DE602004001877T2 - Leistungseinheit mit einem selbstoszillierenden reihenresonanzwandler - Google Patents

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungseinheit, die mit einem selbst-oszillierenden Serienresonanzwandler ausgestattet ist, um eine Last, z.B. eine Glühbirne, ein Batterieladegerät und/oder elektronisches Gerät zu versorgen, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert.
• Hintergrund der Erfindung
• Im schwedischen Patent SE 501 046 (Anmeldenummer 93001899) und dem entsprechenden US-Patent US 5,621,621 ist die Funktion eines selbst-oszillierenden Wandlers gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Die Hauptfunktion des Wandlers liegt darin, dass der Transformator T1 die selbst-oszillierende Frequenz bestimmt, indem er jede Halbperiode in den Sättigungszustand eintritt. Durch Vorsehen eines magnetischen Flusses vom Kern T3 wird T1 schneller in die Sättigung gelangen, wodurch die Wandlerfrequenz erhöht wird. Dies bewirkt wiederum, dass die gleichgerichtete Ausgangsspannung vom Wandler abnimmt, da die Wechselspannung über C4, die einen Serienresonanzschaltkreis zusammen mit der Induktanz L1 bildet, im gleichen Maße abnimmt, wie die Frequenz ansteigt. Ein Vorteil dieses Wandlertyps liegt darin, dass Hochfrequenzen, oberhalb von 150 kHz, es keinerlei Fehlfunktionen beim Antreiben der Transistoren Tr1 und TR2 geben wird, da der Transformator T1, der die Treiberpulse liefert, den Strom durch den Transistoren erfaßt. Der Strom durch TR1 und TR2 wird in T1 in einen Treiberstrom für die Transistoren umgewandelt. Der Wandler entsprechend dem schwedischen Patent SE 501 046 wird für seine Betriebszuverlässigkeit, seinen einfachen Aufbau und seinen störungsfreien Betrieb bei hohen Frequenzen geschätzt.
• In manchen Fällen kann es jedoch ein Problem sein, dass die Frequenz davon abhängt, wann T1 in Sättigung gelangt. Dies ist vor allem dann ein Thema, wenn man in der Lage sein möchte, die Frequenz sehr genau einzustellen. Die Eigenschaften von T1, wie der Sättigungspunkt, werden durch das Sintern seines Kerns bestimmt, und es ist leicht verständlich, dass es schwierig wird, enge Toleranzen bei einem solchen groben mechanischen Prozeß aufrechtzuerhalten.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Leistungseinheit mit einem selbst-oszillierenden Serienresonanzwandler zu schaffen, bei dem die Wandlerfrequenz sehr genau eingestellt werden kann und ein einfacher Grundaufbau beibehalten wird.
• Dieses Ziel wird mit einer Leistungseinheit mit einem Serienresonanzwandler über eine gesteuerte Unterbrechung erreicht, wie sie im Kennzeichen von Anspruch 1 definiert ist.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Transformator T1 nicht bei normaler Arbeitsfrequenz in Sättigung gelangt, sondern eine Steuereinheit, die mit der erforderlichen Genauigkeit konstruiert werden kann, stattdessen bestimmt, wann die Schalttransistoren TR1 und TR2 abgeschaltet werden sollten.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Herstellungsprozess für den Kern des Transformators T1 vereinfacht werden kann, da die Funktion des Wandlers nicht weiter von dessen Sättigungspunkt abhängt.
• Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung und deren bevorzugten Ausführungsformen werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt ein Schaltungslayout einer Leistungseinheit gemäß dem Stand der Technik, die entsprechend dem Serienresonanzprinzip arbeitet.
• 2 zeigt ein Schaltungslayout eines ersten Ausführungsbeispiels einer Leistungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt ein Pulsdiagramm zum Steuern der Frequenz,
• 4 zeigt ein Schaltungslayout eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Leistungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Bezugnehmend auf 1 wird zuerst der Betrieb der Leistungseinheit gemäß dem Stand der Technik beschrieben, um die Erläuterung der Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen.
