DE69634323T2 - Schaltnetzteil - Google Patents

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Description

  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltnetzteilvorrichtung zur Versorgung industrieller elektronischer Geräte und elektronische Geräte für Verbraucher mit stabilisierter Gleichspannung.
  • 2. STAND DER TECHNIK
  • In jüngster Zeit wurde ernsthaft nach einer Schaltnetzteilvorrichtung gesucht, die hohe Stabilität und hohen Wirkungsgrad aufweist, um dem Bedarf an Kostenreduktion, Miniaturisierung, Verbesserung des Leistungsvermögens und Energieeinsparung von elektronischen Geräten zu entsprechen.
  • Eine Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einem ersten Stand der Technik wird nunmehr erläutert. 13 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung 1A vom Halbbrückenwandlertyp im ersten Stand der Technik. Wie in 13 gezeigt, ist eine Spannung einer Gleichstromquelle 1 mit VIN bezeichnet. Die Gleichstromquelle 1 ist mit Eingangsanschlüssen 2A und 2B der Schaltnetzteilvorrichtung 1A verbunden. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus einem ersten Schaltelement 3 und einem zweiten Schaltelement 5 ist über die Eingangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht. Die ersten und zweiten Schaltelement 3 und 5 wiederholen abwechselnd Einschaltung und Ausschalten.
  • Ein in Reihe geschaltetes Paar aus einem ersten Kondensator 7 und einem zweiten Kondensator 8 ist über die Eingangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht. Ein Potential an der Verbindungsstelle 7A zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 ist mit VC bezeichnet. Ein Transformator 9 umfasst eine Primärwicklung 9A, eine erste Sekundärwicklung 9B und eine zweite Sekundärwicklung 9C. Das Wicklungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 9A, der ersten Sekundärwicklung 9B und der zweiten Sekundärwicklung 9C ist mit n:1:1 (n ist eine reale Zahl) gewählt. Ein Ende der Primärwicklung 9A ist mit der Verbindungsstelle 5A zwischen den ersten und zweiten Schaltelementen 3 und 5 verbunden, und das andere Ende ist mit der Verbindungsstelle 7A der ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 verbunden. Eine erste Gleichrichtungsdiode 14 und eine zweite Gleichrichtungsdiode 15 sind mit der ersten Sekundärwicklung 9B und der zweiten Sekundärwicklung 9C mit jeweiligen Anoden verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 sind miteinander verbunden.
  • Ein in Reihe geschaltetes Paar aus einem Induktorelement 16 und einem Glättungskondensator 17 ist mit den Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 am Ende des Induktorelements 16, und mit der Verbindungsstelle 9E zwischen den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C des Transformators 9 am Ende des Glättungskondensators 17 verbunden. Die durch die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 gleichgerichtete Spannung wird durch das Induktorelement 16 und den Kondensator 17 geglättet. Die Kapazität des Glättungskondensators 17 ist ausreichend groß und eine Gleichspannung VOUT wird an die Ausgangsanschlüsse 18A und 18B ausgegeben. Eine Last 19 ist mit den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B verbunden und verbraucht elektrischen Strom. Die Ausgangsanschlüsse 18A und 18B sind mit Eingangsanschlüssen einer Steuerschaltung 20 verbunden, und die Ausgangsgleichspannung VOUT wird durch die Steuerschaltung 20 ge steuert. Die Steuerschaltung 20 steuert die ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 mit einem vorbestimmten EIN-/AUS-Verhältnis, um die Ausgangsgleichspannung VOUT zu stabilisieren.
  • Die Arbeitsweise der wie vorstehend angesprochen aufgebauten Schaltnetzteilvorrichtung wird nunmehr unter Bezug auf Wellenformdiagramme in 14 erläutert. Wie in 14 gezeigt, handelt es sich bei Treiberimpulssignalen vG1 und vG2 um Steuersignale der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5. Eine Spannung vD wird an das erste Schaltelement 3 angelegt. Ströme iD1 und iD2 durchsetzen die ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 zum Zeitpunkt T1 EIN-schaltet, wird die Spannung VC an die Primärwicklung 9A des Transformators 9 angelegt und eine Spannung VC/n (n ist das Wicklungsverhältnis der Primärwicklung 9A zur ersten Sekundärwicklung 9B) wird in der ersten Sekundärwicklung 9B induziert. Dadurch schaltet die erste Gleichrichtungsdiode 14 EIN und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 schaltet AUS und eine Spannung [VC/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt. Der das erste Schaltelement 3 durchsetzende Strom iD1 ist die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 9 und einer gewandelten Stromkomponente, bei der es sich um die Komponente handelt, demnach ein Erregungsstrom des Induktorelements 16 in den Strom der Primärwicklung 9A gewandelt wird.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 zum Zeitpunkt T2 AUS-schaltet, wird der Sekundärstrom des Transformators 9 in einen die erste Sekundärwicklung 9B durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 9C durchsetzenden Strom unterteilt, um eine Erregungsenergie des Transformators 9 fortdauern zu lassen. Folglich sind die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 EIN-geschaltet und induzierte Spannung in den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C fallen auf null. Daraufhin wird die Spannung VOUT an das Induktorelement 16 angelegt.
  • Wenn das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T3 EIN-schaltet, wird eine Spannung [VIN – VC] an die Primärwicklung 9A des Transformators 9 angelegt, und eine Spannung [(VIN – VC)/n)] wird in die zweite Sekundärwicklung 9C des Transformators 9 induziert. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 schaltet dadurch AUS und die zweite Gleichrichtungsdioden 15 schaltet EIN, und eine Spannung [(VIN – VC)/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt. Der das zweite Schaltelement 5 durchsetzende Strom iD2 bildet die Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 9 und dem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um diejenige Komponente handelt, demnach der Erregungsstrom des Induktorelements 16 in den Komponentenstrom der Primärwicklung 9A gewandelt ist.
  • Wenn das zweite Schaltelement 5 zum Zeitpunkt T4 EIN-schaltet, wird der Sekundärstrom des Transformators 9 in einen die erste Sekundärwicklung 9B durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 9C durchsetzenden Strom unterteilt, um die Erregungsenergie des Transformators 9 fortdauern zu lassen. Die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 werden dadurch EIN-geschaltet und induzierten Spannungen der ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C fallen auf null. Die Spannung VOUT wird daraufhin an das Induktorelement 16 in einer Richtung entgegengesetzt zum Fall des EIN-Zustands des zweiten Schaltelements 5 angelegt.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T5 EIN-schaltet, wird die Spannung VC an die Primärwicklung 9A des Transformators 9 angelegt. Daraufhin wird der vorstehend erläuterte Betriebsablauf wiederholt.
  • Bei der vorstehend erläuterten Arbeitsweise wird eine EIN-Schaltperiode P (T1 bis T2) des ersten Schaltelements 3 gleich einer EIN-Schaltperiode (T3 bis T4) des zweiten Schaltelements 5 gewählt, und eine EIN-Schaltperiode ist mit PON bezeichnet. In ähnlicher Weise wird die AUS-Schaltperiode (T2 bis T3) gleich einer AUS-Schaltperiode (T4 bis T5) gewählt, und die AUS-Schaltperiode ist als POFF bezeichnet. Ein Verhältnis PON/POFF ist als "EIN-/AUS-Schaltverhältnis" bezeichnet. Wenn die EIN-Schaltperiode und die AUS-Schaltperiode so wie vorstehend gewählt sind, kehrt der Zustand des Magnetflusses des Transformators 9 nach jeweils einem Zyklus (T1 bis T5) unter stabilen Betriebsbedingungen in einen anfänglichen Zustand zurück und wird rückgesetzt, wobei das Rücksetzen des Zustands als "Rücksetzbedingung" bezeichnet ist. Aus der Rücksetzbedingung wird die Gleichung (1) gewonnen. (VIN – VC) × PON = VC × PON (1)
  • Aus der Gleichung (1) ergibt sich VC wie folgt: VC = VIN/2
  • Aus der Rücksetzbedingung, von der der Zustand des Magnetflusses des Induktorelements 16 in einen anfänglichen Zustand rückkehrt, wird die Gleichung (2) gewonnen. (VIN/2 – VOUT) × PON = VOUT × POFF (2)
  • Aus der Gleichung (2) ergibt sich VOUT wie folgt: VOUT = δ × VIN/2,wobei (δ = PON/(PON + POFF).
  • Die Ausgangsspannung VOUT kann durch Einstellen der EIN-/AUS-Schaltverhältnisse der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 stabilisiert werden.
  • Die in 13 gezeigte Schaltungskonfiguration besitzt die Merkmale, demnach eine die Eingangsspannung VIN übersteigende Spannung nicht an die ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 angelegt wird und der Transformator 9 nicht durch einen Gleichstrom erregt wird.
  • Eine Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einem zweiten Stand der Technik wird nunmehr erläutert. 15 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung 31A vom Push-Pull-Wandlertyp gemäß dem zweiten Stand der Technik. Wie in 15 gezeigt, ist die Spannung der Gleichstromquelle 1 mit VIN bezeichnet. Die Gleichstromquelle 1 ist mit Eingangsanschlüssen 2A und 2B der Schaltnetzteilvorrichtung 31A verbunden. Der Transformator 27 umfasst eine erste Primärwicklung 27A, eine zweite Primärwicklung 27B, eine erste Sekundärwicklung 27C und eine zweite Sekundärwicklung 27D. Das Wicklungsverhältnis zwischen der ersten Primärwicklung 27A, der zweiten Primärwiclung 27B, der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D ist mit n:n:1:1 gewählt. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der ersten Primärwicklung 27A und dem ersten Schaltelement 3 ist über die Ausgangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der zweiten Primärwicklung 27B und dem zweiten Schaltelement 5 ist über die Ausgangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht.
  • Die Anoden der ersten Gleichrichtungsdiode 14 und der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 sind mit der ersten Sekundärwicklung 27C bzw. der zweiten Sekundärwicklung 27D verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 sind miteinander verbunden. Das Induktorelement 16 ist mit dem Gleichrichtungskondensator 17 in Reihe geschaltet und das Ende des Induktorelements 16 ist mit der Kathode der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 verbunden. Das Ende des Gleichrichtungskondensators 17 ist mit der Verbindungsstelle 27E zwischen der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 verbunden. Eine durch die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 gleichgerichtete Spannung wird durch das Induktorelement 16 und den Gleichrichtungskondensator 17 geglättet und an den Ausgangsanschlüsse 18A und 18B ausgegeben. Der Glättungskondensator 17 besitzt ausreichend große Kapazität und eine Gleichspannung VOUT wird an den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B ausgegeben. Die Last 19 ist mit den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B verbunden und verbraucht elektrischen Strom.
  • Die Gleichspannung VOUT wird durch eine Steuerschaltung 29 ermittelt. Die Steuerschaltung 29 steuert das erste Schaltelement 3 und das zweite Schaltelement 5 mit einem vorbestimmten EIN-/AUS-Schaltverhältnis, um die Gleichspannung VOUT zu stabilisieren.
  • Die Arbeitsweise der wie vorstehend aufgebauten Schaltnetzteilvorrichtung wird nunmehr unter Bezug auf Wellenformdia gramme in 16 erläutert. In 16 handelt es sich bei den Treiberimpulssignalen vG1 und vG2 um Steuersignale des ersten Schaltelements 3 und des zweiten Schaltelements 5. Eine Spannung vD1 wird an das erste Schaltelement 3 angelegt. Eine Spannung vD2 wird an das zweite Schaltelement 5 angelegt. Ströme i1 und i2 durchsetzen das erste Schaltelement 3 und das zweite Schaltelement 5.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T1 EIN-schaltet, wird die Eingangsspannung VIN an die erste Primärwicklung 27A des Transformators 27 angelegt, und eine Spannung VIN/n wird in der ersten Sekundärwicklung 27C induziert. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 schaltet damit EIN und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 schaltet AUS. Eine Spannung [VIN/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt. Bei dem Strom i1 handelt es sich um die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 27 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei der es sich um eine Komponente derart handelt, dass ein Erregungsstrom des Induktorelements 14 in den Strom gewandelt wird, der die erste Primärwicklung 21A und das erste Schaltelement 2 durchsetzt.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T2 AUS-schaltet, wird der Sekundärstrom des Transformators 27 in einen die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 27D durchsetzenden Strom unterteilt, um die Erregungsenergie des Transformators 27 aufrecht zu erhalten. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 schalten hierdurch EIN, und die induzierten Spannungen der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D fallen auf null. Die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 in entgegenge setzter Richtung zur Richtung für den Fall des EIN-Schaltzustands des ersten Schaltelements 3 angelegt.
