-
AUFGABE DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Umformer mit Resonanzschaltung und einem einzigen
Ausgang, in dem die Energieübertragung zwischen
dem Eingang und dem Ausgang durch ein Schaltelement gesteuert wird,
das sich auf der Primärseite
des Umformers mit Resonanzschaltung befindet.
-
Die Sekundärseite des Umformers enthält einen
Resonanz-Schaltkreis,
der die Entmagnetisierung des Transformatorkerns durchführt, mit
dem der Eingang vom Ausgang des Umformers mit Resonanzschaltung
elektrisch isoliert wird.
-
Der Umformer mit Resonanzschaltung
findet seine spezielle, aber nicht ausschließliche Anwendung in verteilten
Stromversorgungssystemen, in denen geschaltete Umformer mit geringer
Spannung und geringem Stromverbrauch benötigt werden, da sie als eine
weitere elektronische Komponente auf gedruckte Leiterplatten montiert
sind, und daher eine hohe Integrationsdichte und verringerte Abmessungen
erforderlich sind.
-
STAND DER TECHNIK
-
Ein Umformer für Schaltnetzteile ist aus dem US-Patent
Nummer 5,886,881 bekannt, das Xia et al. erteilt wurde. Es beschreibt
einen Vorwärts-Umformer
mit einem einzigen Ausgang, der auf der Primärseite eine serielle Kombination
einer Primärwicklung eines
Transformators und eines ersten Schaltelementes enthält, die
an eine Eingangsspannung angelegt wird, welche durch eine Gleichstrom-(DC)-Quelle
geliefert wird.
-
Auf der Sekundärseite ist eine Sekundärwicklung
des Transformators in Reihe mit einem selbsterregten Synchrongleichrichter
und einem Filter geschaltet, das eine Ausgangsspannung an eine Last
anlegt. Der Ausgang des Filters bildet den Ausgang des geschalteten
Umformers.
-
Eine serielle Kombination, die aus
einem Kondensator und einem zweiten Schaltelement besteht, ist parallel
zu einem dritten Schaltelement angeschlossen, welches den Gleichrichter-Zweig
des selbsterregten Synchrongleichrichters bildet.
-
Wenn das erste Schaltelement sich
im leitenden Zustand befindet, wird die Eingangsspannung über den
Transformator an den Eingang des selbsterregten Synchrongleichrichters
angelegt. Während dieser
Periode erfolgt eine direkte Energieübertragung zwischen dem Eingang
und dem Ausgang.
-
Wenn das erste Schaltelement sich
im nichtleitenden Zustand befindet, leitet das zweite Schaltelement,
wodurch ein Magnetisierungsstrom von der Sekundärwicklung zum Kondensator fließt, der
auf eine Spannung aufgeladen wird, die proportional zur Eingangsspannung
ist. Das Ergebnis ist, dass die Spannung an der Sekundärwicklung
konstant gehalten oder geklemmt wird, und der Transformatorkern wird
entmagnetisiert oder zurückgesetzt.
-
Ein Nachteil des geschalteten Vorwärts-Umformers
ist, dass die Periode, die das erste Schaltelement nicht leitet,
konstant ist, und als Folge davon die Entmagnetisierung des Transformatorkerns
nicht während
der gesamten Nichtleitungs-Periode
des ersten Schaltelementes stattfindet, was dazu führt, dass
bei wesentlichen Schwankungen der Eingangsspannung unerwünschte Totzeiten
im Schaltvorgang des selbsterregten Synchrongleichrichters auftreten.
-
Aus diesem Grund ist es erforderlich,
einen geschalteten Vorwärts-Umformer
zu entwickeln, der einen weiten Bereich an Eingangsspannungen akzeptiert
und für
alle garantiert, dass die Entmagnetisierung des Transformatorkerns
während
der gesamten Nichtleitungs-Periode des ersten Schaltelementes auf
eine Weise stattfindet, so dass im Betrieb des selbsterregten Synchrongleichrichters über den
gesamten Bereich der Eingangsspannungen keine Totzeiten auftreten.
All dies führt
zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Vorwärts- Wandlers, während das
einfache Design und der einfache Betrieb des vorwärts-Wandlers
erhalten bleiben.
-
CHARAKTERISIERUNG DER
ERFINDUNG
-
Um die oben beschriebenen Probleme
zu überwinden,
wird ein Umformer mit Resonanzschaltung vorgeschlagen, der in der
Lage ist, zu bewirken, dass das Ende der Resonanzperiode mit dem
Beginn der Leitungs-Periode eines ersten Schaltelementes zusammenfällt, wodurch
unerwünschte
Totzeiten während
des Betriebs eines selbsterregten Synchrongleichrichters vermieden
werden.