• Wenn die Versorgungsspannung, die sich in diesem Fall auf eine 230 Volt Wechselspannung beläuft, mit der Leistungseinheit verbunden ist, wird eine Gleichrichtung der Spannung unter Verwendung von vier in eine Brücke geschalteten Gleichrichterdioden D1–D4 erzielt. Nach dieser Diodenbrücke wird ein Filtern der gleichgerichteten Vollwel lenversorgungsspannung mit einem ersten Kondensator C1 erzielt. Die Gleichstromspannung über diesem Kondensator C1 wird sich auf etwa 320 Volt belaufen. Durch einen Widerstand R1 fließt nun ein Strom, der den Kondensator C2 lädt. Wenn die Spannung über dem letzteren Kondensator C2 über eine Schwellspannung für eine Triggerdiode D5 angestiegen ist, wird die letztere eingeschaltet und leitet den Strom an die Basis eines ersten Transistors TR1. Der Zweck der gezeigten Diode D6 liegt darin, ein Triggern der Triggerdiode D5 zu verhindern, wenn die Schaltung sich im selbst-oszillierenden Zustand befindet.
• Der Transistor TR1 wird nunmehr leitend und die Spannung über dem Transistor TR1 ist ungefähr 320 Volt, bevor dieser einschaltet. Wenn der Transistor TR1 einschaltet, fließt ein Strom durch den Transformator T1, die Spule L1 und den Kondensator C4. Der Strom durch die Primärwicklung P des Transformators T1 führt zu einem Magnetfluss im Kern K des Transformators T1. Dieser Fluss wiederum induziert eine Spannung in einer Sekundärwindung S1 des Transformators T1, die dazu führt, dass der erste Transistor TR1 leitend wird. Der Strom durch den Transformator T1 steigt solange an, solange der erste Transistor eingeschaltet ist.
• Nach einer bestimmten Zeit gelangt der Kern K im Transformator T1 in Sättigung, was dazu führt, dass der erste Transistor TR1 aufhört zu leiten. Die Spannung im gemeinsamen Kontaktpunkt A für den ersten Transistor TR1 und einen zweiten Transistor TR2 wird nunmehr aufgrund der entgegengesetzten e.m.f. (elektromotorische Kraft) der Spule L1 von einem niedrigen Potential auf ein hohes Potential gebracht. Der Strom durch den Transformator T1 ändert danach die Richtung, was dazu führt, dass der zuvor beschriebene Prozess wiederholt wird. Dies führt wiederum dazu, dass die Transistoren TR1, TR2 abwechselnd leiten. Wenn die enthaltenen Komponenten korrekt dimensioniert sind, wird die Schaltfrequenz für die vorliegende Schaltung normalerweise höher als die Resonanzfrequenz für die Spule L1 und den Kondensator C4 sein. Die Spannung über der Kapazität C4 wird dadurch bestimmt, wie nah die Resonanzfrequenz für die Spule L1 und den Kondensator C4 an der Schaltfrequenz liegt. Die Dioden D9-D10 sind anti-parallel geschaltete Dioden zu den Transistoren TR1 und TR2.
• Ein Transformator T2 ist über den Kondensator C4 geschaltet, wobei der Transformator die Kondensatorspannung auf einen geeigneten Pegel transformiert. Die Spannung wird von den Dioden D7, D8 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird danach mit der Spule L2 und der Kapazität C5 gefiltert.
• Falls die Ausgangsspannung so ansteigt, dass die Zener-Diode Z1 in der Wicklungsschaltung des Elektromagneten T3 beginnt zu leiten, fließt ein Strom durch diesen und durch die gezeigte Wicklung W1 des Elektromagneten T3. Der Strom durch die Wicklung W1 führt zu einem magnetischen Fluss, der die Sättigung des Kerns K des Transformators T1 beschleunigt, was wiederum dazu führt, dass die Oszillationsfrequenz ansteigt und sich weiter von der Resonanzfrequenz für die Spule L1 und den Kondensator C4 entfernt. Dies führt dazu, dass die Spannung über dem Kondensator C4 niedriger wird, und entsprechend die Ausgangsspannung von der Leistungseinheit auch niedriger wird. Somit erhält man eine Leistungseinheit mit einer gesteuerten Ausgangsspannung.