  • Wenn das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T3 EIN-schaltet, wird die Spannung VIN an die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27 angelegt, und die Spannung VIN/n wird in die zweite Sekundärwicklung 27D induziert. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 schaltet hierdurch EIN und die zweite Gleichrichtungsdioden 15 schaltet AUS, und die Spannung [VIN – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt. Beim Strom i2 handelt es sich um die Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 27 und dem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um diejenige Komponente handelt, demnach der Erregungsstrom des Induktorelements 16 in den Strom der zweiten Primärwicklung 27B gewandelt wird, und er durchsetzt das zweite Schaltelement 5.
  • Wenn das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T4 AUS-schaltet, wird der Sekundärstrom in den die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzenden Strom und den die zweite Sekundärwicklung 27D durchsetzenden Strom unterteilt, um die Erregungsenergie des Transformators 27 beizubehalten. Folglich werden die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 EIN-geschaltet und die induzierten Spannungen der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D fallen auf null. Die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 in der Richtung entgegengesetzt zur Richtung für den Fall des EIN-Zustands des zweiten Schaltelements 5 angelegt. Eine EIN-Schaltperiode P (T1 bis T2) des ersten Schaltelements 3 wird gleich einer EIN-Schaltperiode (T3 bis T4) des zweiten Schaltelements 5 gewählt und ist mit PON bezeichnet. In ähnlicher Weise wird eine AUS-Schaltperiode (T2 bis T3) gleich einer AUS-Schaltperiode (T4 bis T5) gewählt und sie ist mit POFF bezeichnet. Wenn die EIN-Schaltperiode und die AUS-Schaltperiode wie vorstehend gewählt werden, wird die Gleichung (3) aus der Rücksetzbedingung des Induktorelements 14 gewonnen. (VIN – VOUT) × PON = VOUT × POFF (3)
  • Aus der Gleichung (3) ergibt sich VOUT wie folgt VOUT = δ × VIN,wobei δ = PON/(PON + POFF).
  • Die Ausgangsspannung VOUT wird stabilisiert durch Einstellen des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses PON/POFF des ersten Schaltelements 3 zum zweiten Schaltelement 5.
  • In der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß dem vorstehend genannten ersten und zweiten Stand der Technik werden kann, wenn das erste Schaltelement 3 oder das zweite Schaltelement 5 EIN-schaltet, elektrische Ladungen, die in parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 und der verteilten Kapazität des Transformators 9 gespeichert sind, wie in 13 und 15 punktiert gezeigt, entladen, weil das erste Schaltelement 3 oder das zweite Schaltelement 5 die parasitären Kapazitäten kurzschließt. Dadurch wird ein Stoßstrom SI erzeugt, wie in 14 und 16 gezeigt, Geräusch wird erzeugt und elektrische Leistung wird als Verlust abgegeben. Wenn die ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 AUS-schalten, wird eine Stoßspannung Sv durch die Leckageinduktanz des Transformators 9 bzw. die parasitäre Induktanz von Leitungsdrähten erzeugt.
  • Da die Stoßspannung SI im EIN-Schaltbetrieb der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 erzeugt wird, nimmt die Anzahl an Erzeugungsvorgängen für den Stoßstrom SI proportional zur Schaltfrequenz der Steuerschaltung 20 oder 29 zu. Durch Erhöhung der Schaltfrequenz werden deshalb des Geräusch und die Energieverschwendung vergrößert.
  • Aus dem vorstehend genannten Grund ist eine Erhöhung der Schaltfrequenz in einer herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung schwierig. Die Schaltfrequenz wird bevorzugt so hoch wie möglich in der Schaltnetzteilvorrichtung erhöht. Eine Kapazität des Transformators 9 sowie Kapazitäten der Kondensatoren 7 und 8 können durch Erhöhung der Schaltfrequenz verringert werden und die Schaltnetzteilvorrichtung kann miniaturisiert werden.
  • Aus der US-A-4737974 ist eine Schaltnetzteilvorrichtung bekannt, bei der, wenn die Schalteinrichtungen 2 bis 5 eines Inverterabschnitts INV1 sich in den AUS-Schaltzuständen befinden, eine Primärwicklung oder eine Sekundärwicklung des Transformators kurzgeschlossen sind. Dadurch wird eine elektrische Ladung einer parasitären Kapazität des Transformators kurzgeschlossen. Im Einzelnen und wie im Anspruch 1 der Druckschrift D1 in einem Vollbrückeninverter gezeigt, schaltet dann, wenn eine Schalteinrichtung des Inverterabschnitts AUS-schaltet, eine bidirektionelle Schalteinrichtung EIN unmittelbar nach dem AUS-schalten des Inverterabschnitts, und die Primärwicklung des Transformators wird kurzgeschlossen. Die in 8 der Druckschrift D1 gezeigte Schaltungskonfiguration bildet ein Beispiel eines Push-Pull-Inverters, und ein Schaltelement 37 schaltet EIN während der AUS-Schaltperiode von beiden Schaltelementen 31 und 32 und eine in der parasitären Kapazität der Primärwicklung des Transformators gespei cherte elektrische Ladung wird entladen. Dadurch wird das Auftreten von Schwingungsbildung unterdrückt.
  • AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltnetzteilvorrichtung zu schaffen, deren elektrischer Energieverlust verringert ist, indem die Erzeugung eines Stoßstroms und einer Stoßspannung unterbunden werden, und ihren Wirkungsgrad verbessert und deren Geräusch verringert ist.
  • Durch EIN-schalten der bidirektionellen Schalteinrichtung kann in dem Transformator gespeicherte Energie für eine Periode ausgehend vom AUS-schalten des ersten Schaltelements bis unmittelbar vor dem EIN-schalten des zweiten Schaltelements gehalten werden und von einer Periode vom AUS-schalten der zweiten Schalteinrichtung bis zum EIN-schalten der ersten Schalteinrichtung. Eine in einer parasitären Kapazität, die äquivalent parallel zu der Schalteinrichtung geschaltet ist, gespeicherte elektrische Ladung wird außerdem unmittelbar vor dem EIN-schalten der Schalteinrichtung entladen, und daraufhin schaltet das Schaltelement EIN. Der Stoßstrom wird deshalb nicht erzeugt.
  • Die durch Einfluss von Leckageinduktanz des Transformators beim AUS-schalten der ersten und zweiten Schalteinrichtungen induzierte Stoßspannung wird nicht erzeugt durch eine Klemmwirkung der bidirektionellen Schalteinrichtung, die die Primärwicklung des Transformators kurzschließt.
  • In der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden außerdem Stoßspannungen beim EIN-schalten und AUS-schalten der bidirektionellen Schalteinrichtungen nicht erzeugt. Eine Schaltnetzteilvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz ist dadurch realisierbar.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung, die lediglich einen Kondensator 7 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung, die lediglich einen Kondensator 8 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 4 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung, die lediglich einen Kondensator 7 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung, die lediglich einen Kondensator 8 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 8 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
  • 9 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 10 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise in der dritten Ausführungsform;
  • 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise in der vierten Ausführungsform;
  • 13 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung im ersten Stand der Technik;
  • 14 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise der Schaltnetzteilvorrichtung im ersten Stand der Technik;
  • 15 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung im zweiten Stand der Technik;
  • 16 zeigt ein Wellenformdiagramm der Arbeitsweise im zweiten Stand der Technik.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf 1 bis 12 erläutert.
  • [Erste Ausführungsform]
  • Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf 1 bis 4 erläutert. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Spannung einer Gleichstromquelle 1 ist mit VIN bezeichnet. Eingangsanschlüsse 2A und 2B der Schaltnetzteilvorrichtung 1B sind mit der Gleichstromquelle 1 verbunden. Eine erste Schalteinheit 34 umfasst ein parallel geschaltetes Paar aus einem ersten Schaltelement 3 und einer ersten Diode 4. Eine zweite Schalteinheit 56 umfasst ein parallel geschaltetes Paar aus einem zweiten Schaltelement 5 und einer zweiten Diode 6. Die erste Schalteinheit 34 ist mit der zweiten Schalteinheit 56 in Reihe geschaltet. Das in Reihe geschaltete Paar aus der ersten Schalteinheit 34 und der zweiten Schalteinheit 56 ist über die Eingangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht.
  • Ein erster Kondensator 7 ist mit einem zweiten Kondensator 8 in Reihe geschaltet. Das in Reihe geschaltete Paar aus den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 ist über die Eingangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht. Die Spannung an der Verbindungsstelle 7A zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 ist mit VC bezeichnet. Ein Transformator 9 umfasst eine Primärwicklung 9A, eine erste Sekundärwicklung 9B und eine zweite Sekundärwicklung 9C. Das Wicklungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 9A, der ersten Sekundärwicklung 9B und der zweiten Sekundärwicklung 9C ist mit n:1:1 (n ist eine reale Zahl) gewählt. Die Primärwicklung 9A ist mit der Verbindungsstelle 7A zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 an einem Ende verbunden, und mit der Verbindungsstelle 5A zwischen den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 am anderen Ende verbunden.
  • Die Anode einer ersten Gleichrichtungsdiode 14 ist mit einem Ende der ersten Sekundärwicklung 9B des Transformators 9 verbunden. Die Anode einer zweiten Gleichrichtungsdiode 15 ist mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 9C des Transformators 9 verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 sind miteinander verbunden. Ein Induktorelement 16 ist mit den Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 an einem Ende verbunden. Das andere Ende des Induktorelements 16 ist mit einem Ende eines Glättungskondensators 17 verbunden. Ein weiteres Ende des Glättungskondensators 17 ist mit der Verbindungsstelle 9E zwischen den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C verbunden. In die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C induzierte Spannungen werden durch die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 gleichgerichtet und durch das Induktorelement 16 und den Glättungskondensator geglättet, und eine Ausgangspannung VOUT wird einer Last 19 über Ausgangsanschlüsse 18A und 18B zugeführt. Die vorstehend angesprochene Konfiguration ist im Wesentlichen ähnlich derjenigen des Halbbrückenwandlers im ersten Stand der Technik.
  • Eine bidirektionelle Schalteinheit 25 umfasst ein parallel geschaltetes Paar aus einem dritten Schaltelement 10 und einer dritten Diode 11, und ein parallel geschaltetes Paar aus einem vierten Schaltelement 12 und einer vierten Diode 13. Das parallel geschaltete Paar aus dem dritten Schaltelement 10 und der dritten Diode 11 ist mit dem parallel geschalteten Paar aus dem vierten Schaltelement 12 und der vierten Diode 13 derart verbunden, dass die Anode der dritten Diode 11 mit der Anode der vierten Diode 13 verbunden ist. Die bidirektionelle Schalteinheit 25 vermag Strom in einer ersten Richtung durch die vierte Diode 13 durch EIN-schalten des dritten Schaltelements 10 zu leiten. Die bidirektionelle Schalteinheit 25 vermag hingegen den Strom in der zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung durch die dritte Diode 11 durch EIN-schalten des vierten Schaltelements 12 zu leiten. Ferner ist die bidirektionelle Schalteinheit 25 in der Lage, den Strom in beide Richtungen zu leiten durch EIN-schalten von sowohl dem dritten Schaltelement 10 wie dem vierten Schaltelement 12. Die bidirektionelle Schalteinheit 25 ist zu der Primärwicklung 9A des Transformators 9 parallel geschaltet.
  • Eine Steuerschaltung 40 ermittelt die Ausgangsspannung VOUT an den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B. Die Steuerschaltung 40 erzeugt Steuersignale, die die ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 und die dritten und vierten Schaltelemente 10 und 12 steuern durch Ändern des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses derart, dass die Ausgangsspannung VOUT konstant wird. Die Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 sind bevorzugt durch Halbleiterelemente konfiguriert. Beispielsweise wird ein bipolarer Transistor oder ein FET als Halbleiterelement verwendet. Im Fall des FET entfällt die Diode 4, 6, 11 oder 13, weil der FET eine parallel zu ihm im selben Paket geschaltete eingebaute Diode aufweist.
  • Die Arbeitsweise der wie vorstehend angesprochen konfigurierten Schaltnetzteilvorrichtung ist nachfolgend unter Bezug auf die Wellenformdiagramme in 4 erläutert.
