EP1290777A2

EP1290777A2 - Schaltwandler

Info

Publication number: EP1290777A2
Application number: EP01942860A
Authority: EP
Inventors: Harald Weinmeier; Andreas Kranister
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Siemens AG Oesterreich
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2003-03-12
Also published as: WO2001097368A2; US20040022080A1; CN1436394A; WO2001097368A3

Abstract

Schaltwandler zur Umsetzung einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Ausgangsgleichspannung (UA), bei welchem zumindest zwei Primärwicklungen (L1... L4; W1, W2) eines Übertragers (Tr) vorgesehen sind, und jede Primärwicklung über zumindest einen gesteuerten Schalter (T1... T4; T11... T22) an einem Eingangskondensator (C1... C4; C11 + C12; C21 + C22) liegt, wobei die Eingangskondensatoren ebenso wie die Serienschaltungen der Primärwicklungen mit den gesteuerten Schaltern in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung (UE) liegen und eine Ansteuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, alle gesteuerten Schalter gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schließen.

Description

SCHALTWANDLER

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltwandler zur Umsetzung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, mit einem Übertrager, der zumindest eine Primärwicklung aufweist, die in Serie mit einem gesteuerten Schalter an eine Gleichspannung legbar ist, mit zumindest einer Sekundärwicklung, der ein Gleichrichter) nachgeschaltet ist, und mit einer Ansteuerschaltung für den zumindest einen gesteuerten Schalter.

Schaltwandler dieser Art sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt geworden, sein es als Sperrwandler, sei es als Durchflusswandler. Sie werden zur Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte eingesetzt. Dazu kann beispielsweise auf Hirsch- mann/Hauenstein, „Schaltnetzteile", Verlag Siemens 1990; Thiel, „Professionelle Schaltnetzteilapplikationen", Franzis Verlag 1996 oder Klingenstein, „Schaltnetzteile in der Praxis", Vogel-Fachbuch 1988 verwiesen werden. Die Ansteuerschaltungen werden in der Regel zum Großteil in IC-Bausteinen realisiert, die in hohen Stückzahlen produziert werden und im Handel erhältlich sind.

Die Eingangsgleichspannung ist häufig eine sogenannte Zwischenkreisspannung, die durch Gleichrichten einer Netzspannung gewonnen wird. Dabei könnte die Zwischenkreisspannung, falls man eingangsseitig keinen Abwärtstransformator verwendet, auch sehr hoch sein, z. B. über 500 Volt aber auch 1600 Volt betragen. Bei so hohen Spannungen treten aber Probleme bezüglich der Spannungsfestigkeit der Eingangs(elektrolyt)kondensatoren einerseits und der gesteuerten Schalter, die meist Schalttransistoren sind, auf.

Man kann zur Lösung dieser Probleme verschiedene Wege gehen. Beispielsweise kann man mehrere Eingangskondensatoren in Serie schalten, doch muss man z. B. mit energieverzehrenden Widerständen eine Symmetrierung, d. h. gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die Kondensatoren herbeiführen. Möglich sind weiters Brückenschaltungen, wie z. B. in U. Tietze, Ch. Schenk, „Halbleiterschaltungstechnik", Springer- Verlag, 8. Auflage, Kapitel 18.7.2 beschrieben. Ausgesuchte, hochsperrende Schalttransistoren sind sehr teuer und bei der Serienschaltung von Schalttransistoren tritt gleichfalls das Problem der Symmetrierung auf.

In der DE 34 41 631 AI sind Lösungsansätze beschrieben, welche eine Anzahl von Transformatoren mit gesteuerten Schaltern primärseitig, z. B. sechs Einzeltransformatoren verwenden, welche eingangsseitig in Serie geschaltet sind. Die gleichgerichteten Ausgänge sind parallelgeschaltet. Die Eingangsgleichspannung ist auf mehrere Eingangskondensatoren aufgeteilt, z. B. auf sechs Kondensatoren. Kombinierte Wandler dieser Art sind zwar für hohe Eingangsgleichspannungen verwertbar, doch ist der Aufwand durch die Verwendung einzelner Transformatoren für jede Wandler-Untereinheit in jeder Hinsicht groß. Da die Toleranzen im Transformatorbau sehr groß sind, ist ein Symmetrieren, d. h. ein annähernd genaues Aufteilen der Teileingangsspannungen auf die einzelnen gesteuerten Schalter aufwändig. Falls Sperrwandler eingesetzt werden, muss für jeden Transformator eine Abmagnetisie- rungswicklung vorgesehen werden.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Schaltwandlers, der auch für hohe Eingangsgleichspannungen einsetzbar ist, ohne jedoch besondere Kosten oder einen großen Schaltungsaufwand zu verursachen, und das unabhängig von dem angewandten Wandlerprinzip.

