DE4432776A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einem derartigen Schaltnetz­ teil, auch step up Schaltung genannt, ist der Ladekondesator am Ausgang des Netzteils an die Reihenschaltung einer Induktivität und eines periodisch betätigten Schalttransistors angeschlossen. Der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung ist über eine Diode an einen großen Speicherkondensator angeschlossen, an dem die erzeugte Betriebsspannung für eine Last steht. Bei einer solchen Schaltung würde an dem Schalttransistor und an der Induktivität jeweils beim Abschalten eine hohe Spannungsspitze auftreten, die zusätzliche Schaltverluste und Störstrahlung bedingt.

Zur Vermeidung einer derartigen Spannungsspitze ist es bekannt, parallel zu dem Schalttransistor einen Kondensator zu schalten, der eine hohe Spannungsspitze an dem Schalttransistor verhin­ dert. Dieser Kondensator bewirkt andererseits in unerwünschter Weise, daß im Einschaltaugenblick des Schalttransistors an die­ sem Transistor noch eine Spannung steht, wodurch Einschaltverlu­ ste entstehen.

Zur Vermeidung dieser Einschaltverluste ist es auch bekannt, parallel zu der Diode einen zusätzlichen Schalter vorzusehen. Dieser wird während einer derartigen Zeit leitend gesteuert, daß der Kondensator mit einem Strom entgegengesetzt zur Leitrichtung der Diode entladen wird, dann wird die Spannung an dem Schalt­ transistor in dessen Einschaltaugenblick praktisch null. Da dieser Schalter während einer bestimmten Zeit leitend gesteuert werden muß, ist dafür ein aktiv gesteuerter Schalter erforder­ lich, der von einer Steuerschaltung oder einem Prozessor definiert leitend gesteuert wird. Ein derartiger aktiver Schalter an der genannten Stelle ist aber relativ schwierig zu realisieren, weil beide Elektroden der Diode Spannungen führen, die nicht konstant sind, sondern sich ändern, also gewissermaßen "fließen". Für die Ansteuerung eines aktiven Schalters wäre dann an sich ein Übertrager erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Schalter parallel zu Diode derart zu realisieren, daß kein aktiv gesteuerter Schalter erforderlich ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Bei der Erfindung wird der Schalter dadurch realisiert, daß für die Diode eine träge Diode mit einer langen Erholzeit verwendet ist, die einen Reverse-Strom in Sperrichtung ermöglicht. Für den Schalter wird dann gar kein zusätzliches Bauteil benötigt. Vielmehr wird eine in den meisten Fällen unerwünschte Eigen­ schaft der Diode, nämlich am Ende einer leitenden Phase einen Strom in Sperrichtung zuzulassen, in vorteilhafter Weise für die Realisierung des Schalters ausgenutzt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter durch die sogenannte Body-Diode eines P-Kanal-Feldef­ fekttransistors gebildet. Bei dieser Lösung wird erreicht, daß der Schalter schnell wieder abschaltet und die Verluste verringert werden.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Schalter durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar-Transistors gebildet, in dessen Emitterweg ein Emitter-Widerstand und in dessen Basisweg ein Basiswiderstand liegt. Bei dieser Lösung können die gewünschte leitende Phase des Schalters und der Strom durch die Bemessung der beiden Widerstände besonders gut eingestellt werden. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform liegt parallel zu dem Basis-Widerstand die Kollektor/Emitter-Strecke eines Hilfs-Transistors, dessen Basis über einen Widerstand an den Emitter des Bipolar-Transistors angeschlossen ist. Diese Schaltung ermöglicht ein besonders genaues Abschalten des Schalttransistors, indem der Emitter-Strom des Schalttransistors selbst über den Hilfstransistor zum Abschalten herangezogen wird. Bei dieser Lösung ist vorzugsweise die Basis des Hilfstransistors über einen Kondensator mit der an den Speicher­ kondensator angeschlossenen Elektrode der Diode verbunden. Der Kondensator bewirkt, daß auch bei einer Spannungsspitze an dem Speicherkondensator der genannte Bipolar-Transistor gesperrt bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4, 5 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 6, 7 zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig. 8 eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt eine als Schaltnetzteil arbeitende sogenannte step­ up-Abschaltung. Dargestellt sind die Netzspannung U1, der Netz­ gleichrichter BR, der Ladekondensator CN mit der Spannung UN, die Induktivität L, der Schalttransistor TS, die Diode DS, der Speicherkondensator CA mit der Spannung UA, die Last R2 und der den Schalttransistor TS in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung UA steuernde Prozessor P. CN ist so klein bemessen, daß UN eine pulsierende Gleichspannung ist. CA ist als reiner Speicherkon­ densator so groß bemessen, daß die Spannung UA im wesentlichen eine reine Gleichspannung ist. Der Kondensator CS dient dazu, hohe Impulsspannungen in der Spannung US zu unterdrücken. CS würde andererseits eine Restspannung im Einschaltaugenblick von TS bewirken, die zu nennenswerten Einschaltverlusten führt. Da­ her ist parallel zu der Diode DS der Schalter SS vorgesehen.