  • Wie in 4 gezeigt, wird ein Treiberimpulssignal vG1 an das erste Schaltelement 3 von der Steuerschaltung 40 angelegt. Ein Treiberimpulssignal vG2 wird an das zweite Schaltelement 5 von der Steuerschaltung 40 angelegt. Ein Treiberimpulssignal vG3 wird an das dritte Schaltelement 10 angelegt und ein Treiberimpulssignal vG4 wird an das vierte Schaltelement 12 von der Steuerschaltung 40 angelegt. Die Spannung vD wird an die erste Schalteinheit 34 angelegt. Strom iD1 fließt durch das erste Schaltelement 34. Strom iD2 fließt durch das zweite Schaltelement 56. Strom iP fließt durch die Primärwicklung 9A des Transformators 9. Strom iL fließt durch das Induktorelement 16.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 durch Eingabe des Treiberimpulssignals vG1 von der Steuerschaltung 40 zum Zeitpunkt T1 EIN-geschaltet wird, wird die Spannung VC an die Primärwicklung 9A des Transformators 9 angelegt. Eine Spannung VC/n (n ist das Wicklungsverhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung) wird in die erste Sekundärwicklung 9B des Transformators 9 induziert, und die Gleichrichtungsdiode 14 schaltet EIN. Eine Differenzspannung [VC/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt, weshalb ein das Induktorelement 16 durchfließender Strom linear größer wird. Der Strom iP der Primärwicklung 9A des Transformators 9 ist die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 9 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass ein Strom in der ersten Sekundärwicklung 9A in einen Primärstrom gewandelt wird. Der Strom iP wächst linear größer und Magnetenergie wird im Transformator 9 und im Induktorelement 16 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt bleibt das zweite Schaltelement 5 AUS-geschaltet, das dritte Schaltelement 10 bleibt AUS-geschaltet, das vierte Schaltelement 12 bleibt AUS-geschaltet durch Steuerung der Steuerschaltung 40.
  • Diese beeinflussen jedoch nicht die Arbeitsweise der Schaltung, weil die zweite Diode 6 und die dritte Diode 11 entgegengesetzt vorgespannt sind und damit AUS-geschaltet bleiben.
  • Das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 20 fällt zu einem Zeitpunkt T2 und das zweite Schaltelement 3 schaltet AUS. Eine Leckageinduktanz des Transformators 9 führt dazu, dass der Strom iP durch die Primärwicklung 9A fließt, um kontinuierlich zu fließen. Der Strom iP lädt oder entlädt parasitäre Kapazitäten, die mit durchbrochenen Linien gezeigt sind, und die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, das dritte Schaltelement 10 der bidirektionellen Schalteinheit 25 und den Transformator 9 geschaltet sind. Folglich wird die Spannung vD, die an die erste Schalteinheit 34 angelegt ist, größer. Wenn die Spannung vD die Spannung vC übersteigt, wird die dritte Diode 11 EIN-geschaltet durch eine Spannung, die durch das vierte Schaltelement 12 im EIN-Schaltzustand angelegt wird, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird leitend.
  • Das dritte Schaltelement 10 wird durch das Treiberimpulssignal vG3 der Steuerschaltung 20 zu einem Zeitpunkt T3 EIN-geschaltet. Ein Strom fließt durch die dritte Diode 11 und das dritte Schaltelement 10. Die Arbeitsweise der bidirektionellen Schalteinheit 25 ändert sich selbst dann nicht, wenn der Strom die dritte Diode 11 oder das dritte Schaltelement 10 durchfließt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Strom iP der Primärwicklung 9A des Transformators 9 einmal kleiner, weil die im Transformator 9 gespeicherte Energie verbraucht wird durch Laden der parasitären Kapazitäten oder Entladen derselben; wenn hingegen die dritte Diode 11 oder das dritte Schaltelement 10 EIN-schaltet, wird die Primärwicklung 9A des Transformators 9 kurzgeschlossen durch die bidirektionelle Schalteinheit 25 und die in der Leckageinduktanz gespeicherte Energie und die Erregungsinduktanz des Transformators 9 wird gehalten. Der Begriff "Energie" bezeichnet vorliegend Energie, die sowohl in der Erregungsinduktanz wie in der Leckageinduktanz gespeichert ist. Die in die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C des Transformators 9 induzierten Spannungen fallen deshalb auf null und die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom des Transformators 9 wird unterteilt in einen Strom, der die erste Sekundärwicklung 9B durchsetzt, und einen Strom, der die zweite Sekundärwicklung 9C durchsetzt, um die Energie kontinuierlich zu halten. Die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 werden EIN-geschaltet.
  • Wenn das vierte Schaltelement 12 AUS-schaltet und die bidirektionelle Schalteinheit 25 zum Zeitpunkt T4 nicht leitend wird, werden die parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 geschaltet sind, das vierte Schaltelement 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25 und dem Transformator 9, werden durch die Energie geladen und entladen, die im Transformator 9 gehalten wird. Die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD wird deshalb größer. Wenn die Spannung vD die Eingangsspannung VIN erreicht, schaltet die zweite Diode 6 EIN. Das zweite Schaltelement 5 wird EIN-geschaltet durch Eingabe des Treiberimpulssignals vG7 der Steuerschaltung 20 zum Zeitpunkt T5. Der Strom iD2 durchsetzt die zweite Diode 6 und das zweite Schaltelement 5. Die Arbeitsweise der zweiten Schalteinheit 56 ändert sich selbst dann nicht, wenn der Strom iD2 die zweite Diode 6 oder das dritte Schaltelement 5 durchsetzt.
  • Der Strom iP, der durch die Primärwicklung 9A des Transformators 9 fließt, nimmt einmal ab durch Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten; wenn die zweite Schalteinheit 56 EIN-schaltet, wird die Spannung [VC – VIN] an die Primärwicklung 9A angelegt und der die Primärwicklung 9A durchsetzende Strom iP wird kleiner. Wenn ein ausreichender Inversstrom der Primärwicklung 9A des Transformators 9 zugeführt wird, schaltet die Gleichrichtungsdiode 14 AUS und eine Spannung [(VIN – VC)/n] wird in der zweiten Sekundärwicklung 9C induziert. Eine Spannung [(VIN – VC)/n – VOUT] wird dadurch an das Induktorelement 16 angelegt und der Strom iL, der das Induktorelement 16 durchsetzt, wird linear größer. Der Strom iP der Primärwicklung 9A des Transformators 9 wird linear kleiner, weil der Strom iP die Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 9 und einem gewandelten Komponentenstrom bildet, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass der die Sekundärwicklung 9B durchsetzende Strom in den Primärstrom gewandelt wird. Daraufhin wird in dem Transformator 9 und dem Induktorelement 16 Energie gespeichert. Bei diesem Vorgang bleibt das erste Schaltelement 3 AUS-geschaltet und das dritte Schaltelement 10 bleibt EIN-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt AUS-geschaltet durch Steuerung der Steuerschaltung 20; die Arbeitsweise der Schaltstromversorgung wird jedoch nicht beeinflusst, weil die erste Diode 6 und die vierte Diode 13 umgekehrt vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 20 fällt und das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T6 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 9 den Strom iP dazu, die Primärwicklung 9A zu durchsetzen, um kontinuierlich zu fließen. Der Strom iP lädt oder entlädt deshalb die parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, das dritte Schaltelement 10 der bidirektionellen Schalteinheit 25 und den Transformator 9 geschaltet sind. Folglich wird die an die erste Schalteinheit 34 angelegt Spannung vP kleiner. Wenn die Spannung vP die Spannung vC erreicht, schaltet die vierte Diode 13 EIN durch Anlegen einer Spannung durch das dritte Schaltelement 10 im EIN-Schaltzustand und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird leitend.
  • Das vierte Schaltelement 12 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG4 der Steuerschaltung 40 zu einem Zeitpunkt T7. Die Arbeitsweise der bidirektionellen Schalteinheit 25 ändert sich selbst dann nicht, wenn der Strom die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 durchsetzt. Der durch die Primärwicklung 9A des Transformators 9 fließende Strom iP wird einmal größer, wenn die im Transformator 9 gespeicherte Energie verbraucht wird durch Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten als negativ gepolte Energie. Wenn die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 EIN-schaltet, wird daraufhin die Primärwicklung 19A kurzgeschlossen und die Energie negativer Polarität, die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz gespeichert sind, werden gehalten.
  • Die induzierten Spannungen in den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 9B und 9C fallen auf null durch Kurzschließen der Primärwicklung 9A. Die Spannung VOUT wird folglich an das Induktorelement 16 angelegt. Der Sekundärstrom wird in einen die erste Sekundärwicklung 9B durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 9C des Transformators 9 durchsetzenden Strom so unterteilt, dass die Erregungsenergie des Transformators 9 gehalten wird. Die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 werden deshalb EIN-geschaltet.
  • Die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird durch AUS-schalten des dritten Schaltelements 10 zu einem Zeitpunkt T8 AUS-geschaltet. Die in den parasitären Kapazitäten gespeicherten elektrischen Ladungen, die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, das vierte Schaltelement 12 und den Transformator 9 geschaltet sind, werden durch die Energie geladen und entladen, die im Transformator 9 gehalten ist. Die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD wird deshalb kleiner. Wenn die Spannung vD auf null fällt, schaltet die erste Diode EIN.
  • Zum Zeitpunkt T9 wird das Treiberimpulssignals vG1 der Steuerschaltung 4 an das erste Schaltelement 3 angelegt, das EIN-schaltet. Selbst dann, wenn der Strom iD1 durch die erste Diode 4 oder durch das erste Schaltelement 3 fließt, ändert sich die Arbeitsweise des ersten Schaltelements 3 nicht.
  • Der Strom iP, der die Primärwicklung 9A des Transformators 9 durchsetzt, wird einmal größer, um die parasitären Kapazitäten zu laden oder zu entladen; wenn hingegen die erste Schalteinheit 34 EIN-schaltet, wird die Spannung vC an die Primärwicklung 9A des Transformators 9 angelegt und der Strom iP der Primärwicklung 9A wird rasch größer. Nachdem ein ausreichend großer Strom der Primärwicklung 9A des Transformators 9 zugeführt wurde, schaltet die zweite Gleichrichtungsdiode 15 AUS und die Spannung vC/n wird in der ersten Sekundärwicklung 9B induziert. Die Spannung [(VIN – VC)/n – VOUT] wird deshalb an das Induktorelement 16 angelegt. Daraufhin wird der vorstehend genannte Betriebsablauf wiederholt.
  • Eine EIN-Schaltperiode (T1 bis T2) der ersten Schalteinheit 34 wird gleich einer EIN-Schaltperiode (T5 bis T6) der zweiten Schalteinheit 56 gewählt und sie ist mit "PON" bezeichnet. Eine AUS-Schaltperiode (T2 bis T5), die von einem AUS-schalten der ersten Schalteinheit 34 bis zu einem nachfolgenden EIN-schalten der zweiten Schalteinheit 56 reicht, wird gleich einer AUS-Schaltperiode (T6 bis T9) gewählt, die von einem AUS-schalten der zweiten Schalteinheit 56 bis zu einem darauf folgenden EIN-schalten der ersten Schalteinheit 34 dauert, und sie sind im "POFF" bezeichnet. Ein EIN-/AUS-Schaltverhältnis ist durch PON/POFF festgelegt. Der Zustand des Magnetflusses des Transformators 9 oder des Induktorelements 16 kehrt in einen anfänglichen Zustand jeweils nach einem Zyklus (T1 bis T9) zurück und wird rückgesetzt. Der Rücksetzzustand wird als "Rücksetzbedingung" nachfolgend bezeichnet. Die Gleichung (3) wird aus der Rücksetzbedingung des Transformators 9 gewonnen. (VIN – VC) × PON = VC × PON (3)
  • Wenn die Zeitperioden vom Zeitpunkt T2 bis zum Zeitpunkt T3, vom Zeitpunkt T4 bis zum Zeitpunkt T5, vom Zeitpunkt T6 bis zum Zeitpunkt T7 und vom Zeitpunkt T8 bis zum Zeitpunkt T9 außer Betracht bleiben, weil diese Zeitperioden vernachlässigbar kurz sind, wird die Gleichung (4) aus der Rücksetzbedingung des Induktorelements 16 gewonnen. (VIN – VC)/n – VOUT] × PON = VOUT × POFF (4)
  • Aus der Gleichung (4) ergeben sich deshalb VC und VOUT wie folgt: VC = VIN/2 VOUT = δVIN/2n,wobei δ = PON/(PON + POFF).