Diese Aufgabe wird mit einem Schaltwandler der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem zumindest zwei Primärwicklungen vorgesehen sind, und jede Primärwicklung über zumindest einen gesteuerten Schalter an einem Eingangskondensator liegt, wobei die Eingangskondensatoren ebenso wie die Serienschaltungen der Primärwicklungen mit den gesteuerten Schaltern in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung liegen und die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, alle gesteuerten Schalter gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schließen.

Dank der Erfindung werden Schaltwandler geschaffen, die an hohen Eingangs- bzw. Zwi- schenkreisspannungen arbeiten können, wobei dennoch die Kosten in tragbaren Bereichen bleiben, da lediglich ein einziger Übertrager benötigt wird.

Eine zweckmäßige Variante zeichnet sich dadurch aus, dass jede Primärwicklung an jedem Wicklungsende in Serie mit je einem gesteuerten Schalter geschaltet ist, diese Serienschaltungen ihrerseits in Serie an der Eingangsgleichspannung liegen und von je einem Eingangskondensator überbrückt sind.

Diese Variante benötigt zwar mehr gesteuerte Schalter, doch kann deren Spannungsfestigkeit noch geringer sein. Weiters wirkt sich die Symmetrie der Schaltung positiv auf die Symmetrierung bzw. Aufteilung der Einganggleichspannung aus.

Bei der zuletzt genannten Variante ist es besonders zweckmäßig, wenn jede Primärwicklung eine Mittenanzapfung aufweist und jeder Eingangskondensator aus zwei in Serie geschalteten Teilkondensatoren besteht, wobei die Mittenanzapfung jeder Wicklung mit dem Verbindungspunkt der zugeordneten Teilkondensatoren verbunden ist. Hierdurch lässt sich die jeder Primärwicklung zugeordnete Eingangsspannung nochmals aufteilen, sodass Kondensatoren geringer Spannungsfestigkeit einsetzbar sind. Bei einer Ausbildung des Schaltwandlers als Durchflusswandler ist es zweckmäßig, wenn der Übertrager eine über eine Sperrdiode an der Eingangsgleichspannung liegende Abmagnetisierangswicklung besitzt.

Andererseits kann man das Auslangen ohne Abmagnetisierangswicklung finden, falls jeder Primärwicklung zwei Rückflussdioden zugeordnet sind, wobei je eine Diode die Serienschaltung der jeweiligen Primärwicklung mit einem ihrer gesteuerten Schalter überbrückt.

Zur Vermeidung von Sättigungszuständen des Übertragers empfiehlt es sich, wenn die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, die gesteuerten Schalter unter Einhaltung eines Tastver- hältnisses, das kleiner als 0,5 ist, anzusteuern.

Im Hinblick auf eine optimale Aufteilung der Eingangsgleichspannung ist es ratsam, wenn sämtliche Eingangskondensatoren einerseits und Primärwicklungen andererseits gleich dimensioniert sind.

Im Sinne einer spezifisch geeigneten Ansteuerang der Schalter ist eine Ausführung empfehlenswert, bei welcher die Ansteuerschaltung einen Pulsweitenmodulator aufweist, der über einen Treiberschalter die Primärwicklung eines Ansteuerübertragers an eine Hilfsgleichspannung schaltet, wobei der Übertrager eine der Auswahl der gesteuerten Schalter entsprechende Anzahl von Sekundärwicklungen aufweist, deren Ausgangsspannungen zur Ansteuerang der gesteuerten Schalter herangezogen sind.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

• Fig. 1 in einem vereinfachten Schaltbild eine erste Ausführangsform eines als Durchflusswandler ausgebildeten Schaltwandlers nach der Erfindung,

• Fig. 2 in einem Prinzipschaltbild und unter Weglassung der Ansteuerschaltung eine zweite Ausführangsform der Erfindung, gleichfalls als Durchflusswandler ausgebildet, und

• Fig. 3 eine Ansteuerschaltung, die besonders für Schaltwandler nach der Erfindung geeignet ist, in einem Prinzipschaltbild.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein Schaltwandler nach der Erfindung einen Übertrager Tr mit vier Primärwicklungen Ll, L2, L3, L4, einer Sekundärwicklung L5 und einer Abmagnetisierangswicklung L_a.

