DE69812034T2

DE69812034T2 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE69812034T2
Application number: DE69812034T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Louvel; Michael Meitzner
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: CN1216876A; ES2193461T3; EP0913915A3; KR19990037061A; CN1124676C; EP0913915A2; US5986898A; JPH11215815A; KR100535297B1; DE69812034D1; DE19747801A1; JP4204115B2; EP0913915B1

Description

Die Erfindung gründet auf einem Schaltnetzteil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein Schaltnetzteil dieser Art wurde in DE 196 10 762 A1 offenbart.
Schaltnetzteile bewirken eine starke Impulsbelastung des Leitungsnetzes, welche zu Oberwellenströmen auf dem Leitungsnetz führt. Diese Belastung tritt insbesondere in den Spannungsspitzen der sinusförmigen Netzspannung auf, in welchen ein Speicherkondensator im Schaltnetzteil nachgeladen wird. Um diese Belastung durch Oberwellenströme zu begrenzen, wird eine zunehmende Anzahl internationaler Vorschriften für Schaltnetzteile vorgelegt, welche zum Ziel haben eine mehr sinusförmige Stromaufnahme von künftigen Schaltnetzteilen zu erreichen. Die Oberwellenbelastung des Leitungsnetzes kann auch durch einen sogenannten Leistungsfaktor angegeben werden.
Ein weiteres Schaltnetzteil mit verringerter Oberwellenbelastung des Leitungsnetzes ist in der EP 0 700 145 A2 (= DE 4431120) offenbart. Dieses Schaltnetzteil enthält ebenfalls einen zweiten primärseitigen Stromweg, welcher eine Induktivität und eine Diode aufweist und eine Verbindung zwischen einem Ladekondensator hinter dem netzseitigen Gleichrichter und einem Abgriff an der Primärwicklung des Transformators herstellt. Die Induktivität wirkt als ein Energiespeicher, welcher in der Durchschaltphase des Schalttransistors aufgeladen wird und nachfolgend seine Energie in der Sperrphase des Schalttransistors über die Diode und die Primärwicklung an den Speicherkondensator abgibt. Dieser Lade- und Entladevorgang führt zu einer Stromentnahme aus dem Leitungsnetz über den gesamten 360º Phasenbereich des Leitungsnetzes, da an dem Ladekondensator eine ungefilterte Halbwellen-Sinusspannung gleichbleibender Polarität anliegt.
EP 0 598 197 A2 offenbart ein Schaltnetzteil, welches eine sinusförmige Stromaufnahme aufweist und eine Strompumpe mit einem Kondensator enthält, welcher während der Durchschaltphase des Schalttransistors über den Netzgleichrichter aufgeladen wird und diese gespeicherte Energie in der Sperrphase des Schalttransistors an einen Speicherkondensator abgibt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zu beschreiben, welches über einen weiten Eingangsspannungsbereich zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das Schaltnetzteil gemäß der Erfindung enthält im zweiten Stromweg einen Kondensator, welcher insbesondere zwischen der Induktivität und dem Abgriff an der Primärwicklung angeordnet ist. Dieser Kondensator bewirkt eine Strombegrenzung im zweiten Stromweg und stellt somit sicher, daß der Kern der Induktivität sowie der Kern der Primärwicklung und in der Folge der Kern des Transformators nicht in die Sättigung gehen. Folglich arbeitet das Schaltnetzteil betriebssicher in einem Eingangsspannungsbereich von 190-265 V.
Die Strombegrenzung ist insbesondere im Fall kurzzeitiger Netzunterbrechungen wichtig. Im Falle einer Netzunterbrechung arbeitet das Schaltnetzteil solange weiter, wie der Speicherkondensator noch eine ausreichende Ladung aufweist. Wenn nun im Zustand einer tiefen Entladung des Speicherkondensators die Netzspannung wieder angelegt wird, so fließt ein hoher Strom durch die Induktivität, welcher zu einer Sättigung ihres Ferritmaterials führen kann. Diese Situation tritt insbesondere als Folge der Tatsache auf, daß es hinter der Induktivität noch eine Verbindung über eine Diode zum Speicherkondensator gibt.
Überdies wirkt der Kondensator als Dämpfungsglied im Ausschaltmoment des Schalttransistors und verkleinert dadurch sein dV/dt, was zu geringeren Ausschaltverlusten im Schalttransistor führt. Der zweite Stromweg weist eine Strompumpenwirkung auf, deren Stärke durch die Induktivität und die Kapazität dieser Bauteile beeinflußt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden Text mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform näher erläutert, welche in der Figur dargestellt ist, in welcher:
Die Figur einen Eingangsschaltkreis für ein Schaltnetzteil auf der Grundlage des Sperrwandlerprinzips mit einer verringerten Oberwellenbelastung des Leitungsnetzes zeigt.
Das Schaltnetzteil in der Figur enthält einen Transformator TR mit den primärseitigen Wicklungen W1 und W2 und den sekundärseitigen Wicklungen W3 und W4. Die Primärwicklung W1 ist in Serie mit einem Schalttransistor T60 verbunden, welcher durch einen Steuerschaltkreis (welcher nicht in der Figur dargestellt ist) periodisch ein- und ausgeschaltet wird, wodurch Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite des Schaltnetzteils übertragen wird. Die Primärwicklung W1 ist über einen ersten Anschluß 1 mit einem Speicherkondensator C20 und über einen zweiten Anschluß 2 mit dem Schalttransistor T60 verbunden.