  • Wie durch die vorstehend angeführten Gleichungen gezeigt, kann die Ausgangsspannung VOUT gesteuert werden durch Einstellen des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses PON/POFF der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56. Der vorstehend angeführte Ausdruck δ ist gleich dem Ausdruck δ für den Halbbrückenwandler im ersten Stand der Technik. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 in der vorstehend angeführten Gleichung (4) berücksichtigt werden, wird die Ausgangsspannung VOUT kleiner; eine gewünschte Ausgangsspannung VOUT ist jedoch erzielbar durch Vergrößern des Werts von δ. In der vorstehend angeführten Konfiguration werden die elektrischen Ladungen, die in den parasitären Kapazitäten der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 und einer verteilten Kapazität des Transformators 9 gespeichert sind, entladen unmittelbar vor dem EIN-schalten der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12. Stoßströme, die durch Kurzschließen dieser parasitären Kapazitäten und der verteilten Kapazität erzeugt werden, können deshalb verringert werden und die Geräuscherzeugung kann unterbunden werden.
  • Ein Energieverlust wird außerdem verringert durch Verringern des Stoßstroms, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltnetzteilvorrichtung verbessert wird.
  • Stoßspannungen, die beim AUS-schalten der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 erzeugt werden, die hervorgerufen durch Leckageinduktanz des Transformators 9, werden außerdem wirksam absorbiert durch die ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 und die Gleichstromquelle 1 durch EIN-schalten der dritten und vierten Dioden 11 und 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25. Die Erzeugung von Stoßspannungen kann deshalb verhindert werden.
  • Beim AUS-schalten der dritten und vierten Schaltelemente 10 und 12 in der bidirektionellen Schalteinheit 25 erzeugte Stoßspannungen werden durch die ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 und die Gleichstromquelle 1 durch EIN-schalten der ersten und zweiten Dioden 4 und 6 absorbiert. Eine Erzeugung von Stoßspannungen wird dadurch unterbunden.
  • Die Energiemenge zum Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten hängt von der Energie ab, die in der Erregungsinduktanz und der Leckageinduktanz des Transformators 9 gespeichert ist. In dem Fall, dass der Transformator 9 eine vernachlässigbar kleine Leckageinduktanz aufweist, und die Energie zum Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten unzureichend ist, kann die Leckageinduktanz gezielt vergrößert werden durch in Reihe schalten eines Induktorelements mit der Primärwicklung 9A bzw. der Sekundärwicklung 9B des Transformators 9. Ladeenergie oder Entladeenergie der parasitären Kapazitäten kann vergrößert werden durch Vergrößern der Leckageinduktanz. Andererseits kann ein Entfernen elektrischen Ladungen aus den parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und der verteilten Kapazität des Transformators 9 gefördert werden durch Verringern der Erregungsinduktanz des Transformators 9 und durch dessen Erregung in umgekehrter Richtung.
  • Weitere Beispiele der ersten Ausführungsform sind in 2 und 3 gezeigt.
  • In der in 1 gezeigten Konfiguration ist die Eingangsspannung VIN unterteilt durch das in Reihe geschaltete Paar aus ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8. In dem Fall, dass der erste Kondensator 7 zwischen dem Eingangsanschluss 2A und der Primärwicklung 9A in Verbindung gebracht ist, wie in 2 gezeigt, oder der zweite Kondensator 8 zwischen dem Eingangsanschluss 2B und der Primärwicklung 9A in Verbindung gebracht ist, wie in 3 gezeigt, wird die Schaltnetzteilvorrichtung ebenfalls normalerweise betrieben.
  • In dem Fall, dass zusätzliche Kondensatoren zusätzlichen zu den parasitären Kapazitäten vorgesehen sind, die mit den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, der bidirektionelle Schalteinheit 25 und dem Transformator 9 äquivalent parallel sind, wird der Grundbetrieb der Schaltnetzteilvorrichtung nicht beeinflusst. Die zusätzlichen Kondensatoren dienen als Dämpferschaltungen und eine ansteigende Flanke des Stroms verläuft sanft bzw, flach und die Erzeugung von Geräusch wird zusätzlich verringert. Die Steigungen der ansteigenden Flanken der Spannungen, die an die Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 beim AUS-schalten angelegt werden, werden geringer, und Energieverlust bzw. Stromverlust beim Schaltvorgang wird zusätzlich verringert. Die an jede Schalteinheit angelegte Spannung überschreitet nicht die Eingangsspannung VIN und der Transformator wird durch Gleichstrom ähnlich wie bei dem Halbbrückenwandler gemäß dem Stand der Technik nicht erregt.
  • In Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform werden die elektrischen Ladungen, die in den parasitären Kapazitäten der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 und der verteilten Kapazität des Transformators 9 gespeichert sind, unmittelbar vor dem EIN-schalten dieser Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 entladen, wodurch der Stoßstrom reduziert wird. Folglich wird die Erzeugung von Geräusch reduziert und der Energie- bzw. Stromverlust wird ebenfalls reduziert. Der Wirkungsgrad der Schaltnetzteilvorrichtung ist verbessert. Die Schaltfrequenz der Schaltelemente kann außerdem erhöht werden, weil die Geräuscherzeugung verringert ist. Folglich ist eine Schaltnetzteilvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz realisierbar.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf 5 bis 8 erläutert. 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.
  • Wie in 5 gezeigt, sind die Konfigurationen der Gleichstromquelle 1, der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, der ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 und der bidirektionellen Schalteinheit 25 ähnlich denjenigen der ersten Ausführungsform, weshalb sich deren Erläuterung erübrigt.
  • Ein Transformator 21 umfasst eine Primärwicklung 21A, eine erste Sekundärwicklung 21B, eine zweite Sekundärwicklung 21C und eine Zusatzwicklung 21D. Das Wicklungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 21A, der ersten Sekundärwicklung 21B, der zweiten Sekundärwicklung 21C und der Hilfswicklung 21D ist mit n:1:1:n (n ist eine reale Zahl) gewählt. Die Primärwicklung 21A ist mit der Verbindungsstelle 7A zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 an einem Ende verbunden, und mit der Verbindungsstelle 5A zwischen den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 am anderen Ende.
  • Die Anode der ersten Gleichrichtungsdiode 14 ist mit einem Ende der ersten Sekundärwicklung 21B des Transformators 21 verbunden. Die Anode der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 ist mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 21C des Transformators 21 verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 sind miteinander verbunden.
  • Das Induktorelement 16 ist mit den Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 an einem Ende verbunden. Das andere Ende des Induktorelements 16 ist mit einem Ende eines Glättungskondensators 17 verbunden. Das andere Ende des Glättungskondensators 17 ist mit der Verbindungsstelle 9E zwischen den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 21B und 21C verbunden. In die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 21B und 21C erzeugte Spannungen werden durch die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 gleichgerichtet und durch das Induktorelement 16 und den Glättungskondensator 17 geglättet, und die Ausgangspannung VOUT wird der Last 19 über Ausgangsanschlüsse 18A und 18B zugeführt.
  • Die bidirektionelle Schalteinheit 25 ist über der Zusatzwicklung 21D in Verbindung gebracht.
  • Die Steuerschaltung 41 ermittelt die Ausgangsspannung VOUT an den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B und erzeugt Steuersignale zum Steuern der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 durch Ändern eines EIN-/AUS-Schaltverhältnisses, so dass die Ausgangsspannung VOUT konstant wird.
  • Die Arbeitsweise der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform wird nunmehr unter Bezug auf 8 erläutert.
  • Wie in 8 gezeigt, wird das Treiberimpulssignal VG1 an das erste Schaltelement 3 von der Steuerschaltung 41 angelegt. Das Treiberimpulssignal VG2 wird an das zweite Schaltelement 5 von der Steuerschaltung 41 angelegt. Das Treiberimpulssignal VG3 wird an das dritte Schaltelement 10 von der Steuerschaltung 41 angelegt. Das Treiberimpulssignal VG4 wird an das vierte Schaltelement 12 von der Steuerschaltung 41 angelegt. Eine Spannung VD wird an die erste Schalteinheit 34 angelegt. Ein Strom iD1 durchsetzt die erste Schalteinheit 34 und ein Strom iD2 durchsetzt die zweite Schalteinheit 56. Ein Strom iP durchsetzt die Primärwicklung 21A. Ein Strom iA durchsetzt die Zusatzwicklung 21D des Transformators 21. Ein Strom iL durchsetzt das Induktorelement 16.
  • Das erste Schaltelement 3 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignals VG1 der Steuerschaltung 41 zu einem Zeitpunkt T1 und die Spannung VC wird an die Primärwicklung 21A des Transformators 21 angelegt. Eine Spannung VC/n wird in die erste Sekundärwicklung 21B des Transformators 21 induziert und die Gleichrichtungsdiode 14 schaltet EIN. Eine Spannung [VC/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt und der das Induktorelement 16 durchsetzende Strom iL wird linear größer. Der Strom iP der Primärwicklung 21A des Transformators 21 ist die Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 21 und dem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass der die erste Sekundärwicklung 21B durchsetzende Strom in den Strom gewandelt wird, der die Primärwicklung 21A durchsetzt, weshalb dieser linear größer wird. Daraufhin wird Erregungsenergie in dem Transformator 21 und dem Induktorelement 16 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt bleiben die zweiten und dritten Schaltelemente 5 und 10 AUS-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt EIN-geschaltet durch die Ausgangssignale der Steuer schaltung 41; die Arbeitsweise der Schaltung wird jedoch nicht beeinflusst, weil die zweite und dritten Dioden 6 und 11 in umgekehrter Richtung vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal VG1 der Steuerschaltung 41 fällt bzw. kleiner wird und das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T2 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 21 den Strom iP der Primärwicklung 21A des Transformators 21 dazu, kontinuierlich zu fließen. Der Strom iP lädt oder entlädt deshalb parasitäre Kapazitäten, die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und den Transformator 21 geschaltet sind. Folglich wird die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung VD größer und die an die Primärwicklung 21A des Transformators 21 angelegte Spannung wird kleiner. Gleichzeitig wird eine in der Zusatzwicklung 21D induzierte Spannung kleiner. Wenn diese Spannung null erreicht, schaltet die dritte Diode 11 durch eine Spannung EIN, die durch das vierte Schaltelement 12 im EIN-Schaltzustand angelegt wird, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 schaltet EIN.
  • Das dritte Schaltelement 10 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal GG3 der Steuerschaltung 41 zu einem Zeitpunkt T3. Obwohl ein EIN-Schaltstrom die dritte Diode 11 durchsetzt bzw. das dritte Schaltelement 10, ändert sich die Arbeitsweise nicht. Im Transformator 21 gespeicherte Erregungsenergie wird verbraucht, um die parasitären Kapazitäten zu Laden oder zu Entladen, die einmal kleiner werden; wenn die dritte Diode 11 oder das dritte Schaltelement 10 EIN-schalten, wird hingegen die Zusatzwicklung 21D des Transformators 21 durch die bidirektionelle Schalteinheit 25 kurzgeschlossen und die in der Leckageinduktanz und der Erregung sinduktanz des Transformators 21 gespeicherte Erregungsenergie wird gehalten. Spannungen, die in den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 21B und 21C des Transformators 21 induziert sind, fallen auf null und die Ausgangsspannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom des Transformators 21 wird in einen die erste Sekundärwicklung 21B durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 21C des Transformators 21 durchsetzenden Strom unterteilt, um die Erregungsenergie kontinuierlich zu halten. Die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 schalten EIN.
  • Wenn das vierte Schaltelement 12 AUS-schaltet und die bidirektionelle Schalteinheit 25 zu einem Zeitpunkt T4 nicht leitend wird, werden die parasitären Kapazitäten, die zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und dem Transformator 21 äquivalent parallel geschaltet sind, durch die Erregungsenergie geladen oder entladen, die im Transformator 21 gespeichert ist. Folglich wird die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung VD größer. Wenn die Spannung VD die Eingangsspannung VIN erreicht, schaltet die zweite Diode 6 EIN.
  • Das zweite Schaltelement 5 wird durch das Treiberimpulssignal VG2 der Steuerschaltung 41 zu einem Zeitpunkt T5 EIN-geschaltet. Selbst dann, wenn der Strom iD2 die zweite Diode 6 oder das zweite Schaltelement 5 durchsetzt, ändert sich die Arbeitsweise nicht.