• Die Leistungseinheit entsprechend 1 ist daher eine ziemlich komplexe Konstruktion, bei der die Oszillationsfrequenz davon abhängt, wie schnell der Kern K des Transformators T1 in Sättigung gerät.
• 2 beschreibt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungseinheit mit einem selbst-oszillierenden Serien resonanzwandler mit einem gesteuerten Abschalten gemäß der Erfindung.
• Die Erfindung basiert auf der in 1 beschriebenen Leistungseinheit, mit dem Unterschied, dass der Transformator T1 nicht bei normaler Betriebsfrequenz in Sättigung gelangt. Da T1 nicht in Sättigung geht, gibt es keinen Elektromagneten T3, der die Sättigung des Kerns K des Transformators T1 beschleunigt. Stattdessen gibt es einen Steueroszillator OSC, der über den Ausgang geschaltet ist und sicherstellt, dass die Treiberwicklungen S1 bzw. S2 kurzgeschlossen werden, indem Pulse abwechselnd an die Transistoren TR5 und TR6 gesendet werden. Das hat den gleichen Effekt, als ob der Kern K bei der vorliegenden Frequenz in Sättigung geht. Der Unterschied liegt nunmehr darin, dass ein Steueroszillator OSC bestimmt, wann die Schalttransistoren TR1 und TR2 abschalten sollen. Es ist nunmehr möglich, den Wandler sehr viel exakter zu steuern, da der Steueroszillator OSC leicht mit der gewünschten Genauigkeit konstruiert werden kann.
• Der Betrieb des Wandlers ist wie folgt.
• Wenn die Versorgungsspannung angeschlossen ist, wird sie von den Dioden D1–D4 gleichgerichtet, und die gleichgerichtete Versorgungsspannung wird von der Kapazität C1 geglättet. Wenn die Versorgungsspannung gleichgerichtet ist, ist die Spannung über dem Kondensator C1 ungefähr 320 Volt, bei einer Versorgungsspannung von 230 Volt. Diese Spannung führt dazu, dass der Widerstand R1 den Kondensator C2 lädt. Wenn die Spannung über C2 ungefähr 35 Volt ist, wird die Trigger-Diode D5 eingeschaltet und entlädt Energie vom Kondensator C2 durch die Wicklung S1 des Transformators T1. Der Strom, der durch die Wicklung S1 fließt, führt dazu, dass das Gate des Transistors TR1 einen positiven Puls bekommt. Ein positiver Puls am Gate des Transistors TR1 führt dazu, dass der Spannungsabfall über demselben niedrig wird und dass der Strom nun be ginnt, durch den Transistor zu fließen. Der Strom, der durch TR1 fließt, ist der gleiche Strom, der durch den Transformator TR1, die Spule L1 und die Kapazitäten C4 fließt. Der Strom durch den Transformator T1 wird über der Wicklung S1 transformiert, was dazu führt, dass das Gate am Transistor TR1 auf einen positiven Pegel geht. Dieser Prozeß ist selbsterregend, da der Strom durch den Transistor TR1 dazu führt, dass sein Gate positiv wird. Der Transistor TR1 wird eingeschaltet, während der Strom durch ihn mit der Zeit steigt.
• Wenn eine bestimmte Zeit vergangen ist, wird der Steueroszillator OSC einen Puls an die Ausgänge B1 und B2 aussenden. Der Steuerpuls führt dazu, dass der Transistor TR6 beginnt zu leiten und dabei das Gate des Transistors TR1 kurzschließt. Da die oszillierende Schaltung, die aus dem Transformator T1 und der Spule L1 besteht, weiterhin Energie hat, wird der gemeinsame Kontaktpunkt des Transistors TR1 und des Transistors TR2 vom Potential her gesehen vom negativen Potential zum positiven Potential laufen, was dazu führt, dass die Spannung über dem Transistor TR2 niedrig wird.