Jede Primärwicklung Ll ... L4 liegt in Serie mit einem gesteuerten Schalter Tl ... T4 an einem Eingangskondensator Cl ... C4, wobei alle diese Kondensatoren in Serie geschaltet an eine Eingangsgleichspannung U_E legbar sind. Die einzelnen Serienschaltungen Ll-Tl, ..., L4-T4 der Primärwicklungen mit den ihnen zugeordneten Schaltern liegen gleichfalls in Serie an der Eingangsgleichspannung U_E.

Der Sekundärwicklung L5 ist ein Gleichrichter Dl mit einer sekundären Drossel L6 und einem Ausgangskondensator C5 nachgeschaltet. An Letzterem liegt die Ausgangsgleichspannung U_A des Wandlers. Eine Freilaufdiode D2 führt von Masse zu dem Verbindungspunkt der Gleichrichterdiode Dl mit der Sekundärdrossel L6.

Zur Ansteuerang der gesteuerten Schalter Tl ... T4, die beispielsweise als Feldeffekttransistoren realisiert sind, dient eine Ansteuerschaltung AST, die sich von üblichen Ansteuerschal- tungen lediglich dadurch unterscheidet, dass bei der Erfindung zwei oder mehr, hier vier, Schalter Tl ... T4 so angesteuert werden, dass sie gleichzeitig öffnen bzw. schließen. Zur Regelung, z. B. auf konstante Ausgangsspannung, kann der Ansteuerschaltung ein entsprechendes Ist-Signal zugeführt sein, wie hier in Fig. 1 z. B. die Ausgangsspannung U_A- Eine mögliche Ansteuerschaltung wird weiter unten etwas näher erläutert.

Die vorhin erwähnte Abmagnetisierangswicklung liegt einerseits an (primärer) Masse und andererseits über eine Diode D3 an der Eingangsgleichspannung U_E. Sie dient bei Flusswandlern in bekannter Weise zur Entmagnetisierung des Übertragerkerns.

Für den Fachmann sollte es klar sein, dass die Erfindung auch als Sperrwandler realisierbar ist. In diesem Fall könnte in Fig. 1 die sekundäre Drossel L6 entfallen, ebenso die Abmagnetisierangswicklung L_, und die Sekundärwicklung L5 wäre gegensinnig gepolt. Auf diese Weise wird die im Kern gespeicherte Energie nicht mehr in die Eingangskondensatoren Cl ... C4 zurück entladen, sondern in den Ausgangskondensator C5 bzw. eine Last LAS.

Da die gesteuerten Schalter Tl ... T4 gleichzeitig ein- und ausschalten, wobei jeweils Strom aus den in Serie geschalteten Eingangskondensatoren Cl ... C4 in die Primärwicklungen Ll ... L4 fließt, werden die Kondensatoren auch automatisch symmetriert, d. h. die Eingangsspannung U_E teilt sich zu gleichen Teilen, hier je einem Viertel, auf die Kondensatoren auf. Durch diese Kaskadierung ist es möglich, auch bei hoher Eingangsgleichspannung U_E Schalttransistoren geringerer Spannungsfestigkeit zu verwenden. Gleiches gilt für die Eingangskondensatoren Cl - C4, die dann z. B. auch bei einer Eingangsspannung von beispielsweise 1200 Volt nur für je 300 Volt dimensioniert werden müssen, sodass ohne Probleme Elektrolytkondensatoren verwendbar sind.

Die Ausführung nach Fig. 2 ist gleichfalls als Flusswandler ausgebildet und besitzt zwei Primärwicklungen Wl, W2 mit Mittenanzapfungen ml, m2, wobei jeder Halbwicklung Wl 1, W12, W21, W22 ein Kondensator Cl l, C12, C21, C22 zugeordnet ist. Diese Kondensatoren, die hier auch als Teilkondensatoren bezeichnet werden, liegen in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung U_E. Die Schaltung nach Fig. 2 ist auch ohne Mittenanzapfung denkbar, wobei dann statt der Teilkondensatoren Cll, C12 ein Kondensator Cl' und statt der Teilkondensatoren C21, C22 ein Kondensator C2' vorgesehen wäre, wie in Fig. 2 in Klammern eingezeichnet.