-
Um dieses Ziel zu erreichen, wird
ein erster Kondensator hinzugefügt,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine Kapazität eine Funktion
des Tastverhältnisses
des ersten Schaltelementes ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird
der erste Kondensator parallel zu einer Sekundärwicklung eines Transformators
angeschlossen.
-
Die Änderung des wertes der Kapazität des ersten
Kondensators wird ausgeführt,
indem parallel zum ersten Kondensator eine serielle Kombination eines
zweiten Kondensators und eines zweiten Schaltelementes hinzugefügt wird.
Der Wert der Kapazität ändert sich
zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert.
-
Durch Steuerung des Wertes der Kapazität des ersten
Kondensators wird bewirkt, dass das Ende der Resonanzperiode mit
dem Ende der Nichtleitungs-Periode des ersten Schaltelementes zusammenfällt.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine detailliertere Beschreibung
der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung gegeben, die auf
den beigefügten
Figuren beruht, in denen:
-
1 ein
elektrisches Schaltbild eines Umformers mit Resonanzschaltung gemäß der Erfindung
zeigt,
-
2-a in
grafischer Form die Signalform der Spannung über zwei Anschlüssen eines
ersten Schaltelementes während
einer Nichtleitungs-Periode, in der eine Totzeit auftritt, zeigt,
und
-
2-b in
grafischer Form die Signalform der Spannung über zwei Anschlüssen des
ersten Schaltelementes während
einer Resonanzperiode gemäß der Erfindung
zeigt.
-
BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNG
-
In 1 ist
eine Ausführung
eines Umformers mit Resonanzschaltung zu sehen, der Eingangs-Anschlüsse 11-1 und 11-2 enthält, über die
er an eine Stromquelle angeschlossen ist, die eine Spannung liefert,
wie z. B. eine vorher festgelegte Gleichspannung.
-
Ein Transformator sorgt für die Isolation
des Eingangs und des Ausgangs des Umformers mit Resonanzschaltung.
Der Transformator hat eine erste Wicklung 11-3, wobei eines
ihrer Enden an einen der Eingangs-Anschlüsse, zum Beispiel 11-1,
angeschlossen ist, und das andere Ende an einen ersten Anschluss
eines ersten Schaltelementes 11-4 angeschlossen ist, wobei
ein zweiter Anschluss mit dem anderen Eingangs-Anschluss 11-2 der
Stromquelle verbunden ist.
-
Das Tastverhältnis des ersten Schaltelementes 11-4 wird
gesteuert, zum Beispiel mittels eines Pulsbreiten-Modulators, der
an seinem Ausgang ein Steuersignal erzeugt, das an einen Steueranschluss des
ersten Schaltelementes 11-4 angelegt wird. Die oben angegebene
Beschreibung bildet die Primärseite
des Umformers mit Resonanzschaltung.
-
Die Sekundärseite des Umformers mit Resonanzschaltung
wird durch die Kaskadenschaltung einer zweiten Wicklung 11-5 des
Transformators, eines Gleichrichter-Mittels 11-6 und eines
Filter-Mittels 11-7 gebildet.
-
Der Gleichrichter ist zum Beispiel
ein selbsterregter Synchrongleichrichter 11-6, der aus
zwei Gleichrichter-Zweigen gebildet wird, aus einem ersten Zweig,
der die eigentliche Gleichrichtung durchführt, und einem zweiten Zweig,
welcher der freilaufende Zweig ist. Das Filter-Mittel 11-7 ist
ein Filter, das eine erste Spule und einen dritten Kondensator hat.
-
Ein erster Kondensator 11-8 ist
parallel zur zweiten Wicklung 11-5 angeschlossen, und parallel zu
diesem ersten Kondensator 11-8 ist eine serielle Kombination
hinzugefügt,
die durch einen zweiten Kondensator 11-8-1 und ein zweites
Schaltelement 11-8-2 gebildet wird. Sowohl das erste Schaltelement 11-4 als
auch das zweite Schaltelement 11-8-2 kann ein Feldeffekt-Transistor
MOSFET sein.
-
Der Betrieb des Umformers mit Resonanzschaltung
soll mit Bezug auf 1 und 2 erklärt werden. Wenn das erste Schaltelement 11-4 sich
im leitenden Zustand (EIN) befindet, wird die an den Eingangs-Anschlüssen 11-1 und 11-2 anliegende
Eingangsspannung an die erste Wicklung 11-3 angelegt, wodurch
eine Spannung in der zweiten Wicklung 11-5 induziert wird.
Auf diese Weise fließt
die Energie zum Gleichrichter 11-6, an dessen Ausgang eine rechteckförmige Wechselspannung
erzeugt wird, die vom Filter 11-7 gefiltert wird, wodurch
an seinem Ausgang eine Gleichspannung erhalten wird, die der Ausgangsspannung
des Umformers mit Resonanzschaltung entspricht.
