SE452826B

SE452826B - Power converter for generating regulated DC voltage

Info

Publication number: SE452826B
Application number: SE8104843A
Authority: SE
Inventors: R P Boetticher; W R Tombs
Original assignee: Singer Co
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1981-08-14
Publication date: 1987-12-14
Also published as: DE3131729A1; IT8123513A0; IL63326A0; NO812682L; NO159568B; GB2095439A; NO159568C; FR2488752B1; JPS5755777A; IL63326A; CA1179015A; FR2488752A1; IT1139128B; SE8104843L; AU7369581A; GB2095439B; AU542899B2

Description

15 20 25 30 35 452 826 2 ningarna i kretsen i jämförelse med sådana i konventionella reglerkretsar. Tidigare reglertekniker alstrar pulsations- strömmar som var lika med utgående belastningsström och med- för att utgångsfiltret måste vara överdimensionerat. Den föreliggande kretsen reducerar pulsationsströmmen till en tredjedel av utgående belastningsström och följaktligen är allt vad som behövs en tredjedel så stor filtrering. Vidare möjliggör användningen av dubbelkopplade transformatorer en enkel och effektiv parallellmatning av omkopplartransistor- erna och utgångslikriktarna, varigenom den elektriska på- verkan på var och en reduceras. 15 20 25 30 35 452 826 2 in the circuit in comparison with those in conventional control circuits. Previous control techniques generate pulsation currents that were equal to the output load current and mean that the output filter must be oversized. The present circuit reduces the pulsation current to one third of the output load current and consequently all that is needed is one third as much filtering. Furthermore, the use of double-connected transformers enables a simple and efficient parallel supply of the switch transistors and the output rectifiers, whereby the electrical influence on each is reduced.

Föredragen utföringsform Ovan angivna ändamål med och fördelar hos den före- liggande uppfinningen kommer att framgå mer i detalj i sam- band med den följande beskrivningen som ges i samband med bifogade ritningar, där fig. 1 visar ett grundläggande blockschema för den föreliggande uppfinningen, fig. 2 visar ett elektriskt kopplingsschema för den föreliggande uppfinningen och åskådliggör en pulsbreddmodu- lerande styrenhet i blockform, fig. 3 visar en logikkrets där den pulsbreddmodule- rande styrenheten visas i detalj och fig. H visar ett samlat tidkurvediagram för signal- flödet vid blika I fig. 1 den föreliggande punkter i ínverteraren enligt uppfinningen. återges ett grundläggande blockschema för inverteraren. En pulsbreddmodulerande styr- enhet 16 alstrar en pulsbreddmodulerad (PBM) fyrkantvâg med en arbetscykel som utgör en funktion av den utspänning som erhålles på klämman 12. En transformator 18 matar den modu- lerade fyrkantvågen till effektomkopplarna 20, som verkan på den oreglerade likspända inspänningen 10. Utsignalen från effektomkopplarna matas till ett filter 22 som utför den slutliga likspänningsregleringen. En återkoppling mellan ut- spänningen och PBM-styrenheten 16 erhålles genom ledningen lb.Preferred Embodiment The above objects and advantages of the present invention will become more apparent in connection with the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: Fig. 1 shows a basic block diagram of the present invention; Fig. 2 shows an electrical circuit diagram of the present invention and illustrates a pulse width modulating control unit in block form, Fig. 3 shows a logic circuit where the pulse width modulating control unit is shown in detail and Fig. H shows an overall time curve diagram of the signal flow at sheet I Fig. 1 shows the present points in the inverter according to the invention. shows a basic block diagram of the inverter. A pulse width modulating controller 16 generates a pulse width modulated (PBM) square wave with a duty cycle that is a function of the output voltage obtained at terminal 12. A transformer 18 supplies the modulated square wave to the power switches 20, as an effect on the unregulated DC voltage 10. The output of the power switches is fed to a filter 22 which performs the final DC control. A feedback between the output voltage and the PBM control unit 16 is obtained through the line 1b.