Eingangsseitig ist ein Gleichrichterelement angeordnet, welches in dieser beispielhaften Ausführungsform ein Brückengleichrichter BR ist, welcher mit der Netzspannung UN verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Brückengleichrichter BR in Serie verbunden mit einem Kondensator C10 mit einer geringen Kapazität und hinter einem Widerstand R10 mit einem, ersten Stromweg I1 mit einer ersten Diode D16, welche zu dem Speicherkondensator C20 führt, und mit einem zweiten Stromweg I2 mit einer Drossel L15, einer Induktivität L19 und einem Kondensator C19, welcher zu einem Abgriff A an der Primärwicklung W1 führt. Die Drossel L15 weist einen Eisenkern auf und repräsentiert zusammen mit einem Kondensator C18 ein Dämpfungsglied, weiches auf der einen Seite mit dem zweiten Stromweg I2 zwischen Drossel L15 und Induktivität L19 verbunden ist und auf der anderen Seite mit dem ersten Stromweg I1 hinter der Diode D16.
Der Kondensator C10 und der Widerstand R10 bewirken nur eine leichte Glättung des Ausgangssignals, welches am Brückengleichrichter BR vorhanden ist, so daß hinter dem Widerstand R10 im wesentlichen noch eine gleichgerichtete Sinusspannung anliegt. Wenn diese Sinus Spannung größer als der Spannungspegel am Speicherkondensator C20 ist, dann fließt ein Strom über die Diode D16 im ersten Stromweg I1 und lädt den Kondensator C20 auf. Parallel zur Diode D16 ist ein Kondensator C15 geschaltet, welcher die Stromspitzen durch die Diode D16 dämpft.
Der Stromweg I2 stellt eine weitere Verbindung zum Speicherkondensator C20 her, und diese weitere Verbindung ist in diesem Fall über die volle Periode der 50 Hz-Netzfrequenz aktiv, da bei der Durchschaltung des Schalttransistors T60 immer ein Strom über den Stromweg I2 und den Abgriff A an der Primärwicklung W1 fließt. In jeder Phase der Durchschaltung des Schalttransistors T60 wird in diesem Fall die Induktivität L19 im Sinne eines Energiespeichers geladen, jedoch durch den Kondensator C19 begrenzt, da durch diesen Kondensator C19 nur solange ein Strom fließt, bis er aufgeladen ist. Über eine Diode D18, welche auf der einen Seite mit der Induktivität L19 und der Kapazität C19 im zweiten Stromweg 12 verbunden ist und auf der anderen Seite mit dem ersten Stromweg I1 hinter der ersten Diode D16 verbunden ist, wird eine Verbindung in Richtung zum Ladekondensator C20 hergestellt. Das bewirkt, daß die Energie in der Induktivität L19 direkt an den Speicherkondensator C20 weitergegeben wird, ohne über den Umweg über den Abgriff A an der Primärwicklung W1 gehen zu müssen. Wenn der Schalttransistor T60 sperrt, dann liegt am Abgriff A eine größere Spannung an als die Spannung am Speicherkondensator C20, verursacht durch die Streuinduktivität in der Primärwicklung W1. Folglich entladen sich der Kondensator C19 und die Induktivität L19 über die Diode D18. Wenn der Schalttransistor T60 anschließend wieder durchschaltet, so beginnt dieser Zyklus wieder von vorne.
Diese Strompumpenwirkung wird durch Anschluß des zweiten Stromwegs an einer Mittelpunktsanzapfung, dem Abgriff A, des Transformators TR weiter begrenzt. Dies verhindert eine Überladung des Kondensators C20 in den Teillast- und Leerlauf Situationen. Eine Mittelpunktsanzapfung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Windungsverhältnis der Primärwicklung W1 zwischen dem ersten Anschluß 1 und dem Abgriff A und zwischen dem Abgriff A und dem zweiten Anschluß 2 etwa 1/3 bis 2/3 beträgt. Ausführungen, bei welchen der Abgriff A mit einem der Anschlüsse 1 oder 2 zusammenfällt, sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Strompumpenwirkung des Stromwegs 12 bewirkt die Aufladung des Kondensators C20 auf Spannungspegel, welche über den Spitzenpegeln der gleichgerichteten Netzspannung UN liegen können. Der Stromfluß durch den Stromweg I1 wird folglich beträchtlich reduziert. Es ist daher erforderlich dafür zu sorgen, daß der Kondensator C20 eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweist. Die Drossel L15 und der Kondensator C18 bilden ein LC-Glied mit hoher Trägheit, welche durch den Eisenkern der Drossel bewirkt wird. Die Wirkung dieser Strompumpe hängt außerdem von der Schaltfrequenz des Schaltnetzteils ab. Dieses Verhältnis ist kritisch im Fall eines Schaltnetzteils, welches eine lastabhängige Schaltfrequenz aufweist, da sich in diesem Fall die Schaltfrequenz bei einer verringerten Last erhöht. Dies hat zur Folge, daß die Wirkung des Leistungsfaktor-Korrekturschaltkreises zunimmt und der Kondensator C20 verstärkt geladen wird. Um eine Überladung dieses Kondensators zu vermeiden, kann die Mittelpunktsanzapfung des Abgriffs A an der Primärwicklung W1 in entsprechender Weise gewählt werden.
Ein Schaltnetzteil dieser Art kann insbesondere für Geräte der Unterhaltungselektronik mit einem höheren Leistungsbedarf, wie beispielsweise Fernsehgeräte, verwendet werden. Es sind jedoch ebenfalls Anwendungen, beispielsweise für Computer-Monitore und für professionelle Geräte, möglich. Das Schaltnetzteil in der Figur kann dem Bedarf entsprechend angepaßt werden und ist daher nur beispielhaft. Insbesondere braucht der Schalttransistor T60 nicht unbedingt ein Bipolartransistor zu sein, sondern deckt auch Feldeffekttransistoren und andere Typen von Transistoren ab.
Die Erfindung ist in der Figur beispielhaft für ein Schaltnetzteil beschrieben, welches nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitet. Die Erfindung ist jedoch genauso in anderen Schaltnetzteilen, beispielsweise in Durchflußwandlern, einsetzbar.