  • Wenn die zweite Schalteinheit 56 EIN-schaltet, wird die Spannung [VC – VIN] an die Primärwicklung 21A des Transformators 21 angelegt und der Strom iP, der durch die Primärwicklung 21A fließt, wird rasch kleiner. Wenn ein ausreichender inver ser Strom der Primärwicklung 21A des Transformators 21 zugeführt wird, wird die Gleichrichtungsdiode 14 AUS-geschaltet und die Spannung [(VIN – VC)/n] wird in der zweiten Sekundärwicklung 21C induziert. Die Spannung [(VIN – VC)/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt und der Strom iL, der das Induktorelement 16 durchsetzt, wird linear größer. Der Strom iP der Primärwicklung 21A des Transformators 21 ist die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 21 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass ein die Sekundärwicklung 21B durchsetzender Strom in den Strom gewandelt wird, der die Primärwicklung 21A durchsetzt, weshalb er linear kleiner wird. Erregungsenergie wird daraufhin dem Transformator 21 und dem Induktorelement 16 gespeichert. Obwohl das erste Schaltelement 3 AUS-geschaltet bleibt, bleiben zu diesem Zeitpunkt das dritte Schaltelement 10 EIN-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt AUS-geschaltet durch die Ausgangssignale der Steuerschaltung 41 und die Arbeitsweise der Schaltung wird nicht beeinflusst, weil die ersten und vierten Dioden 6 und 13 in umgekehrter Richtung vorgespannt sind.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vG2 der Steuerschaltung 41 fällt bzw. kleiner wird und das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T6 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 21 den Strom iP der Primärwicklung 21A dazu, kontinuierlich zu fließen. Der Strom iP lädt oder entlädt deshalb die parasitären Kapazitäten, die zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und den Transformator 21 äquivalent parallel geschaltet sind. Folglich werden die an die erste Schalteinheit 34 angelegt Spannung vD und eine Spannung, die an die Primärwicklung 21A des Transformators 21 angelegt ist, kleiner. Gleichzeitig wird eine in der Zusatzwicklung 21D induzierte Spannung kleiner. Wenn die se Spannung auf null fällt, wird die vierte Diode 13 EIN-geschaltet durch eine Spannung, die durch das dritte Schaltelement 10 im EIN-Schaltzustand angelegt wird, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird elektrisch leitend.
  • Das vierte Schaltelement 12 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG4 der Steuerschaltung 41 zu einem Zeitpunkt T7. Selbst dann, wenn ein EIN-Schaltstrom die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 durchsetzt, ändert sich die Arbeitsweise nicht. Eine Erregungsenergie negativer Polarität, die im Transformator 21 gespeichert ist, wird verbraucht durch Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten. Folglich wird der Strom iP der Primärwicklung 21A einmal größer. Wenn die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 EIN-schaltet, wird die Zusatzwicklung 21D des Transformators 21 kurzgeschlossen durch die bidirektionelle Schalteinheit 25 und die Energie negativer Polarität, die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz des Transformators 21 gespeichert ist, wird gehalten.
  • Die in der ersten Sekundärwicklung 21B und der zweiten Sekundärwicklungen 21C des Transformators 21 induzierten Spannungen fallen dadurch auf null und die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom wird in einen Strom, der die erste Sekundärwicklung 21B durchsetzt, und einen Strom unterteilt, der die zweite Sekundärwicklung 21C des Transformators 21 durchsetzt, um die Erregungsenergie kontinuierlich zu halten, wodurch die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 EIN-geschaltet werden.
  • Wenn das dritte Schaltelement 10 AUS-schaltet und die bidirektionelle Schalteinheit 25 zu einem Zeitpunkt T8 nicht lei tend wird, werden die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 des Transformators 21 geschalteten parasitären Kapazitäten geladen oder entladen durch die Energie, die durch den Transformator 21 gehalten ist, und die Spannung vD, die an die erste Schalteinheit 34 angelegt ist, wird kleiner. Wenn die Spannung vD auf null fällt, schaltet die erste Diode 4 EIN.
  • Das erste Schaltelement 3 wird durch das Treiberimpulssignals vG1 der Steuerschaltung 41 zu einem Zeitpunkt T9 EIN-geschaltet. Selbst dann, wenn der Strom iD1 durch die erste Diode 4 oder das erste Schaltelement 3 fließt, ändert sich die Arbeitsweise nicht. Der die Primärwicklung 21A des Transformators 21 durchsetzende Strom wird einmal größer, um die parasitären Kapazitäten zu laden oder zu entladen. Wenn die erste Schalteinheit 34 EIN-schaltet, wird die Spannung vC an die Primärwicklung 21A des Transformators 21 angelegt und der Strom iP der Primärwicklung 21A wird rasch größer. Wenn ein ausreichender Strom der Primärwicklung 21A und dem Transformator 21 zugeführt wird, wird die zweite Gleichrichtungsdiode 15 AUS-geschaltet. Da die Spannung vC/n in der ersten Sekundärwicklung 21B induziert wird, wird die Spannung [(VIN – VC)/n – VOUT] an das Induktorelement 16 angelegt. Daraufhin wird die vorstehend genannte Arbeitsweise wiederholt.
  • Die EIN-Schaltperioden der ersten Schalteinheit 34 und der zweiten Schalteinheit 56 werden zueinander gleich gewählt und sind mit PON bezeichnet. Die AUS-Schaltperiode vom AUS-schalten der ersten Schalteinheit 34 bis zum EIN-schalten der zweiten Schalteinheit 56 wird gleich der AUS-Schaltperiode vom AUS-Schalten der zweiten Schalteinheit 56 bis zum EIN-schalten der ersten Schalteinheit 34 gewählt und ist mit POFF bezeichnet. Wenn die EIN-Schaltperiode und die AUS- Schaltperiode wie vorstehend angesprochen gewählt werden, wird die Gleichung (5) durch die Rücksetzbedingung des Transformators 21 gewonnen. (VIN – VC) × PON = VC × PON (5)
  • Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 vernachlässigbar kurz sind und deshalb nicht beachtet werden, wird die Gleichung (6) aus der Rücksetzbedingung des Induktorelements 16 gewonnen. (VIN – VC)/n – VOUT] × PON = VOUT × POFF (6)
  • Aus der Gleichung (6) ergeben sich deshalb VC und VOUT wie folgt: VC = VIN/2, undVOUT = δVIN/2n,wobei δ = PON/(PON + POFF).
  • Die Gleichspannung VOUT kann deshalb gesteuert werden durch Ändern des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses PON/POFF des ersten Schaltelements 3 und des zweiten Schaltelements 5. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 in Betracht gezogen werden, wird die Gleichspannung VOUT kleiner. Eine gewünschte Gleichspannung VOUT ist jedoch erzielbar durch Vergrößern des Werts von δ entsprechend der Verringerung des Gleichstroms VOUT.
  • In der zweiten Ausführungsform werden die elektrischen Ladungen, die in den parasitären Kapazitäten und der verteilten Kapazität des Transformators 21 gespeichert sind, unmittelbar vor EIN-schalten der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 entladen und diese Schaltelemente werden nach dem Entladevorgang EIN-geschaltet. Die Erzeugung eines Stroßstrom auf Grund von Kurzschluss kann dadurch vermindert werden und die Erzeugung von Geräusch kann unterbunden werden. Strom- bzw. Energieverlust auf Grund von Stoßstrom wird kleiner und der Wirkungsgrad wird verbessert. Stoßspannungen beim AUS-schalten der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5, hervorgerufen durch die Leckageinduktanz des Transformators 21, werden wirksam absorbiert in den ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 und der Gleichstromquelle 1 durch EIN-schalten der dritten und vierten Dioden 11 und 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25. Die Stoßspannung wird folglich nicht erzeugt. Stoßspannungen, die beim AUS-schalten der dritten und vierten Schaltelemente 10 und 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25 erzeugt werden, werden ebenfalls absorbiert in die ersten und zweiten Kondensatoren 7 und 8 und die Gleichstromquelle 1 durch EIN-schalten der ersten und zweiten Dioden 4 und 6. Die Stoßspannungen werden deshalb nicht erzeugt.
  • Energie aus dem Laden und Entladen der parasitären Kapazitäten hängt von der Energie ab, die in der Erregungsinduktanz und der Leckageinduktanz des Transformators 21 gespeichert ist. Die Leckageinduktanz kann gezielt vergrößert werden durch in Reihe schalten eines Induktorelements zu der Primärwicklung 21A oder der Sekundärwicklung 21B des Transformators 21. Entladungsenergie der parasitären Kapazitäten kann vergrößert werden durch Vergrößern der Leckageinduktanz. Außerdem kann ein Entladen der parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und der verteilten Kapazität des Transformators 21 gefördert werden durch Verklei nern der Erregungsinduktanz des Transformators 21 und Erregen des Transformators 21 in umgekehrter Richtung.
  • Weitere Beispiele der zweiten Ausführungsform sind in 6 und 7 gezeigt.
  • In der Konfiguration von 7 wird die Spannung VIN unterteilt durch das in Reihe geschaltete Paar aus dem ersten Kondensator 7 und dem zweiten Kondensator 8. In diesem Fall ist der erste Kondensator 7 zwischen dem Eingangsanschluss 2A und der Primärwicklung 21A geschaltet, wie in 6 gezeigt, oder der zweite Kondensator 8 ist zwischen dem Eingangsanschluss 2B und der Primärwicklung 21A geschaltet, wie in 7 gezeigt, und die Schaltnetzteilvorrichtung ebenfalls normalerweise betrieben.
  • In der in 5 gezeigten Konfiguration ist die Verbindungsstelle 10A zwischen dem dritten Schaltelement 10 und dem vierten Schaltelement 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25 mit dem negativen Eingangsanschluss 2B (Schaltungsmasse) der Gleichstromquelle 1 verbunden. Pegel der Treiberimpulssignale vG3 und vG4 der Steuerschaltung 41 können deshalb flexibel gewählt werden. Die Konfiguration der Steuerschaltung 41 ist hierdurch vereinfacht. Wenn Kondensatoren zusätzlich zu den parasitären Kapazitäten äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, die bidirektionelle Schalteinheit 25 und den Transformator 21 geschaltet sind, wird in der in 5 gezeigten Konfiguration der Grundbetrieb der Schaltnetzvorrichtung nicht beeinflusst. Die Steigung der ansteigenden Flanke der Spannung, die an jedes Schaltelement beim AUS-schalten angelegt ist, wird kleiner durch Hinzufügen dieser Kondensatoren und ein Strom- bzw. Energieverlust, der durch einen Schaltvorgang erzeugt wird, kann zusätzlich verkleinert werden. Die an die ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 angelegten Spannungen werden nicht kleiner durch Hinzufügen dieser Kondensatoren. Die maximalen Spannungen, die an die ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 angelegt sind, sind die Eingangsspannung VIN, und das Merkmal, demnach der Transformator 21 durch einen Gleichstrom nicht erregt wird, ist aufrecht erhalten, und eine Schaltnetzteilvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz kann realisiert werden.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf 9 und 10 näher erläutert. 9 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung 31B gemäß der dritten Ausführungsform. In 9 sind Elemente ähnlich denjenigen in 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre Erläuterung erübrigt sich.
  • Die Eingangsanschlüsse 2A und 2B der Schaltnetzteilvorrichtung 31B sind mit der Gleichstromquelle 1 verbunden. Die ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und die bidirektionelle Schalteinheit 25 ist ähnlich denjenigen in 1. Ein Transformators 27 umfasst eine erste Primärwicklung 27A, eine zweite Primärwicklung 27B, eine erste Sekundärwicklung 27C und eine zweite Sekundärwicklung 27D. Das Wicklungsverhältnis zwischen der ersten Primärwicklung 27A, der zweiten Primärwicklung 27B, der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D ist mit n:n:1:1 gewählt. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der ersten Primärwicklung 27A und der ersten Schalteinheit 34 ist über den Eingangsanschlüsse 2A und 2B in Verbindung gebracht. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der zweiten Primärwicklung 27B und der zweiten Schalteinheit 56 ist außerdem über den Eingangsanschlüssen 2A und 2B in Verbindung gebracht. Die erste Primärwicklung 27A und die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27 sind eng bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft verbunden, um Ströme in diesen Wicklungen glatt bzw. gleichmäßig zu kommutieren.