• Nach einer Weile ändert der Strom durch den Transformator TR1 und die Spule L1 die Richtung, was dazu führt, dass die Wicklung S2 das Gate am TR2 positiv macht. Nach einer bestimmten Zeit sendet der Steueroszillator OSC einen Puls an die Ausgänge A1 und A2. Dies führt dazu, dass der Transistor TR2 nunmehr aufhört Strom zu leiten. Dieser Vorgang wird dann wiederholt und der Transistor TR1 beginnt zu leiten. Das Vorliegen des Potentials am gemeinsamen Kontaktpunkt P ist in 3 zusammen mit den Steuerpulsen A1, A2, B1 und B2 gezeigt, wobei die Steuerpulse A1 bzw. B1 bzgl. des Potentials A2 bzw. B2 gezeigt sind.
• Durch Ändern der Pulsfrequenz vom Steueroszillator OSC wird eine Bewegung in Richtung der oder weiter weg von der Resonanzfrequenz für die Spule L1 und den Kondensator C4 erzeugt. Eine Frequenzänderung führt dann dazu, dass sich die Spannung über C4 ändert. Der Transformator T2, der über den Kondensator C4 geschaltet ist, empfängt eine geänderte Wechselspannung. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung ändert sich auf gleiche Weise. Der Steueroszillator OSC erfasst die Ausgangsspannung und ändert die Pulsfrequenz so, dass die Ausgangsspannung einen gewünschten Wert erhält.
• Dementsprechend erreicht die Erfindung den gleichen robusten Betrieb wie der Wandler aus dem Stand der Technik, jedoch mit den Möglichkeiten einer genaueren Steuerung.
• Die in 2 gezeigte Anordnung betrifft eine sog. Halbbrücke, bei der die Entladekondensatoren C6, C7 parallel zum entsprechenden Transistor TR1, TR2 geschaltet sind. Die Kondensatoren C6, C7 können selbstverständlich durch die Transistoren TR3 und TR4 ersetzt werden, wodurch eine sog. Vollbrücke gemäß 4 erhalten wird.
• Selbstverständlich können beliebige Transistortypen zum Implementieren der vorliegende Erfindung verwendet werden, z.B. MOSFET, bipolare Transistoren etc..

Claims (4)

1. Leistungseinheit mit einem selbst-oszillierenden Serienresonanzwandler zum Speisen einer Last, wobei der Serienresonanzwandler folgendes umfasst: – zwei miteinander gekoppelte Transistoren (TR1, TR2), die so eingerichtet sind, dass sie einzeln von einem Steuertransformator (TR1) beeinflusst werden, – eine Serienschaltung aus einer Spule (L1) und einem Kondensator (C4), wobei jeder Transistor (TR1, TR2) zusammen mit dem seriengeschalteten Entladekondensator (C6, C7) oder dazugehörigen zusätzlichen Transistor (TR3, TR4) parallel zu der Spule (L1), dem Kondensator (C4) und dem Steuertransformator (T1) geschaltet ist, und wobei die Last über dem Kondensator (C4) geschaltet ist, und dass der Wandler ferner ein Mittel zum Ändern der Oszillationsfrequenz des Transistors (TR1, TR2) und damit der Ausgangsspannung der Leistungseinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Ändern der Oszillationsfrequenz der Transistoren einen Steueroszillator (OSC) umfasst, das abwechselnd Pulse (A1, A2; B1, B2) sendet, die den stromleitenden Transistor (TR1, TR2) ausschaltet, und dadurch die Oszillationsfrequenz der Transistoren durch die Pulsfrequenz des Steueroszillators (OSC) gesteuert wird.
2. Leistungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Pulse (A1, A2; B1, B2) vom Steueroszillator (OSC) die Transistoren (TR5, TR6) beeinflussen, die so eingerichtet sind, dass sie wiederum den stromleitenden Transistor (TR1, TR2) ausschalten.
3. Leistungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Oszillationsfrequenz des Steueroszillators (OSC) mittels der Ausgangsspannung der Leistungseinheit steuerbar ist.
4. Leistungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die enthaltenen Transistoren bipolare Transistoren und/oder MOSFETs sind.