Pig. 2 åskådliggör anläggningen mer i detalj: PBM- 10 15 20 25 30 35 452 326 3 styrenheten 16, som kortfattat nämndes i samband med fig. 1, innefattar en ingång ZH ansluten till en källa B+. En ström- avkännande ledning 26 tillför en ytterligare insignal till styrenheten och avkänner strömmen på ínverterarens utgång På samma sätt matar led- till styrenheten 16 och såsom kommer att förklaras nedan. ningen 27 en ytterligare insignal tjänar till att avkänna spänningen på inverterarens ut-' gång. En gemensam återkoppling för styrenhetens 16 och in- verterarens utsígnal uppträder på ledningen 28.Pig. 2 illustrates the plant in more detail: the control unit 16, which was briefly mentioned in connection with Fig. 1, comprises an input ZH connected to a source B +. A current sensing line 26 supplies an additional input signal to the control unit and senses the current at the output of the inverter. In the same way, the supply line leads to the control unit 16 and as will be explained below. an additional input signal serves to sense the voltage at the output of the inverter. A common feedback for the control unit 16 and the inverter output signal appears on the line 28.

Transformatorns 18 primärlindning är ansluten till styrenhetens utgång och innefattar övre och nedre klämmor 3H samt ett mittuttag 32. Transformatorns sekundär- H8 samt 30 resp. lindning innefattar övre och nedre klämmor 36 resp. ett mittuttag H2, som är anslutet till àtergångspotentialen för ínspänningen via anslutningsledningen 43. Den pulsbredd- modulerade (PBM) fyrkantvågen från styrenheten 16 är trans- formatorkopplad via transformatorn 18 till en gemensam emit- terkopplingspunkt på en effektomkopplare innefattande tran- sistorerna H0, H6. Transístorernas H0, H6 emíttrar H5 resp. ÄH är anslutna till míttuttaget H2 på transformatorn 18, som är förbundet med inspänningens återgàngspotential. Transis- torns 40 bas 38 är ansluten till den övre sekundärlindnings- klämman 36 medan transistorns 46 bas 50 är ansluten till den nedre klämman H8 på transformatorns 18 sekundärlindning och därmed fullända ingången till de effektomkopplade transís- torerna. Utsignalen från transistorerna matas till primär- lindningarna pä de dubbelkopplade transformatorerna 56, 57.The primary winding of the transformer 18 is connected to the output of the control unit and comprises upper and lower terminals 3H and a central socket 32. The secondary H8 of the transformer and 30 resp. winding comprises upper and lower clamps 36 resp. a center terminal H2, which is connected to the return potential of the input voltage via the connection line 43. The pulse width modulated (PBM) square wave from the control unit 16 is connected to a transformer via the transformer 18 to a common emitter switching point on a power switch comprising the transistors H0. Transistors H0, H6 emit H5 resp. ÄH are connected to the center socket H2 on the transformer 18, which is connected to the return potential of the input voltage. The base 38 of the transistor 40 is connected to the upper secondary winding terminal 36 while the base 50 of the transistor 46 is connected to the lower terminal H8 of the secondary winding of the transformer 18 and thus complete the input of the power-switched transistors. The output signal from the transistors is fed to the primary windings on the double-coupled transformers 56, 57.