  • Die bidirektionelle Schalteinheit 25 ist zwischen die Verbindungsstelle 34A der ersten Primärwicklung 27A mit der ersten Schalteinheit 34 und die Verbindungsstelle 56A der zweiten Primärwicklung 27B mit der zweiten Schalteinheit 56 geschaltet. Die Anode der ersten Gleichrichtungsdiode 14 ist mit einem Ende der ersten Sekundärwicklung 27C des Transformators 27 verbunden. Die Anode der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 ist mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 verbunden. Die Kathoden der ersten Gleichrichtungsdiode 14 und der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 sind miteinander verbunden. Das Induktorelement 16 ist in Reihe zu dem Glättungskondensator 17 an einem Ende geschaltet und am anderen Ende ist das Induktorelement 16 mit den Kathoden der ersten Gleichrichtungsdiode 14 und der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 verbunden. Das andere Ende des Glättungskondensators 17 ist mit der Verbindungsstelle 27E zwischen der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D verbunden. In den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 27C und 27D des Transformators 27 induzierte Spannungen werden durch die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 gleichgerichtet und durch das Induktorelement 16 und den Glättungskondensator 17 geglättet und an die Ausgangsanschlüsse 18A und 18B ausgegeben. Die Last 19 ist mit den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B in Verbindung gebracht.
  • Eine Steuerschaltung 42 ermittelt eine Ausgangsspannung VOUT an den Ausgangsanschlüssen 18A und 18B und erzeugt Steuersignale zum Steuern der EIN-/AUS-Schaltverhältnisse des ersten Schaltelements 3, des zweiten Schaltelements 5, des dritten Schaltelements 10 und des vierten Schaltelements 12, so dass die Ausgangsspannung VOUT konstant wird.
  • Die Arbeitsweise der wie vorstehend angesprochen konfigurierten Schaltnetzteilvorrichtung wird nachfolgend unter Bezug auf die Wellenformdiagramme in 10 erläutert. Wie in 10 gezeigt, wird das Treiberimpulssignal vG1 an das erste Schaltelement 3 von der Steuerschaltung 42 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG2 wird an das zweite Schaltelement 5 von der Steuerschaltung 42 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG3 wird an das dritte Schaltelement 10 von der Steuerschaltung 42 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG4 wird an das vierte Schaltelement 12 von der Steuerschaltung 42 angelegt. Ein Strom iP1 durchsetzt die erste Primärwicklung 27A des Transformators 27. Ein Strom iP2 durchsetzt die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27. Ein Strom iD1 durchsetzt die erste Schalteinheit 34. Ein Strom iD2 durchsetzt die zweite Schalteinheit 56. Eine Spannung vD1 wird an die erste Schalteinheit 34 angelegt. Eine Spannung vD2 wird an die zweite Schalteinheit 56 angelegt. Eine Spannung vS wird über den Kathoden der Gleichrichtungsdioden 14 und 15 und der Verbindungsstelle 27E angelegt. Ein Strom iL durchsetzt das Induktorelement 16.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 EIN-geschaltet wird durch Eingabe des Treiberimpulssignals vG1 von der Steuerschaltung 42 zum Zeitpunkt T1, wird die Eingangsspannung VIN an die Primärwicklung 27A des Transformators 27 angelegt. Die Spannung VIN/n wird in der ersten Sekundärwicklung 27C des Transforma tors 27 induziert und die Gleichrichtungsdiode 14 schaltet EIN. Die Spannung [VIN/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt und der das Induktorelement 16 durchsetzende Strom iL wird linear größer. Der Strom iP1 der ersten Primärwicklung 27A des Transformators 27 ist die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 27 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass der die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzende Strom in den Strom in der ersten Primärwicklung 27A gewandelt wird, wodurch er linear größer wird. Erregungsenergie wird im Transformator 27 und im Induktorelement 16 gespeichert. Obwohl das zweite Schaltelement 5 AUS-geschaltet bleibt, bleibt zu diesem Zeitpunkt das dritte Schaltelement 10 EIN-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt AUS-geschaltet unter Steuerung der Steuerschaltung 42, und die Arbeitsweise der Schaltung wird nicht beeinflusst, weil die zweite Diode 6 und die vierte Diode 13 entgegengesetzt vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 42 fällt bzw. kleiner wird und das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T2 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 27 den Strom iD1 dazu, durch das erste Schaltelement 3 zu fließen, um kontinuierlich zu fließen, und dadurch lädt der Strom iD1 und entlädt die parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und den Transformator 27 geschaltet sind. Folglich wird die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD1 größer und die an die zweite Schalteinheit 56 angelegte Spannung vD2 wird kleiner. Wenn die Spannung vD1 größer wird und die Spannung VIN erreicht, fällt die an die erste Primärwicklung 27A und die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27 angelegte Spannung auf null. Die vierte Diode 13 schaltet dadurch EIN durch die Spannung, die durch das dritte Schaltelement 10 im EIN-Schaltzustand angelegt ist, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird elektrisch leitend. Das vierte Schaltelement 12 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG4 der Steuerschaltung 42 zu einem Zeitpunkt T3 in der Periode des EIN-Schaltzustands der vierten Diode 4. Selbst dann, wenn ein EIN-Schaltstrom die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 durchsetzt, ändert sich die Arbeitsweise nicht.
  • Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 leitend wird, wird das in Reihe geschaltete Paar aus der ersten Primärwicklung 27A und der zweiten Primärwicklung 27B des Transformators 27 kurzgeschlossen und die in der Leckageinduktanz und in der Erregungsinduktanz des Transformators 27 gespeicherte Energie wird gehalten. Da die erste Primärwicklung 27A mit der zweiten Primärwicklung 27B durch die bidirektionelle Schalteinheit 25 in Reihe geschaltet ist, wird die Anzahl von Wicklungen der Primärwicklungen äquivalent verdoppelt. Der die Primärwicklung 27A des Transformators 27 durchsetzende Strom iP1 wird deshalb um die Hälfte reduziert.
  • Durch den vorstehend genannten Betriebsablauf fallen die in der ersten Sekundärwicklung 27C und in der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 induzierten Spannungen auf null, und die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom des Transformators 27 wird in einen die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzenden und einen die zweite Sekundärwicklung 27D durchsetzenden Strom unterteilt, so dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 werden deshalb EIN-geschaltet.
  • Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 durch AUS-schalten des dritten Schaltelements 10 zu einem Zeitpunkt T4 nicht leitend wird, werden die zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Transformator 27 äquivalent parallel geschalteten parasitären Kapazitäten durch die Energie geladen und entladen, die im Transformator 27 gehalten ist. Die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD2 wird größer und die an die zweite Schalteinheit 56 angelegte Spannung wird kleiner. Wenn die Spannung vD2 kleiner wird und auf null fällt, wird die zweite Diode EIN-geschaltet. In der EIN-Schaltperiode der zweiten Diode 6 wird das zweite Schaltelement 5 durch das Treiberimpulssignal vG2 der Steuerschaltung 42 zum Zeitpunkt T5 EIN-geschaltet. Selbst dann, wenn der EIN-Schaltstrom iD2 die zweite Diode 6 oder das zweite Schaltelement 5 durchfließt, ändert sich der Betriebsablauf nicht.
  • Wenn die zweite Schalteinheit 56 EIN-geschaltet wird, wird die Eingangsspannung VIN an die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27 angelegt und der die zweite Primärwicklung 27B durchsetzende Strom iP2 wird rasch größer. Wenn ein ausreichender Strom der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 zugeführt wird, schaltet die erste Gleichrichtungsdiode 14 AUS und die Spannung VIN/n wird in der zweiten Sekundärwicklung 27D induziert. Die Spannung [VIN/n – VOUT] wird dadurch an das Induktorelement 16 angelegt und der das Induktorelement 16 durchfließende Strom iL wächst linear. Der Strom iP2 der zweiten Primärwicklung 27B des Transformators 27 bildet die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 27 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei der es sich um die Komponente derart handelt, dass der die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzende Strom in den Strom in der Primärwicklung gewandelt wird, wodurch er linear wächst bzw. größer wird. Erregungsenergie wird dadurch in dem Transformators 27 und in dem Induktorelement 16 gespeichert. Obwohl das erste Schaltelement 3 AUS-geschaltet bleibt, bleibt zu diesem Zeitpunkt das dritte Schaltelement 10 AUS-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt EIN-geschaltet durch die Steuerschaltung 42 und der Betriebsablauf der Schaltung wird nicht beeinflusst, weil die erste Diode 4 und die dritte Diode 11 entgegengesetzt vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vC2 der Steuerschaltung 42 fällt bzw. kleiner wird und das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T6 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz den Strom iD2, der durch das zweite Schaltelement 5 fließt, kontinuierlich zu fließen, weshalb der Strom iD2 die parasitären Kapazitäten lädt und entlädt, die zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Transformator 27 äquivalent parallel geschaltet sind. Folglich wird die an die zweite Schalteinheit angelegte Spannung VD2 größer und die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung VD1 wird kleiner. Wenn die Spannung VD2 die Eingangsspannung VIN erreicht, fallen die an die erste Primärwicklung 27A und die zweite Primärwicklung 27B des Transformators 27 angelegten Spannungen auf null. Die dritte Diode 11 schalte EIN durch eine über das vierte Schaltelement 10 im EIN-Schaltzustand angelegte Spannung und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird leitend. In der EIN-Schaltperiode der dritten Diode 11 wird das dritte Schaltelement 10 EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG3 der Steuerschaltung 42 zu einem Zeitpunkt T7. Selbst ein die dritte Diode 11 oder das vierte Schaltelement 12 durchsetzender EIN-Schaltstrom führt nicht zu einer Änderung des Betriebsablaufs.
  • Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 leitend wird, ist die erste Primärwicklung 27A mit der zweiten Primärwicklung 27B des Transformators 27 in Reihe geschaltet und die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz des Transformators 27 gespeicherte Energie wird gehalten. Da die erste Primärwicklung 27A mit der zweiten Primärwicklung 27B durch die bidirektionelle Schalteinheit 25 in Reihe geschaltet ist, wird die Anzahl an Wicklungen der Primärwicklungen äquivalent verdoppelt. Der Strom iP1 der ersten Primärwicklung 27A wird dadurch auf die Hälfte reduziert.
  • Durch den vorstehend genannten Betriebsablauf fallen die in der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 induzierten Spannungen auf null und die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom wird in einen die erste Sekundärwicklung 27C durchsetzenden und einen die zweite Sekundärwicklung 27D des Transformators 27 durchsetzenden Strom unterteilt, so dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird. Die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 schalten deshalb EIN.
  • Wenn das vierte Schaltelement AUS-schaltet und die bidirektionelle Schalteinheit 25 zu einem Zeitpunkt T8 nicht leitend wird, werden die parasitären Kapazitäten, die zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Transformator 27 äquivalent parallel geschaltet sind, durch die Energie geladen und entladen, die im Transformator 27 gehalten ist. Wenn die Spannung vD1, die an das erste Schaltelement 3 angelegt ist, kleiner wird und auf null fällt, schaltet die erste Diode 4 EIN. In der EIN-Schaltperiode der ersten Diode 4 wird das erste Schaltelement 3 durch das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 42 EIN-geschaltet.
  • Selbst dann, wenn der EIN-Schaltstrom iD2 die erste Diode 4 oder das erste Schaltelement 3 durchfließt, ändert sich der Betriebsablauf nicht.
  • Der die erste Primärwicklung 27A des Transformators 27 durchsetzende Strom iP1 wird einmal kleiner, um die parasitären Kapazitäten zu laden bzw. zu entladen; wenn die erste Schalteinheit 34 EIN-schaltet, wird jedoch die Eingangsspannung VIN an die erste Sekundärwicklung 27A des Transformators 27 angelegt und der Strom iP1 der ersten Primärwicklung 27A wächst rasch. Wenn ein ausreichender Strom der ersten Sekundärwicklung 27C des Transformators 27 zugeführt wird, schaltet die zweite Gleichrichtungsdiode 15 AUS und die Spannung VIN/n wird in der ersten Sekundärwicklung 27C induziert. Die Spannung [VIN/n – VOUT] wird dadurch an das Induktorelement 16 angelegt. Daraufhin wird der vorstehend angesprochene Betriebsablauf wiederholt.
  • Die EIN-Schaltperiode der ersten Schalteinheit 34 wird gleich derjenigen der zweiten Schalteinheit 56 gewählt und sie ist mit PON bezeichnet. Die AUS-Schaltperiode ausgehend vom AUS-schalten der ersten Schalteinheit 34 zum EIN-schalten der zweiten Schalteinheit 56 wird äquivalent der AUS-Schaltperiode ausgehend vom AUS-schalten der zweiten Schalteinheit 56 bis zum EIN-schalten der ersten Schalteinheit 34 gewählt und sie ist mit POFF bezeichnet. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 vernachlässigbar kurz sind und deshalb nicht beachtet werden, wird die Gleichung (8) aus der Rücksetzbedingung des Induktorelements 16 gewonnen. 2(VIN/n – VOUT) × PON = 2VOUT × POFF (8)
  • Aus der Gleichung (8) ergibt sich deshalb VOUT wie folgt: VOUT = δVIN/n,wobei δ = PON/(PON + POFF).