An jedes Ende der Primärwicklungen Wl bzw. W2 schließt je ein gesteuerter Schalter TU, T12 bzw. T21, T22 an, und die Serienschaltungen T11-W1-T12, T21-W2-T22 liegen ihrerseits in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung U_E.

Zur Abmagnetisierung des Übertragerkerns sind bei der Variante nach Fig. 2 Abmagnetisie- rangsdioden DU ... D22 vorgesehen, wobei je eine Diode, z. B. DU bzw. Dl 2, die Serienschaltung der jeweiligen Primärwicklung, z. B. Wl, mit einem ihrer gesteuerten Schalter, z. B. TU bzw. T12, überbrückt. Durch die Anwendung der Rückflussdioden kann hier eine eigene Abmagnetisierangswicklung entfallen, und es wird sichergestellt, dass die gesteuerten Schalter nicht durch hohe, durch die Streuinduktivität des Übertragers hervorgerufene Abschaltspannungen gefährdet werden.

Sekundärseitig entspricht die Ausführung nach Fig, 2 jener nach Fig. 1, doch können hier alle dem Fachmann bekannten Konzepte verwendet werden, insbesondere auch mehrere Sekundärwicklungen, um galvanisch getrennte, unterschiedliche Ausgangsspannungen zu erhalten.

Auch bei der Ausführung nach Fig. 2 ist eine Ansteuerschaltung, wie z. B. die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene, dazu eingerichtet, alle vier gesteuerten Schalter TU ... T 22, z. B. Feldeffekttransistoren, gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schließen. Beim Sperren der Transistoren ist ein Stromfluss durch die Dioden Dl 1, D 12 bzw. D21, D22 in die Kondensatoren Cll, C12 bzw. C21, C22 gewährleistet, sodass - wie oben erwähnt - eine Abmagnetisierangswicklung nicht nötig ist. Die Primärinduktivitäten werden auf die gleiche Spannung abmagnetisiert, mit der sie aufmagnetisiert wurden. Aus diesem Grande wird zweckmäßigerweise das Tastverhältnis des Ansteuerpulses kleiner als 0,5 gewählt.

Wenngleich es dem Fachmann bekannt ist, soll erwähnt werden, dass sich die Spannungsfestigkeit der Schalttransistoren nicht ausschließlich nach der Höhe der - hier aufgeteilten - Eingangsspannung zu richten hat, sondern - wegen der Abschaltspannungen - auch nach dem Tastverhältnis und dem Verhältnis der Primär- zu den Sekundärinduktivitäten. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sollte - ausgehend von einer Eingangsgleichspannung U_E = 1600 Volt die Spannungsfestigkeit der Schalttransistoren 800 Volt betragen, wogegen die Betriebsspannung der Kondensatoren lediglich 400 Volt betragen muss. Die Sperrspannung der Rückfluss- bzw. Abmagnetisierungsdioden DU ... D22 muss nicht höher als 800 - 1000 Volt sein. In Fig. 3 ist eine Ansteuerschaltung AST gezeigt, die zur Ansteuerang der vier Schalter Tl 1 - T22 der Fig. 2 verwendbar ist. Kern der Ansteuerschaltung ist ein bekannter, in vielen Varianten im Handel erhältlicher Pulsweitenmodulator PWM, der von einer Hilfsspannung U_H gespeist wird. Letztere kann beispielsweise mittels einer zusätzlichen Wicklung des Übertragers und eines Gleichrichters samt Glättungsmitteln gewonnen werden. Dem Pulsweitenmodulator ist zum Zwecke der Regelung die Ausgangsspannung U_A, eine dieser proportionale Spannung und/oder ein Stromistwert zugeführt.

Der Pulsweitenmodulator PWM steuert einen Treibertransistor Ml an, der in Serie mit einer Primärwicklung L_p eines Ansteuerübertragers Tr an der Hilfsgleichspannung U_H Hegt. Parallel zu der Primärwicklung liegt die Serienschaltung einer Zenerdiode DZ mit einer Diode D_a, wodurch beim Abschalten ein Abmagnetisieren über die Zenerdiode erfolgen kann.

