DE60102179T2 - Resonanzschaltnetzteil - Google Patents

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Description

  • 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.

Claims (8)

  1. Umformer mit Resonanzschaltung, der einen Transformator enthält, welcher eine erste Wicklung (11-3) und eine zweite Wicklung (11-5) enthält; eine serielle Kombination der ersten Wicklung (11-3) und eines ersten Schaltelementes (11-4), wobei die zweite Wicklung (11-5) in Reihenschaltung mit einem Gleichrichter-Mittel (11-6) und einem Filter-Mittel (11-7) verbunden ist, an ihrem Ausgang eine Gleichspannung erhalten wird; und ein erster Kondensator (11-8) parallel zur zweiten Wicklung (11-5) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformer mit Resonanzschaltung mindestens ein Mittel enthält, um die Kapazität des ersten Kondensators (11-8) als Funktion des Tastverhältnisses des ersten Schaltelementes (11-4) zu ändern.
  2. Umformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung der Kapazität des ersten Kondensators (11-8) parallel zum ersten Kondensator (11-8) geschaltet sind.
  3. Umformer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung der Kapazität des ersten Kondensators (11-8) eine serielle Kombination eines zweiten Kondensators (11-8-1) und eines zweiten Schaltelementes (11-8-2) enthalten.
  4. Umformer gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer einer Resonanzperiode des ersten Kondensators (11-8) variabel ist und endet, wenn eine Leitungs-Periode (EIN) des ersten Schaltelementes (11-4) beginnt.
  5. Umformer gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des ersten Kondensators (11-8) sich zwischen einem vorher festgelegten ersten Wert der Kapazität und einem vorher festgelegten zweiten Wert der Kapazität ändert.
  6. Umformer gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement (11-8-2) ein Feldeffekt-Transistor, MOSFET, ist und während einer Leitungs-Periode im linearen Bereich seiner Kennlinie arbeitet.
  7. Umformer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement (11-8-2) während seiner Leitungs-Periode im Sättigungs- oder Abschnürbereich seiner Kennlinie arbeitet.
  8. Umformer gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Resonanz-Periode ein Strom durch den Transformator fließt.
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