Närmare bestämt är transistorns H0 kollektor 52 ansluten till den övre klämman på transformatorprimärlindningen SH medan den nedre_klämman 59 pà primärlindningen SH är ansluten till potential via ledningen 60. inspänningens positiva Inspän- ningen stabiliseras av kondensatorn 6H som ligger över in- observeras att den nedre klämman på primär- 56) är direkt ansluten till gången. Det kan lindningen SH (transformatorn den övre klämman på primärlindningen 61 (transformatorn 57) så att tidigare nämnd positiv potential likaledes matas till primärlindningens 61 övre klämma. Transistorns 46 kollektor 10 15 20 25 30 35 452 sze I U är ansluten till den nedre klämman på primärlindningen 61 via anslutningsledningen 58.More specifically, the collector 52 of the transistor H0 is connected to the upper terminal of the transformer primary winding SH while the lower terminal 59 of the primary winding SH is connected to potential via line 60. The positive voltage of the voltage is stabilized by the capacitor 6H above it is observed that the lower terminal of primary- 56) is directly connected to the aisle. The winding SH (the transformer the upper terminal of the primary winding 61 (the transformer 57) can so that the previously mentioned positive potential is likewise fed to the upper terminal of the primary winding 61. The collector of the transistor 46 is connected to the lower terminal of the primary winding. 61 via the connection line 58.

Under funktion matas de modulerade fyrkantvågorna från transformatorn 18 till effektomkopplarens transistorer 40, H6, som arbetar som mättade omkopplare med 180 graders fasförskjutning relativt varandra. Medan transistorn H0 är ledande håller strömmen fortfarande på att byggas upp i transformatorn 56 och när transistorn H0 bryter träder transistorn H6 i funktion och arbetar med 180 graders fas- förskjutning relativt transistorn H0. Den övre klämman på sekundärlindningen 66 (transformatorn 56) är ansluten till anoden på en diod 68 medan den nedre klämman på sekundär- lindningen 72 (transformatorn 57) är ansluten till diodens 7u anod. Diodernas 68, 7u katoder är parallellkopplade till ledningen 76. När transistorn H0 är ledande är polariteten sådan att dioden 68 är förspänd i backriktningen. När tran- sistorn H0 bryter blir dioden 68 framâtförspänd och belast- ningsströmmen frammatas tills transistorn 40 ånyo blir ledan- de. Diodens 7H funktion utnyttjar på liknande sätt tran- sistorns H6 omkoppling och matar via transformatorn 57. Dio- den 74 arbetar emellertid med 180 graders fasförskjutning relativt dioden 68.During operation, the modulated square waves are supplied from the transformer 18 to the transistors 40, H6 of the power switch, which operate as saturated switches with a 180 degree phase shift relative to each other. While the transistor H0 is conducting, the current is still building up in the transformer 56 and when the transistor H0 breaks, the transistor H6 comes into operation and works with a 180 degree phase shift relative to the transistor H0. The upper terminal of the secondary winding 66 (transformer 56) is connected to the anode of a diode 68 while the lower terminal of the secondary winding 72 (transformer 57) is connected to the anode of the diode 7u. The cathodes of the diodes 68, 7u are connected in parallel to the line 76. When the transistor H0 is conducting, the polarity is such that the diode 68 is biased in the reverse direction. When the transistor H0 breaks, the diode 68 is biased forward and the load current is supplied until the transistor 40 becomes conductive again. The function of the diode 7H similarly utilizes the switching of the transistor H6 and supplies via the transformer 57. However, the diode 74 operates with a 180 degree phase shift relative to the diode 68.

Diodens 68 katod är via en ledning 76 ansluten som den positiva potentialpunkten 77 för utspänningen. Kopplings- punkten 70 mellan den nedre klämman på sekundärlindningen 56 (transformatorn 56) och den övre klämman på sekundärlind- ningen 72 (transformatorn 57) utgör den gemensamma klämman 28 för utspänningen. För att avkänna strömflödet genom inver- terarens utgångsdel är en resistor 80 inkopplad mellan den gemensamma klämman 28 och förbindelsepunkten 70 mellan sekun- därlindningarna i transformatorerna 56, 57. Den tidigare an- givna strömavkännarledningen 26 utför sin strömavkännande funk- tion genom att övervaka en liten spänning över resistorn 80 och därmed de ett överströmsskydd. Kondensatorerna 82, BH överbryggar utspänningsklämmorna för att filtrera utspän- ningen och sålunda ge en välreglerad matning.The cathode of the diode 68 is connected via a line 76 as the positive potential point 77 for the output voltage. The connection point 70 between the lower terminal of the secondary winding 56 (the transformer 56) and the upper terminal of the secondary winding 72 (the transformer 57) constitutes the common terminal 28 for the output voltage. To sense the current flow through the output part of the inverter, a resistor 80 is connected between the common terminal 28 and the connection point 70 between the secondary windings in the transformers 56, 57. The previously indicated current sensor line 26 performs its current sensing function by monitoring a small voltage across resistor 80 and thus they provide an overcurrent protection. Capacitors 82, BH bridge the output voltage terminals to filter the output voltage and thus provide a well-regulated supply.