  • Die Ausgangsspannung VOUT kann deshalb gesteuert werden durch Einstellen des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses (PON/POFF) des ersten Schaltelements 3 und des zweiten Schaltelements 5. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 in Betracht gezogen werden, wird die Ausgangsspannung VOUT kleiner; eine gewünschte Spannung kann jedoch erzielt werden durch Vergrößern des Werts von δ entsprechend der Verringerung der Ausgangsspannung VOUT.
  • In der dritten Ausführungsform werden die elektrischen Ladungen der parasitären Kapazitäten der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 und der verteilten Kapazität des Transformators 27 unmittelbar vor dem EIN-schalten dieser Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 entladen. Die Erzeugung eines Stroms mit angespitzter Wellenform auf Grund von Kurzschluss kann dadurch verringert werden und der Wirkungsgrad wird verbessert und die Geräuscherzeugung unterbunden. Spannung mit angespitzten Wellenformen beim AUS-schalten der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5, hervorgerufen durch die Leckageinduktanz des Transformators 27 werden außerdem wirksam absorbiert durch den Transformator 27 durch EIN-schalten der dritten Diode 11 und der vierten Diode 13 der bidirektionellen Schalteinheit 25. Die Erzeugung der Spannung in angespitzter Wellenform wird dadurch reduziert. Stoßspannungen die beim AUS-schalten des dritten Schaltelement 10 und des vierten Schaltelements 12 der bidirektionel len Schalteinheit 25 erzeugt werden, werden in der Gleichstromquelle 1 durch den Transformators 27 durch EIN-schalten der ersten Diode 4 und der zweiten Dioden 6 absorbiert, wodurch eine Erzeugung von Stoßspannungen unterbunden werden kann.
  • Energie beim Entladen der parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und der verteilten Kapazität des Transformators 27 unmittelbar vor dem EIN-schalten der ersten Schalteinheit 34 hängt von der Energie ab, die in der Erregungsinduktanz und der Leckageinduktanz des Transformators 27 gespeichert ist. Die Entladungsenergie kann vergrößert werden durch in Reihe schalten von Induktorelementen mit der ersten Sekundärwicklung 27C und der zweiten Sekundärwicklung 27D des Transformators 27. Andererseits kann ein Entladen der parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und der verteilten Kapazität des Transformators 27 gefördert werden durch Verkleinern des Induktanzwerts des Transformators 27 und Erregen des Transformators in entgegengesetzter bzw. umgekehrter Richtung.
  • Wenn mit den parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56, die bidirektionellen Schalteinheit 25 und den Transformator 27 geschaltet sind, zusätzliche Kondensatoren verbunden werden, wird der grundsätzliche Betriebsablauf der Schaltnetzteilvorrichtung nicht beeinflusst. Steigungen der ansteigenden Flanken der Spannungen, die an die Schalteinheiten 34 und 56 beim AUS-schalten angelegt sind, werden verkleinert durch die zusätzlichen Kondensatoren und ein Energieverlust bzw. Stromverlust beim Schaltvorgang kann zusätzlich verringert werden. Eine Schaltnetzteilvorrichtung mit hohem Wirkungs grad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz ist dadurch realisierbar.
  • [Vierte Ausführungsform]
  • Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf 11 und 12 erläutert. 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. In 11 sind Elemente ähnlich zu den Elementen von 9 mit den gleichen Bezugsziffern versehen und ihre Erläuterung erübrigt sich.
  • Ein Transformator 39 umfasst eine erste Primärwicklung 39A, eine zweite Primärwicklung 39B, eine erste Sekundärwicklung 39C, eine zweite Sekundärwicklung 39D und eine Zusatzwicklung 39E. Das Wicklungsverhältnis zwischen der ersten Primärwicklung 39A, der zweiten Primärwicklung 39B, der ersten Sekundärwicklung 39C, der zweiten Sekundärwicklung 39D und der Zusatzwicklung 39E ist mit n:n:1:1:n gewählt. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der ersten Primärwicklung 39A und der ersten Schalteinheit 34 ist über die Eingangsanschlüsse 2A und 28 in Verbindung gebracht. Ein in Reihe geschaltetes Paar aus der Primärwicklung 39B und der zweiten Schalteinheit 56 ist ebenfalls über die Eingangsanschlüssen 2A und 2B in Verbindung gebracht. Das erste Schaltelement 3 und das zweite Schaltelement 5 wiederholen abwechselnd einen EIN-Schaltvorgang und einen AUS-Schaltvorgang. Die erste Primärwicklung 39A, die zweite Primärwicklung 39B und die Zusatzwicklung 39E des Transformators 39 sind eng bzw. nahe miteinander verbunden, um Ströme in diesen Wicklungen gleichmäßig zu kommutieren.
  • Die Anode der ersten Gleichrichtungsdiode 14 ist mit einem Ende der ersten Sekundärwicklung 39C des Transformators 39 verbunden. Die Anode der zweiten Gleichrichtungsdiode 15 ist mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 39D des Transformators 39 verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 sind miteinander verbunden. Das Induktorelement 16 ist mit dem Glättungskondensator 17 in Reihe geschaltet, und das Ende des Induktorelements 16 ist mit der Verbindungsstelle 24A zwischen den Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 14 und 15 verbunden. Das Ende des Glättungskondensators 17 ist mit der Verbindungsstelle 39F zwischen der ersten Sekundärwicklung 39C und der zweiten Sekundärwicklung 39D verbunden. In den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 39C und 39D des Transformators 39 induzierte Spannungen werden gleichgerichtet und geglättet, und die Ausgangsspannung VOUT wird an die Ausgangsanschlüsse 18A und 18B ausgegeben. Die Last 19 ist über den Ausgangsanschlüsse 18A und 18B in Verbindung gebracht.
  • Die bidirektionelle Schalteinheit 25 weist dieselbe Konfiguration auf wie diejenige der zweiten Ausführungsform in 5. Die bidirektionelle Schalteinheit 25 ist parallel zur Zusatzwicklung 39E des Transformators 39 geschaltet. Die Verbindungsstelle 45A der dritten und vierten Schaltelemente 10 und 12 ist mit dem Negativanschluss 2B (Schaltungsmasse) der Gleichstromquelle 1 verbunden. Die Steuerschaltung 43 ermittelt eine Ausgangsspannung VOUT der Ausgangsanschlüsse 2A und 2A und erzeugt Steuersignale der ersten bis vierten Schaltelements 3, 5, 10 und 12, so dass die Ausgangsspannung VOUT konstant wird.
  • Die Arbeitsweise der Schaltnetzteilvorrichtung, die so konfiguriert ist, wie vorstehend angeführt, wird nunmehr unter Bezug auf Wellenformdiagramme von 12 erläutert.
  • Wie in 12 gezeigt, wird das Treiberimpulssignal vG1 an das erste Schaltelement 3 von der Steuerschaltung 43 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG2 wird an das zweite Schaltelement 5 von der Steuerschaltung 43 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG3 wird an das dritte Schaltelement 10 von der Steuerschaltung 43 angelegt. Das Treiberimpulssignal vG4 wird an das vierte Schaltelement 12 von der Steuerschaltung 43 angelegt. Strom i1 durchsetzt die erste Schalteinheit 34 und die erste Primärwicklung 39A des Transformators 39. Strom i2 durchsetzt die zweite Schalteinheit 56 und die zweite Primärwicklung 39B des Transformators 39. Strom i3 durchsetzt die Zusatzwicklung 39E des Transformators 39. Eine Spannung vD1 ist an die erste Schalteinheit 34 angelegt. Eine Spannung vD2 ist an die zweite Schalteinheit 56 angelegt.
  • Wenn das erste Schaltelement 3 EIN-geschaltet wird durch Eingeben des Treiberimpulssignals vG1 von der Steuerschaltung 43 zu einem Zeitpunkt T1, wird die Spannung VIN an die erste Primärwicklung 39A des Transformators 39 angelegt. Die Spannung VIN/n wird in der ersten Sekundärwicklung 39C des Transformators 39 induziert und die Gleichrichtungsdiode 14 schaltet EIN. Die Spannung [VIN/n – VOUT] wird an das Induktorelement 16 angelegt und ein das Induktorelement 16 durchsetzender Strom iL wird größer. Der Strom iP1 der ersten Primärwicklung 39A des Transformators 39 bildet die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 39 mit einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass ein die erste Sekundärwicklung 39C durchsetzender Strom in den Strom gewandelt wird, der die erste Primärwick lung 39A durchsetzt, weshalb er linear wächst. Folglich wird Erregungsenergie im Transformator 39 und dem Induktorelement 16 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt bleibt das dritte Schaltelement 10 EIN-geschaltet und das vierte Schaltelement 12 bleibt AUS-geschaltet, obwohl das zweite Schaltelement 5 AUS-geschaltet bleibt, und der Betriebablauf der Schaltung wird nicht beeinflusst, weil die zweite Diode 6 und die vierte Diode 13 entgegengesetzt vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 43 fällt bzw. kleiner wird und das erste Schaltelement 3 zu einem Zeitpunkt T2 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 39 den Strom iP1, der durch die erste Primärwicklung 39A fließt, dazu, kontinuierlich zu fließen. Der Strom iP1 lädt oder entlädt die parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und den Transformator 39 geschaltet sind. Die Spannung vD1, die an die erste Schalteinheit 34 angelegt ist, wird größer, und die Spannung vD2, die an die zweite Schalteinheit 56 angelegt ist, wird kleiner. Gleichzeitig wird eine in der Zusatzwicklung 39E induzierte Spannung kleiner, und wenn die Spannung auf null fällt, wird die vierte Diode 13 EIN-geschaltet durch eine Spannung, die durch das dritte Schaltelement 10 im EIN-Schaltzustand angelegt ist, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird leitend.
  • In der EIN-Schaltperiode der vierten Diode 13 wird das vierte Schaltelement 12 EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG4 der Steuerschaltung 43 zu einem Zeitpunkt T3. Selbst dann, wenn der EIN-Schaltstrom i3 die vierte Diode 13 oder das vierte Schaltelement 12 durchsetzt, ändert sich der Betriebsablauf nicht. Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 lei tend wird, wird die Zusatzwicklung 39E des Transformators 39 kurzgeschlossen, und die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz des Transformators 39 gespeicherte Energie wird gehalten.
  • In den vorstehend angeführten Betriebsabläufen fallen Spannungen, die in der ersten Sekundärwicklung 39C und der zweiten Sekundärwicklung 39D des Transformators 39 induziert sind, auf null, und die Spannung VOUT wird an das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom wird in einen die Sekundärwicklung 39C durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 39D des Transformators 39 durchsetzenden Strom derart unterteilt, dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird, weshalb die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 EIN-schalten.
  • Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 durch AUS-schalten des dritten Schaltelements 10 zu einem Zeitpunkt T4 nicht leitend gemacht wird, werden die parasitären Kapazitäten, die mit der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Transformator 39 äquivalent parallel geschaltet sind, geladen oder entladen durch die Energie, die im Transformator 39 gehalten ist, und die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD1 wird größer. Gleichzeitig wird die an die zweite Schalteinheit 56 angelegte Spannung vD2 kleiner. Wenn die Spannung vD2 auf null fällt, schaltet die zweite Diode 6 EIN. In der EIN-Schaltperiode der zweiten Diode 6 wird das zweite Schaltelement 5 EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG2 der Steuerschaltung 43 zu einem Zeitpunkt T5. Selbst dann, wenn der Strom i2 die zweite Diode 6 oder das zweite Schaltelement 5 durchsetzt, ändert sich der Betriebsablauf nicht.
  • Wenn die zweite Schalteinheit 56 EIN-schaltet, wird die Spannung VIN an die zweite Primärwicklung 39B des Transformators 39 angelegt und der Strom i2 der die zweite Primärwicklung 39B wird rasch größer. Wenn ein ausreichender Strom der zweiten Primärwicklung 39B des Transformators 39 zugeführt wird, schaltet die erste Gleichrichtungsdiode 14 AUS und die Spannung VIN/n wird in der zweiten Sekundärwicklung 39D induziert. Folglich wird die Spannung [VIN/n – VOUT] an das Induktorelement 16 angelegt, und der das Induktorelement 16 durchsetzende Strom iL wächst linear. Der Strom i2 der zweiten Primärwicklung 39B des Transformators 39 bildet die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 39 und einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente derart handelt, dass der die zweite Sekundärwicklung 39D durchsetzende Strom in den Strom gewandelt wird, der die zweite Primärwicklung 39B durchsetzt, weshalb er linear wächst. Folglich wird Erregungsenergie im Transformator 39 und im Induktorelement 16 gespeichert.
