasse 16 ist ein Spannungs­ teiler aus einem Widerstand 54 und einer Zenerdiode 55 vor­ gesehen. Der Spannungsteiler ist zwischen den Katodenan­ schluß der Diode 52 und Sekundärmasse 16 geschaltet, wobei der Widerstand 54 mit der Diode und die Zenerdiode 55 mit Sekundärmasse 16 verbunden ist. Der Spannungsteiler liegt also parallel zur Reihenschaltung der Glättungskondensatoren 53, 12. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers wird in eine Vergleichsrichtung 56 eingespeist. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel ist dies ein Inverter. Für eine besonders hohe Regelgenauigkeit kann die Vergleichseinrichtung 56 auch als Komparator ausgeführt werden. Das Ausgangssignal der Ver­ gleichseinrichtung 56 liefert die Information, ob die Aus­ gangsspannung U oberhalb oder unterhalb der Vergleichs­ schwelle liegt, bezüglich der der Schalttransistor 15 aus­ bzw. eingeschaltet werden muß. Die Schaltschwelle kann durch geeignete Wahl der Zenerdiode 55 in weiten Grenzen einge­ stellt werden. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 56, hier des Inverters, wird in einem D-Flip-Flop gespei­ chert. Der invertierende Ausgang des D-Flip-Flops ist mit dem Gateanschluß des MOS-Transistors 15 verbunden. Der Takteingang des D-Flip-Flops ist über eine Flankendifferen­ zierschaltung 57 mit dem Koppelkondensator 50 verbunden. Der Differenzierer 57 und das D-Flip-Flop 58 sind derart ausgeführt, daß das D-Flip-Flop 58 nur bei einer negativen Signalflanke der längs der Sekundärwicklung 4 abfallenden Spannung schaltet. Dadurch ist gewährleistet, daß ein Schaltvorgang des D-Flip-Flops und damit einhergehend ein Schalten des MOS-Transistors 15 unmittelbar nach der Entma­ gnetisierung des Transformators 1 erfolgt.

Die Realisierung der Steuerschaltung 14 gemäß Fig. 5 ist relativ einfach. Durch die digitale Ausführung arbeitet die Steuerschaltung 14 verlustleistungsarm. Dies gilt insbeson­ dere dann, wenn CMOS-Technologie verwendet wird. Der Konden­ sator 50 liegt im Nanofaradbereich und kann umso kleiner gewählt werden, je größer die längs der Sekundärwicklung 4 abfallende Spannung ist. Die Praxis hat gezeigt, daß diese Spannung etwa 15 bis 20 Volt betragen sollte. Sind höhere Ausgangsspannungen gefordert, ist es zweckmäßig einen ande­ ren Ausgang des Transformators mit einer Ausgangsspannung im bevorzugten Bereich zu verwenden.

Ein Schaltnetzteil mit der erfindungsgemäßen, digitalen Ausgangsspannungsstabilisierung weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß die Windungsspannung und die Ausgangsspan­ nung nicht fest vorgegeben sind, sondern in beliebiger Höhe eingestellt werden können. Die Stabilisierungsschaltung ist kurzschlußfest, da ein möglicher Kurzschlußstrom nicht über den Digitalregler fließt. Außerdem ist die Lösung leicht integrierbar.

Claims (5)

1. Sperrwandler-Schaltnetzteil, umfassend einen Transforma­ tor (1) mit einer Primärwicklung (3), an die eine gleichgerichtete Wechselspannung getaktet anlegbar ist, und mit mindestens einer Sekundärwicklung (4) , an die über eine Gleichrichtereinrichtung (11) eine Glättungskapazität (12) und eine Ausgangsklemme (13) zum Anschluß einer Last ange­ schlossen sind, ein Schaltelement (15), das in Reihe mit der Gleichrichtereinrichtung (11) geschaltet ist, und eine Steuerschaltung (14), durch die das Schaltelement (15) in Abhängigkeit vom Wert der an der Ausgangsklemme (13) abgreifbaren Spannung ein- und ausschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) Mittel (57) enthält, durch die das Schaltelement (15) nur dann geschaltet werden kann, wenn der Transformator (1) entmagnetisiert ist.

2. Sperrwandler-Schaltnetzteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Primärwicklung (31), die über eine Gleichrich­ tereinrichtung (32) mit einer an die Primärwicklung (3) angeschlossenen weiteren Glättungskapazität (6) verbunden ist.

3. Sperrwandler-Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenabgriff (48) der Sekundärwicklung (40, 41) über eine Gleichrichtereinrichtung (44) mit der Glättungska­ pazität (47) verbunden ist.

4. Sperrwandler-Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) enthält:
ein Speicherelement (58), dessen Ausgang () mit einem Steu­ ereingang des Schaltelements (15) verbunden ist,
eine Vergleichseinrichtung (56), durch die die an der Aus­ gangsklemme (13) abgreifbare Spannung (U) mit einem Schwell­ wert verglichen wird und deren Ausgang mit einem Datenein­ gang (D) des Speicherelements (58) verbunden ist,
eine Detektoreinrichtung (57), durch die die Entmagnetisie­ rung des Transformators (1) feststellbar ist und deren Aus­ gang mit einem Takteingang des Speicherelements (58) verbun­ den ist.

5. Sperrwandler-Schaltnetzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (4) des Transformators (1) einen ersten mit Sekundärmasse (16) verbundenen Anschluß und einen zweiten Anschluß aufweist, daß der zweite Anschluß über die Reihenschaltung einer Diode (11) und die Drain-Source- Strecke eines MOS-Transistors (15) mit der Ausgangsklemme (13) für die Last verbunden ist, daß zwischen die Ausgangs­ klemme (13) und Sekundärmasse (16) ein erster Kondensator (12) geschaltet ist, daß der Ausgang () eines D-Flip-Flops (58) mit der Gateelektrode des MOS-Transistors (15) verbun­ den ist, daß der zweite Anschluß der Sekundärwicklung über einen zweiten Kondensator (50), eine zweite Diode (52) und einen dritten Kondensator (53) mit der Ausgangsklemme (13) verbunden ist, daß ein Takteingang des D-Flip-Flops (58) über einen Flankendetektor (57) für fallende Flanken mit dem zweiten Kondensator (50) verbunden ist, daß der Dateneingang (D) des D-Flip-Flops (58) mit einem Ausgang eines Kompara­ tors (56) verbunden ist und daß der Eingang des Komparators (56) an den Zwischenabgriff eines Spannungsteilers (54, 55) angeschlossen ist, der parallel zum ersten Kondensator (12) und dritten Kondensator (53) geschaltet ist.