Der Ansteuerübertrager T_a, welcher zur galvanischen Trennung der auf verschiedenen Potentialen liegenden Schalttransistoren TU - T22 von dem Pulsweitenmodulator PWM dient, besitzt die erforderliche Anzahl von Sekundärwicklungen Lsl ... Ls4, hier vier. Das Schaltsignal wird über eine Diode Dsl und einen Widerstand Rsl l zu dem Gate des ersten Schalttransistors TU geführt und über einen Basiswiderstand Rs21 zu der Basis eines Transistors Tsl geführt. Bei positivem Ansteuersignal wird die Eingangskapazität des angesteuerten Feldeffekttransistors TU über die Diode Dsl und den Widerstand Rsl l aufgeladen. Da das Abmagnetisieren langsamer vor sich geht als das Magnetisieren, wird bei Ausschalten des Treibertransistors Ml der Transistor Tsl leitend, und die Ladung der Eingangskapazität des Feldeffekttransistors TU kann über den Kollektorwiderstand Rs31 des Transistors Tsl entladen werden. Die Beschattung der weiteren Sekundärwicklungen des Ansteuerübertragers T_a, von welchen nur die erste und die vierte gezeigt sind, sind identisch ausgeführt, und auch ihre Funktion erfolgt identisch und simultan.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltwandler zur Umsetzung einer Eingangsgleichspannung (U_E) in eine Ausgangsgleichspannung (U_A), mit einem Übertrager (Tr), der zumindest eine Primärwicklung (Ll ... L4; Wl, W2) aufweist, die in Serie mit einem gesteuerten Schalter (Tl ... T4, TU ... T22) an eine Gleichspannung legbar ist, mit zumindest einer Sekundärwicklung (L5; W3), der ein Gleichrichter (Dl) nachgeschaltet ist, und mit einer Ansteuerschaltung (AST) für den zumindest einen gesteuerten Schalter,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest zwei Primärwicklungen (Ll ... L4; Wl, W2) vorgesehen sind, und jede Primärwicklung über zumindest einen gesteuerten Schalter (Tl ... T4; TU ... T22) an einem Eingangskondensator (Cl ... C4; Cl l + C12; C21 + C22) liegt, wobei die Eingangskondensatoren ebenso wie die Serienschaltungen der Primärwicklungen mit den gesteuerten Schaltern in Serie geschaltet an der Eingangsgleichspannung (U_E) liegen und die Ansteuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, alle gesteuerten Schalter gleichzeitig zu öffnen bzw. zu schließen.

2. Schaltwandler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Primärwicklung an jedem Wicklungsende in Serie mit je einem gesteuerten Schalter (TU, T12; T21, T22) geschaltet ist, diese Serienschaltungen (T11-W1-T12; T21-W2-T22) ihrerseits in Serie an der Eingangsgleichspannung (U_E) liegen und von je einem Eingangskondensator (Cl', C2') überbrückt sind.

3. Schaltwandler nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Primärwicklung (Wl, W2) eine Mittenanzapfung (ml, m2) aufweist und jeder Eingangskondensator (Cl', C2') aus zwei in Serie geschalteten Teilkondensatoren (Cll, C12; C21, C22) besteht, wobei die Mittenanzapfung jeder Wicklung mit dem Verbindungspunkt der zugeordneten Teilkondensatoren verbunden ist.

4. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (Tr) eine über eine Sperrdiode (D3) an der Eingangsgleichspannung (UE) liegende Abmagnetisierangswicklung (L_a) besitzt.

5. Schaltwandler nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Primärwicklung (Wl l ... W22) zwei Abmagnetisierangsdioden (DU ... D22) zugeordnet sind, wobei je eine Diode (DU bzw. D12) die Serienschaltung der jeweiligen Primärwicklung (Wl) mit

^' einem ihrer gesteuerten Schalter (Tl 1 bzw. T12) überbrückt.

6. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (AST) dazu eingerichtet ist, die gesteuerten Schalter (Tl ... T4; TU ... T22) unter Einhaltung eines Tastverhältnisses, das kleiner als 0,5 ist, anzusteuern.

7. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Eingangskondensatoren (Cl ... C4; Cl l ... C22) einerseits und Primärwicklungen (Ll ... L4; Wl, W2) andererseits gleich dimensioniert sind.

8. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (AST) einen Pulsweitenmodulator (PWM) aufweist, der über einen Treiberschalter (Ml) die Primärwicklung (L_p) eines Ansteuerübertragers (T_a) an eine Hilfsgleichspannung (U_H) schaltet, wobei der Übertrager (T_a) eine der Auswahl der gesteuerten Schalter (Tl ... T4; TU ... T22) entsprechende Anzahl von Sekundärwicklungen (L_Sι ... Ls₄) aufweist, deren Ausgangsspannungen zur Ansteuerang der gesteuerten Schalter herangezogen sind.