  • Obwohl die ersten und dritten Schaltelemente 3 und 5 AUS-geschaltet bleiben und das vierte Schaltelement 12 EIN-geschaltet bleibt zu diesem Zeitpunkt durch die Steuerschaltung 43, wird der Betriebsablauf der Schaltung nicht beeinflusst, weil die erste Diode 4 und die dritte Diode 11 entgegengesetzt vorgespannt sind und AUS-geschaltet bleiben.
  • Wenn das Treiberimpulssignal vG2 der Steuerschaltung 43 fällt und das zweite Schaltelement 5 zu einem Zeitpunkt T6 AUS-schaltet, veranlasst die Leckageinduktanz des Transformators 39 den Strom i1 der ersten Primärwicklung 39A dazu, kontinuierlich zu fließen, und der Strom i1 lädt oder entlädt deshalb die parasitären Kapazitäten, die parallel zur ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Trans formator 39 geschaltet sind. Folglich wird die an die zweite Schalteinheit 56 angelegte Spannung vD1 größer. Gleichzeitig wird die Spannung vD1 der ersten Schalteinheit 34 kleiner und die an die erste Primärwicklung 39A des Transformators 39 angelegte Spannung wird kleiner. Eine in der Zusatzwicklung 39E induzierte Spannung wird ebenfalls kleiner, und wenn die Spannung auf null fällt, wird die dritte Diode 11 EINgeschaltet durch eine über das vierte Schaltelement 12 im EIN-Schaltzustand angelegte Spannung, und die bidirektionelle Schalteinheit 25 wird leitend. Das dritte Schaltelement 10 wird EIN-geschaltet durch das Treiberimpulssignal vG3 der Steuerschaltung 43 zu einem Zeitpunkt T7 in der EIN-Schaltperiode der dritten Diode 11. Selbst dann, wenn der Strom i3 die dritte Diode 11 durchsetzt oder das dritte Schaltelement 10, ändert sich der Betriebsablauf nicht. Wenn die bidirektionelle Schalteinheit 25 leitend wird, wird die Zusatzwicklung 39E des Transformators 39 kurzgeschlossen und die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz des Transformators 39 gespeicherte Energie wird gehalten.
  • In der ersten Sekundärwicklung 39C und der zweiten Sekundärwicklung 39D des Transformators 39 induzierte Spannungen fallen auf null und die Spannung VOUT wird and das Induktorelement 16 angelegt. Ein Sekundärstrom wird in einen die erste Sekundärwicklung 39C durchsetzenden Strom und einen die zweite Sekundärwicklung 39D des Transformators 39 durchsetzenden Strom unterteilt, um die Erregungsenergie kontinuierlich zu halten, wodurch die erste Gleichrichtungsdiode 14 und die zweite Gleichrichtungsdiode 15 EIN-geschaltet werden.
  • Wenn das vierte Schaltelement 12 AUS-schaltet und die bidirektionelle Schalteinheit 25 zu einem Zeitpunkt T8 nicht leitend wird, werden die parasitären Kapazitäten, die äquivalent parallel zu der ersten Schalteinheit 34, der zweiten Schalteinheit 56 und dem Transformator 39 geschaltet sind, durch die Energie geladen oder entladen, die im Transformator 39 gespeichert ist. Die an die erste Schalteinheit 34 angelegte Spannung vD1 wird kleiner. Wenn die Spannung vD1 auf null fällt, schaltet die erste Diode 4 EIN. Das erste Schaltelement 3 schaltet EIN durch das Treiberimpulssignal vG1 der Steuerschaltung 43 zu einem Zeitpunkt T9 in einer EIN-Schaltperiode der erste Diode 4. Selbst ein Strom i1, der die erste Diode 4 oder das erste Schaltelement 3 durchsetzt, ändert sich der Betriebsablauf nicht.
  • Der die erste Primärwicklung 39A des Transformators 39 durchsetzende Strom i1 wird einmal kleiner, um die parasitären Kapazitäten zu laden oder zu entladen; wenn die erste Schalteinheit 34 EIN-schaltet, wird jedoch die Spannung VIN an die erste Sekundärwicklung 39A des Transformators 39 angelegt und der Strom i1 der ersten Primärwicklung 39A wächst rasch. Wenn ein ausreichender Strom der ersten Primärwicklung 39A des Transformators 39 zugeführt wird, schaltet die zweite Gleichrichtungsdiode 15 AUS und die Spannung VIN/n wird in der ersten Sekundärwicklung 39C induziert. Die Spannung [VIN/n – VOUT] wird dadurch an das Induktorelement 16 angelegt. Daraufhin wird der vorstehend genannte Betriebsablauf wiederholt.
  • Die EIN-Schaltperiode der ersten Schalteinheit 34 wird gleich der EIN-Schaltperiode der zweiten Schalteinheit 56 gewählt und sie ist mit PON bezeichnet. Die AUS-Schaltperiode ausgehend vom AUS-schalten der ersten Schalteinheit 34 bis zum EIN-schalten der zweiten Schalteinheit 56 wird gleich der AUS-Schaltperiode ausgehend vom AUS-schalten der zweiten Schalteinheit 56 bis zum EIN-schalten der ersten Schalteinheit 34 gewählt und sie ist mit POFF bezeichnet. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 vernachlässigbar kurz sind und deshalb nicht beachtet werden, wird die Gleichung (9) aus der Rücksetzbedingung des Induktorelements 16 gewonnen. (VIN/n – VOUT) × PON = VOUT × POFF (9)
  • Aus der Gleichung (9) ergibt sich deshalb VOUT deshalb wie folgt: VOUT = δVIN/n,wobei δ = PON/(PON + POFF).
  • Die Ausgangsspannung VIN kann deshalb gesteuert werden durch Einstellen des EIN-/AUS-Schaltverhältnisses (PON/POFF) des ersten Schaltelements 3 und des zweiten Schaltelements 5. Wenn die Zeitperioden von T2 bis T3, von T4 bis T5, von T6 bis T7 und von T8 bis T9 in Betracht gezogen werden, wird die Ausgangsspannung VOUT kleiner; eine gewünschte Ausgangsspannung VOUT kann erzielt werden durch Vergrößern des Werts von δ entsprechend der Verringerung der Ausgangsspannung. In Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform werden elektrische Ladungen der parasitären Kapazitäten der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 und der verteilten Kapazität des Transformators 39 unmittelbar vor dem EIN-schalten der ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 entladen. Folglich wird der Stoßstrom, der durch Kurzschluss erzeugt wird, verringert und der Wirkungsgrad wird verbessert und die Geräuscherzeugung wird unterbunden.
  • Stoßspannungen, die beim AUS-schalten der ersten und zweiten Schaltelemente 3 und 5 erzeugt werden, hervorgerufen durch die Leckageinduktanz des Transformators 39, werden wirksam absorbiert durch den Transformator 39 durch EIN-schalten der dritten und vierten Dioden 11 und 13 der bidirektionellen Schalteinheit 25. Die Erzeugung der Stoßspannung wird deshalb stark verringert. Stoßspannungen, die beim AUS-schalten des dritten Schaltelements 10 und des vierten Schaltelements 12 der bidirektionelle Schalteinheit 25 erzeugt werden, werden durch den Transformator 39 in die Gleichstromquelle 1 absorbiert durch EIN-schalten der ersten und zweiten Dioden 4 und 6. Die Erzeugung von Stoßspannungen wird deshalb verhindert.
  • Energie vom Laden oder Entladen der parasitären Kapazitäten hängt ab von der Energie, die in Erregungsinduktanz und der Leckageinduktanz des Transformators 39 gespeichert ist. Die Energie beim Laden oder Entladen kann außerdem vergrößert werden durch in Reihe schalten von Induktorelementen mit der ersten Sekundärwicklung 39C und der zweiten Sekundärwicklung 39D des Transformators 39. Entladen der parasitären Kapazitäten der ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56 und der verteilten Kapazität des Transformators 39 kann gefördert werden durch Verringern des Induktanzwerts des Transformators 39 und Erregen desselben in entgegengesetzter Richtung.
  • In dem in 11 gezeigten Schaltungsdiagramm ist die Verbindungsstelle 45A zwischen dem dritten Schaltelement 10 und dem vierten Schaltelement 12 der bidirektionellen Schalteinheit 25 mit dem negativen Eingangsanschluss 2B (Schaltungsmasse) der Gleichstromquelle 1 verbunden. Pegel der Treiberimpulssignale vC3 und vC4 der Steuerschaltung 43 können deshalb flexibel gewählt werden. Die Verbindungsstelle 45A kann mit dem positiven Anschluss 2A der Gleichstromquelle 1 ver bunden sein. Eine gewünschte Spannung kann an die Verbindungsstelle 45A angelegt werden durch Unterteilen der Spannung VIN der Gleichstromquelle 1. In Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform kann die Konfiguration der Steuerschaltung 43 problemlos erfolgen, weil die Spannung der Verbindungsstelle 45A zwischen den dritten und vierten Schaltelementen 10 und 12 flexibel gewählt werden kann.
  • Selbst dann, wenn ein Kondensator jeder parasitären Kapazität hinzuaddiert wird, die äquivalent parallel zu den ersten und zweiten Schalteinheiten 34 und 56, der bidirektionellen Schalteinheit 25 und dem Transformator 39 geschaltet sind, wird der grundsätzliche Betrieb der Schaltnetzvorrichtung nicht beeinflusst. Steigung der ansteigenden Flanke der Spannungen, die an die ersten bis vierten Schaltelemente 3, 5, 10 und 12 beim AUS-schalten angelegt ist, werden verringert durch Hinzufügen jeweiliger Kondensatoren, weshalb ein im Schaltbetrieb erzeugter Energieverlust zusätzlich reduziert werden kann. Folglich kann eine Schaltnetzteilung mit hohem Wirkungsgrad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz verwirklicht werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die aktuell bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, wird bemerkt, dass diese Offenbarung nicht als beschränkend anzusehen ist. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die vorliegende Erfindung wendet, nach einem Studium der vorstehend angeführten Offenbarung. Die anliegenden Ansprüche decken deshalb sämtliche Abwandlungen und Modifikationen als in den Umfang der Erfindung fallend ab.

Claims (3)

  1. Schaltnetzteilvorrichtung, aufweisend: Zumindest zwei Kondensatoren (7, 8) zum Unterteilen einer Eingangsspannung (VIN) zur Erzeugung einer geteilten Spannung (VC), einen Transformator (9), der eine Primärwicklung (9A) aufweist, und in einer Leckageinduktanz und einer Erregungsinduktanz des Transformators Energie speichert, zwei Schalteinrichtungen (34, 56) zum Umschalten derart, dass die geteilte Spannung an der Primärwicklung abwechselnd angelegt wird, um eine Wechselstromausgangsspannung zu erzeugen, und eine bidirektionelle Schalteinrichtung (25) zum Kurzschließen der Primärwicklung (9A) in einer Periode eines nichtleitenden Zustands der beiden Schalteinrichtungen, um den AUS-Schaltzustand für eine vorbestimmte Kurzschlusszeitperiode vor und nach dem EIN-Schaltzustand der beiden Schalteinrichtungen aufrechtzuerhalten, wobei dadurch die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz des Transformators gespeicherte Energie gehalten wird, und wobei eine Spannung an die beiden Schalteinrichtungen angelegt wird, wobei die Energie durch AUS-Schalten der bidirektionellen Schalteinrichtung verringert wird.
  2. Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein in Reihe geschaltetes Paar aus einem ersten Kondensator (7) und einem zweiten Kondensator (8) über die Anschlüsse (2A, 2B) der Gleichstromquelle (1) geschaltet ist, und wobei das eine Ende der Primärwicklung (9A) mit der Verbindungsstelle (7A) zwischen dem ersten Kondensator (7) und dem zweiten Kondensator (8) verbunden ist.
  3. Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Transformator außerdem eine Zusatzwicklung (21D) umfasst, und die bidirektionelle Schalteinrichtung (25) parallel zu der Zusatzwicklung geschaltet ist.
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