-
Darüber hinaus wird während dieser
Leitungs-Periode (EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 durch
den Strom eine bestimmte Energie in der Selbstinduktivität des Transformators
gespeichert. Diese Energie muss aus dem Transformator entfernt werden,
da andernfalls eine ständig
steigende Energiemenge im Transformator gespeichert würde und zwangsläufig zu
dessen Zerstörung
führen
würde.
-
In diesem Zustand wird die im Transformator gespeicherte
Magnetisierungsenergie durch einen Resonanzprozess freigegeben,
der zwischen der Selbstinduktivität des Transformators, dem ersten Kondensator 11-8 und
der Streukapazität
zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelementes 11-4 aufgebaut
wird. Dieser Prozess wird während
einer Nichtleitungs-Periode des ersten Schaltelementes 11-4 entwickelt.
-
Auf eine Leitungs-Periode (EIN) folgt
eine Nichtleitungs-Periode
des ersten Schaltelementes 11-4, in der die Spannung am
Eingang des Filters 11-7 Null ist und die Spannung über den
Enden der ersten Spule nun umgekehrt wird, so dass der Strom der
ersten Spule abnimmt.
-
Darüber hinaus wird wrährend dieser
Nichtleitungs-Periode die Selbstinduktivität des Transformators entladen,
da der Resonanzkreis einen Entlade-Pfad bildet. Über diesen Entlade-Pfad fließt ein Strom,
der den Transformator entmagnetisiert und der nicht auf abrupte
Weise unterbrochen werden kann. Folglich beginnt der erste Kondensator 11-8, sich
mit einer negativen Spannung auszuladen.
-
Zu einem gegebenen Zeitpunkt der
Resonanzperiode oder Nichtleitungs-Periode, wie z. B. in der Mitte
der Periode, erreicht dieser Strom den Wert Null, und weil der erste
Kondensator 11-8 mit einer negativen Spannung aufgeladen
wird, wird ein Strom gezwungen, in die Gegenrichtung zu fließen. Als
Folge davon wird die Energie, die dazu verwendet worden wäre, den
ersten Kondensator 11-8 zu laden, nun dazu verwendet, einen
negativen Strom zu induzieren und den Transformator an einen Punkt
der negativen Sättigung
zu bringen. Der erste Kondensator 11-8 wird entladen, und
die folgende Leitungs-Periode
(EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 beginnt.
-
Wenn am Ende der Entlade-Periode
des ersten Kondensators 11-8 ein Totzeit-Intervall Tm folgt, findet
das Schalten des ersten Schaltelementes 11-4 nicht statt,
und dadurch ist kein ausreichender Pegel an Gate-Spannung vorhanden,
um das Schalten der Schaltelemente des selbsterregten Synchrongleichrichters 11-6 hervorzurufen,
siehe 2-a. Diese Situation
ist unerwünscht
und wird durch den vorgeschlagenen Resonanz-Umformer vermieden.
Somit beginnt die Leitungs-Periode (EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 präzise in
dem Moment, in dem der erste Kondensator 11-8 entladen
wurde, was mit dem Ende der Resonanzperiode zusammenfällt, siehe 2-b.
-
Kehren wir zurück zu 1, und um diese zuletzt genannte Situation
zu erreichen, wird die Serienschaltung des zweiten Kondensators 11-8-1 und des
zweiten Schaltelementes 11-8-2 parallel zum ersten Kondensator 11-8 hinzugefügt. Das
zweite Schaltelement 11-8-2 arbeitet im linearen Bereich seiner
Kennlinie.
-
Auf diese Weise ist es möglich, die
vom zweiten Kondensator 11-8-1 erreichte maximale Kapazität festzulegen
und wiederum die Kapazität
des ersten Kondensators 11-8 festzusetzen.
-
Als Folge davon ändert sich die Kapazität des ersten
Kondensators 11-8 zwischen einem ersten Wert und einem
zweiten Wert, wodurch eine Verlängerung
oder Verkürzung
der Resonanzzeit des ersten Kondensators 11-8 erreicht
wird, die an die Nichtleitungs-Periode angepasst wird, da die Lade-/Entladezeit des
Kondensators eine Funktion seiner Kapazität ist.
-
Wie in 2-a gezeigt,
wird dafür
gesorgt, dass das Ende der Resonanzperiode mit dem Start der folgenden
Leitungs-Periode
(EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 zusammenfällt. Das
heißt,
die Dauer der Resonanzperiode ist eine Funktion des Tastverhältnisses
des ersten Schaltelementes 11-4 und folglich der Ausgangsspannung
des Umformers mit Resonanzschaltung, da das Tasteverhältnis des ersten
Schaltelementes 11-4 eine Funktion der Ausgangsspannung
ist.