Die Funktion dieses Schalters wird anhand der Fig. 2 erläutert. iD ist der gesamte durch die Parallelschaltung von DS und SS fließende Strom, iDS der Strom durch die Diode DS und iSS der Strom durch den Schalter SS. Nach dem Abschalten von TS fließt zunächst der Strom iDS durch die Diode DS zur Aufladung von CA. Wenn dieser Strom auf null abgeklungen ist, wird der Schalter SS leitend und erzeugt während der Zeit tSS den Strom iSS. Dieser Strom entlädt CS in erwünschter Weise derart, daß beim Wiedereinschalten von TS im Zeitpunkt t3 die Spannung US praktisch null ist und somit Einschaltverluste an TS weitestge­ hend vermieden werden.

Fig. 3 zeigt einen Auszug aus der Schaltung nach Fig. 1. Der zu­ sätzliche Schalter SS ist nicht mehr vorhanden. Statt dessen ist als Diode DS eine träge Diode mit einer langen Erholzeit verwendet, die einen Reverse-Strom iSS zwischen t2 und t3 ermöglicht. Die Eigenschaft einer derartigen Diode, nach ihrer leitenden Zeit kurzzeitig einen Strom in Sperrichtung durchzu­ lassen, wird also in vorteilhafter Weise zur Realisierung des Stromes iSS gemäß Fig. 1 ausgenutzt.

Fig. 5 zeigt wieder die Spannung US. Der Strom iSS bewirkt, daß im Einschaltzeitpunkt von TS, also wenn US auf null abfällt, der Kondensator CS entladen ist und keine nennenswerten Ein­ schaltverluste auftreten.

In Fig. 6 ist die Diode DS durch den Feldeffekttransistor TFT realisiert. Dabei wird die sogenannte Body-Diode eines P-Kanal- Feldeffekttransistors FET zur Realisierung des Reverse-Stromes iSS ausgenutzt.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Schalter SS gemäß Fig. 1 durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar- Transistors TSS ausgebildet ist, in dessen Emitterweg ein Emitter-tand RB liegt. TSS stellt eine Basis/Emitter-Diode und eine Widerstand RE und in dessen Basisweg ein Basis-Widers Ba­ sis/Kollektor-Diode dar. Der Widerstand RB wird die Basis Kollektor-Diode von TSS leitend gesteuert. RB induziert eine La­ dung in der Basis, die den Strom auf null abfallen läßt. TSS wird leitend durch die induzierten Ladungsträger, wodurch der gewünschte Reverse-Strom oder Rückwärtsstrom iSS ermöglicht wird. Wenn die Basis von Ladungsträgern ausgeräumt ist, wird TSS gesperrt, und der Strom iSS wird wieder null. Durch die Wider­ stände RE und RB lassen sich die gewünschte Zeitdauer des Stromes iSS sowie dessen Amplitude besonders genau einstellen.

Fig. 8 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 7. Zusätzlich ist der Hilfs-Transistor TSH mit dem Widerstand RB, dem Widerstand RC und dem Kondensator CB vorgesehen. Mit RE wird der Strom iSS über TSS gemessen und mit diesem Strom über RC und TSH dieser Strom besonders schnell abgeschaltet. Der Kondensator CB sorgt dafür, daß bei Spannungspitzen SP an dem Speicherkon­ densator CA der Transistor TSS gesperrt bleibt.

Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel hatten die in den Figuren dargestellten Bauteile folgende Werte:
CA
CS
CN
CB
L
DS Typ BY255 in Fig. 3
RE 1 Ohm
RB 100 Ohm
RC 1 kOhm
TSS Typ BUT5OA
TSH Typ BC337.

Claims (5)

1. Schaltnetzteil mit einer durch einen Schalttransistor (TS) periodisch geladenen Induktivität (L), die über eine Diode (DS) an einen die Betriebsspannung (UA) liefernden Speicher­ kondensator (CA) angeschlossen ist, wobei parallel zu dem Schalttransistor (TS) ein Kondensator (CS) liegt und die Diode (DS) durch einen Schalter (SS) überbrückt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schalter (SS) dadurch realisiert ist, daß für die Diode (DS) eine träge Diode mit einer langen Erholzeit verwendet ist, die einen Reverse-Strom in Sperrichtung ermöglicht.

2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (SS) durch die Diodeneigenschaft eines P-Kanal-Fel­ deffekttransistors (TFT) gebildet ist.

3. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (SS) durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipo­ lar-Transistors (TSS) gebildet ist, in dessen Emitterweg ein Emitter-Widerstand (RE) und in dessen Basisweg ein Basis- Widerstand (RB) eingeschaltet ist.

4. Netzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß paral­ lel zu dem Basis-Widerstand (RB) die Kollektor/Emitter-Strec­ ke eines Hilfs-Transistors (TSH) liegt, dessen Basis über einen Widerstand (RC) an den Emitter des Bipolar-Transistors (TSS) angeschlossen ist.

5. Netzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ba­ sis des Hilfs-Transistors (TSH) über einen Kondensator (CB) mit der an den Speicherkondensator (CA) angeschlossenen Elek­ trode der Diode (DS) verbunden ist