I fig. 3 visas PBM-styrenheten 16 innehålla en 10 15 20 25 30 35 452 826 5 operationsförstärkare 86 som tjänar som en felspänningsför- stärkare. En första insignal till förstärkaren matas längs ledningen 88, som är ansluten till källan B+ vid 24 via resistorn 90. Utspänningens negativa potential längs led- ningen 28 är parallellkopplad med insignalen 88 till för- stärkaren 86 via zenerdioden 9H. Förstärkarens 86 andra in- gång 96 matar en positiv potential från utspänningskällan längs ledningen 77. Förstärkarens 86 utgång 98 ger en felsig- nal mellan referensspänningen B+ och utspänningen. En andra operationsförstärkare 100, som tjänar som en strömfelsför- stärkare, har en första insignal inmatad från ledningen 104 till den gemensamma klämman 28 för utspänningen medan en andra insignal, som uppträder på ledningen 26, utgörs av den ut- gängsström som går genom resistorn 80 (fig. 2), så att för- stärkaren 100 utgör en strömavkännande anordning för upp- nående av överströmsskydd. Förstärkarens 100 utgång är an- sluten till förstärkarens 86 utgång via ledningen 102 till en punkt 106, som i sin tur är ansluten som en första ingång 108 till en komparator 110. Komparatorn är en operationsför- stärkare med stor förstärkning. För att förstå meningen med en andra ingång 115 på komparatorn 110 hänvisas till en oscillator 112, som genererar klocksignaler vilka inmatas på en integrator 11N för att integrera triggpulssignalerna till att bilda en sågtandsvåg, såsom antyds på integratorns 11% utgång. Överlagringen av likströmssignalnivån på kompa- ratorn 110 och sågtandinsignalen på komparatorn illustreras vid ledningen 126 från komparatorns 110 utgång. En pulsbredd- modulerad signal uppträder och såsom visas vid ledningen 126 har den nollgenomgångar vid de punkter där skärning före- ligger mellan sågtandsignalen och likspänningssignalen PBM- signalen på ledningen 126 parallellmatas till NOCH-grindar 120, 12U. En andra ingång 118 på NOCH-grinden 120 utgörs av utgången på en vippa 117 medan en komplementär utsignal 122 från vippan 117 driver en andra ingång på NOCH-grinden 12k. Ändamålet med vippan 117 är att aktivera grindarna 120, 12k synkront med klockpulserna till vippan 117 när de uppträder på oscillatorns utledning 116. Grindarna 120, 124 aktiveras 10 15 452 826 6 med 180 graders fasförskjutning relativt varandra. Skill- naden i fasledníng leds från respektive utklämma 128, 129 till den övre och nedre primärlindningsklämman 30, 34. En referensspänning, nämligen B+, är ansluten till míttut- taget 32 på transformatorns 56 primärlindníng via en halv- ledande strömkälla 130. De PBM-pulser som uppträder på transformatorns 56 primärlindning matas till den efter- följande inverterarkretsen såsom förklarats ovan i samband med fig. 2.Fig. 3 shows the PBM control unit 16 containing an operational amplifier 86 which serves as a fault voltage amplifier. A first input signal to the amplifier is supplied along the line 88, which is connected to the source B + at 24 via the resistor 90. The negative potential of the output voltage along the line 28 is connected in parallel with the input signal 88 to the amplifier 86 via the zener diode 9H. The second input 96 of the amplifier 86 supplies a positive potential from the output voltage source along the line 77. The output 98 of the amplifier 86 provides an error signal between the reference voltage B + and the output voltage. A second operational amplifier 100, which serves as a current fault amplifier, has a first input signal input from line 104 to the common terminal 28 for the output voltage, while a second input signal appearing on line 26 is constituted by the output current passing through resistor 80. (Fig. 2), so that the amplifier 100 constitutes a current sensing device for obtaining overcurrent protection. The output of the amplifier 100 is connected to the output of the amplifier 86 via the line 102 to a point 106, which in turn is connected as a first input 108 to a comparator 110. The comparator is a high-power operational amplifier. To understand the meaning of a second input 115 on the comparator 110, reference is made to an oscillator 112, which generates clock signals which are input to an integrator 11N to integrate the trigger pulse signals to form a sawtooth wave, as indicated on the 11% output of the integrator. The superposition of the DC signal level on the comparator 110 and the sawtooth input signal on the comparator is illustrated at line 126 from the output of comparator 110. A pulse width modulated signal occurs and as shown at line 126, it has zero crossings at the points where intersection exists between the sawtooth signal and the DC signal. The PBM signal on line 126 is fed in parallel to NOR gates 120, 12U. A second input 118 on the NOR gate 120 is the output of a flip-flop 117 while a complementary output 122 from the flip-flop 117 drives a second input on the NOR gate 12k. The purpose of the rocker 117 is to activate the gates 120, 12k synchronously with the clock pulses of the rocker 117 when they occur on the oscillator discharge 116. The gates 120, 124 are activated with a 180 degree phase shift relative to each other. The difference in phase line is conducted from the respective terminals 128, 129 to the upper and lower primary winding terminals 30, 34. A reference voltage, namely B +, is connected to the center terminal 32 on the primary winding of the transformer 56 via a semiconductor current source 130. The PBM- pulses appearing on the primary winding of the transformer 56 are fed to the subsequent inverter circuit as explained above in connection with Fig. 2.