-
Im Folgenden wird eine andere Ausführung des
Umformers mit Resonanzschaltung beschrieben. Eine andere Möglichkeit,
die Kapazität
des ersten Kondensators 11-8 als Funktion des Tastverhältnisses
des ersten Schaltelementes 11-4 zu ändern, wird erreicht, indem
dafür gesorgt
wird, dass das zweite Schaltelement 11-8-2 in einem der
folgenden beiden Bereiche seiner Kennlinie arbeitet: Sättigungs-
oder Abschnürbereich.
-
Zum Beispiel arbeitet das zweite
Schaltelement 11-8-2 für
bestimmte Werte der Eingangsspannung von einem ersten Spannungspegel
bis zu einem zweiten Spannungspegel im Abschnürbereich.
-
Für
diese Spannungswerte ist die aktive Zeit (EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 größer. Daher wird
die Entmagnetisierung des Transformators in kürzerer Zeit durchgeführt, da
die Schaltrate konstant gehalten wird. Mit dem zweiten Schaltelement 11-8-2 im
Abschnür-Zustand
ist die Zeit minimal, welche die Resonanz zur Entmagnetisierung
des Transformators benötigt,
da dies nur mit dem ersten Kondensator 11-8 durchgeführt wird.
-
Für
Spannungspegel zwischen dem zweiten Spannungspegel und einem dritten
Spannungspegel wird die aktive Zeit (EIN) des ersten Schaltelementes 11-4 allmählich verringert.
Folglich wird für
diese Pegel der Eingangsspannung dafür gesorgt, dass das zweite
Schaltelement 11-8-2 im Sättigungsbereich arbeitet.
-
Auf diese Weise wird die Resonanz
in diesem Fall zwischen der Summe aus dem ersten Kondensator 11-8 und
dem zweiten Kondensator 11-8-1 hergestellt, die größer ist
als der erste Kondensator 11-8 alleine. Auf diese Weise
dauert die Entmagnetisierungs-Resonanz des Transformators länger und kann
an die Spannungspegel angepasst werden, die in diesem Bereich der
Eingangsspannungen auftreten, da sie größer sind, ohne dass die unerwünschten Totzeiten
in der Gate-Spannung der Schalter des Synchrongleichrichters 11-6 auftreten.
-
Der erste Spannungspegel repräsentiert
den minimalen Wert, den die Eingangsspannung annehmen kann, und
der dritte Spannungspegel repräsentiert
den maximalen Wert, den die Eingangsspannung annehmen kann.
-
Wenn der Eingangsspannungsbereich
sehr groß ist,
ist es möglich,
das oben erwähnte
Konzept zu wiederholen, indem parallel zu den oben erwähnten Bauelementen
so viele serielle Kombinationen von Kondensatoren und Schaltelementen
geschaltet werden, wie nötig
erscheinen. Auf diese Weise ist es möglich, den Eingangsspannungsbereich
in die Segmente zu unterteilen, die erforderlich sind, um sicherzustellen,
dass an keinem Punkt der Eingangsspannung Totzeiten in der Gate-Spannung
der Schalter des Synchrongleichrichters 11-6 erscheinen.
-
Der sich aus dieser Ausführung ergebende Hauptvorteil
ist, dass sie einfacher zu implementieren ist, da es nicht erforderlich
ist, den linearen Zustand des Schaltelementes 11-8-2 zu verändern, und es nur erforderlich
ist, das Schaltelement in der Sättigung
oder im Abschnürbereich
zu betreiben. Darüber
hinaus hat sie sich als zuverlässiger
erwiesen, da sie nicht den mit dem linearen Bereich der Schalter verbundenen
Toleranzen ausgesetzt ist und nicht die Verluste aufweist, die mit
dem linearen Zustand eines Schalters verbunden sind.
-
Der prinzipielle Nachteil ist jedoch,
dass die Entmagnetisierungs-Periode des Transformators sich nicht
exakt an die Nichtleitungs-Periode des Schaltelementes 11-4 anpasst.
Dies führt
zur Unterbrechung der Resonanz bevor die Spannung am Kondensator 11-8 Null
erreicht, wodurch sich die Verluste im Kondensator leicht erhöhen. Auch
erreicht der Transformator nicht den negativsten möglichen Punkt
der Sättigung,
so dass der maximal verfügbare Fluss
nicht eingesetzt wird.
-
Somit muss abhängig von der speziellen Anwendung
die am besten geeignete Ausführung
des Umformers mit Resonanzschaltung gewählt werden. In jedem Fall gibt
es viele andere Möglichkeiten,
einen variablen Kondensator herzustellen.