Claims

1. Schaltnetzteil, welches ein Gleichrichterelement (BR), einen Speicherkondensator (C20), einen Transformator (TR) mit einer Primärwicklung (W1), welche mit einem ersten Anschluß (1) mit dem Speicherkondensator (C20) und mit einem zweiten Anschluß (2) mit einem in Serie geschalteten Schalttransistor (T60) verbunden ist, aufweist, wobei das Schaltnetzteil einen ersten Stromweg (I1) mit einer ersten Diode (D16) enthält, wobei der erste Stromweg (I1) eine Verbindung zwischen dem Gleichrichterelement (BR) und dem Speicherkondensator (C20) herstellt, und wobei das Schaltnetzteil einen zweiten Stromweg (12) enthält, welcher eine Induktivität (L19) aufweist, welche eine Verbindung zwischen dem Gleichrichterelement (BR) und einem Abgriff (A) an der Primärwicklung (W1) herstellt, und wobei eine zweite Diode (D18), welche zum Speicherkondensator (C20) führt, am zweiten Stromweg (I2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C19) im zweiten Stromweg (I2) angeordnet ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (C19) derart gewählt ist, daß eine Strombegrenzung im zweiten Stromweg (I2) hergestellt wird.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzung derart gewählt ist, daß eine Sättigung der Kerne der Induktivität (L19) und der Primärwicklung (W1) verhindert wird.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C19) zwischen der Induktivität (L19) und dem Abgriff (A) angeordnet ist.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der zweiten Diode (D18) mit dem zweiten Stromweg (I2) zwischen der Induktivität (L19) und dem Kondensator (C19), liegt.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis der Primärwicklung (W1) zwischen dem ersten Anschluß (1) und dem Abgriff (A) und zwischen dem Abgriff (A) und dem zweiten Anschluß (2) etwa 1/3 bis 2/3 beträgt.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung ein LC-Glied (L15, C18) im zweiten Stromweg (I2) vor der Induktivität (L19) liegt, und dessen Kondensator (C18) mit dem ersten Stromweg (I1) verbunden ist.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Kapazität (C15, C17, C19) parallel zur ersten Diode (D16) und zur zweiten Diode (D18) geschaltet ist.

9. Schaltnetzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schaltnetzteil nach dem Sperrwandlerprinzip oder nach dem Durchflußwandlerprinzip arbeitet.