Pig, U återger tidkurvorna för signalvàgformer vid olika punkter i inverterarens krets såsom anges i figuren.Pig, U represents the time curves for signal waveforms at different points in the inverter circuit as shown in the figure.

Det bör inses att uppfinningen ej är begränsad till exakt den detaljkonstruktion som beskrivits ovan och visats på ritningarna utan att även modifieringar är tänkbara för fackmannen. fxIt should be understood that the invention is not limited to exactly the detailed construction described above and shown in the drawings without modifications being conceivable to those skilled in the art. e.g.

Claims

10 15 20 25 452 826 n. PATENT REQUIREMENTS

Power converter for generating a tiled Uk voltage and comprising means (16) connected to the input (2H) for input of output voltage to generate a pulse signal with a duty cycle which constitutes a function of the output voltage, wherein power switching means (HO , H6) are controllable by an unregulated input DC voltage and have their input connected to the output of the generating means (16) for driving the switching means, the output of which is connected to filter means (82, SH) for generating the regulated output voltage, k ä characterized in that the power switching means (40, H6) comprise first and second transistors with each first and second terminals (HH, H5 and 52, 58, respectively), which first terminals (RH, H5) are interconnected, and first and second transformer primary windings (56, 57) with each first and second terminals (59 and SH, 56, respectively), which first terminals (59) are connected, means connecting the second terminals (54, 58) of the windings to the respective second terminal (52 , 58) on the transistors (40, H6) and means are arranged to connect the unregulated input DC voltage to the first terminals (59) of the windings, while the first and second transformer-secondary windings (66, 72) each have first and second connection terminals of which the first the connection terminals are interconnected and the other connection terminals are each connected to rectifier means (68, 7U).

A converter according to claim 1, characterized in that the filter means (82, 84) are connected to the outputs of the rectifier means (88, 7U).