SE511081C3 - Stroemriktare av forward-typ - Google Patents

Description

511 081 2 dande/icke-ledande), men att momentana undantag kan in- träffa i samband med ändringen av tillstànd.

Uppfinningen avser speciellt en konverter avsedd för att alstra låga utspänningar av under 5V och omfattan- de synkron likriktning. Konvertrar där synkron likriktning används kan i stora drag indelas i två huvudgrupper: con- trol-driven och self-driven. Föreliggande uppfinning avser den första huvudgruppen, dvs. control-driven forward-kon- vertrar.

En känd forward-konverter i kontinuerlig mod styrs av en i primärkretsen anordnad transistorkoppling och tvá i sekundärkretsen anordnade transistorkopplingar.

Ifrágavarande kretslösning omfattar en reglerkrets för re- glering av konverterns utspänning. Reglerkretsen håller utspänningen på önskad nivà genom användning av pulsbredd- modulation (PWM), dvs. mellan ON- och OFF-periodernas längder i konverterns tran- genonl reglering' av förhållandet sistorkopplingar.

Det är ytterst viktigt för funktionen av en for- ward-konverter i kontinuerlig mod att transistorkoppling- arna i konverterns sekundärkrets är sinsemellan synkroni- serade, så att de inte samtidigt är ledande i något skede.

Tom. momentan samtidig konduktivitet kan förorsaka felak- tig urladdning av den i lindningen lagrade energin. I det- ta fall är det ytterst sannolikt att sekundärspänningens nivà betydligt avviker från önskad nivå, varvid åtminstone konverterns verkningsgrad betydligt avviker frän det öns- kade.

Den ovan nämnda kända konvertern omfattar en styrenhet för styrning av sekundärkretsens kopplingstran- sistorer. Styrenheten styr sekundärkretsens transistorer oberoende av primärkretsens kopplingstransistorer. Den för transistorernas styrning nödvändiga effekten bildas av en i sekundärkretsen befintlig separat effektkälla.

Den mest betydande nackdelen med denna kända lös- lO 511 081 3 ning är att kopplingarnas styrspänning är komplicerad och kostsam att alstra. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att lösa ovannämnda problem och åstadkomma en forward- konverter i kontinuerlig mod som är enklare och mera eko- nomisk än kända lösningar. Dessa ändamål nås med en kon- verter enligt uppfinningen, vilken är kännetecknad av att konverterns andra och tredje kopplingsorgan är FET-tran- sistorer vars grindkapacitans används som ett minne, var- vid omvandlingsorganen styr nämnda kopplingsorgan med styrpulsar som är väsentligen smalare än den första av re- glerkretsen alstrade styrsignalen.

Uppfinningen baserar sig på idén att styrningen av konvertern enligt uppfinningen kan förverkligas på ett betydligt enklare och mindre kostsamt sätt än i kända lös- ningar när styrpulsarna i de i konverterns sekundärkrets anordnade kopplingarna alstras av kanterna hos en PWM- styrsignal i konverterns reglerkrets, och när dessutom den för styrningen av kopplingarna nödvändiga effekten över- förs med nämnda styrpulsar. Eftersom kopplingsorganens grindkapacitans dessutom används som minnen, kan styrpul- sarna vara mycket smala, vilket förbättrar konverterns verkningsgrad. De viktigaste fördelarna med konvertern en- ligt uppfinningen är sålunda att en separat konverter inte behövs i sekundärkretsen för att styra sekundärkretsens kopplingar, att sekundärkretsen kan styras på ett betyd- ligt enklare och mera ekonomiskt sätt än i kända lösning- ar, och att verkningsgraden hos konvertern enligt uppfin- ningen något förbättras.

De föredragna. utföringsformerna för konvertern enligt uppfinningen framgår av de bifogade osjälvständiga kraven 2 - 4.

I det följande skall uppfinningen beskrivas mera detaljerat med hjälp av en första föredragen utföringsform med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka Figur l åskådliggör en forward-konverter enligt lS 511081 uppfinningen, och Figurerna 2A - 2F åskådliggör spänningar som förekommer i den i figur 1 visade konvertern.

Figur 1 åskådliggör på ett generellt sätt kopp- lingen i en forward-konverter enligt uppfinningen. PWM-re- glerkretsen är anordnad på primärspänningarnas sida. Den i figur 1 visade konvertern används i kontinuerlig mod, vil- ket betyder att den i lindning IJ lagrade energin inte fullt urladdas under OFF-tillståndet hos kopplingen S1.

Konvertern omfattar, på ett i och för sig känt sätt, en huvudtransformator 1, via vilken effekt överförs från pri- märkretsen till sekundärkretsen. Ytterligare omfattar pri- märkretsen en koppling Sl, som kan vara t.ex. en effekt- MOSFET eller en bipolär transistor. Kopplingen S1, vars drain-elektrod är kopplad till en pol hos transformatorns l primärlindning, och vars source-elektrod är kopplad till inspänningens Uin minuspol, används för att bryta primär- spänningen som passerar via primärlindningen. Den i figur 1 visade konverterns inspänning kan variera beroende av tillämpningen. I telekommunikationsanordningar t.ex. är den företrädesvis ca +4OV - ca +7OV.

Den i figur 1 visade konverterns utspänning styrs av en reglerkrets IC som genom reglering av transistorers S1, S2 och S3 funktionscykel alstrar önskad utspänning för konvertern, som i fallet i figur 1 är +3,3V. Utspänningen regleras med hjälp av pulsbreddmodulation (PWM), dvs. ge- nom reglering av förhållandet mellan längden hos ON- och OFF-perioderna. För detta ändamål omfattar reglerkretsen IC, förutom andra komponenter, en oscillator (icke visad).

Reglerkretsen IC styr utspänningen på basis av spänningsinformation och primärströmsinformation som er- hålls från konverterns utgång. Utspänningsinformationen ges av en differentieringsförstärkare 6 med galvanisk iso- lering. Differentieringsförstärkaren 6 matar utspännings- informationen till reglerkretsens ingång Vfb. Information 511 081 om primärströmmen tas från primärkretsen med hjälp av en strömmätningstransformator 5, och matas till reglerkrets- ens strömmâtningsingàng Is. I exemplet i figur 1 tas reg- lerkretsens IC bruksspänning Vc från konverterns ingång.

En inkondensator Cin är anordnad i samband med konverterns ingång på ett i och för sig känt sätt.

Den i figur 1 visade konvertern omfattar en transformator l, genom vilken effekt överförs från konver- terns primärkrets till sekundärkrets. Sekundärkretsen om- fattar en lindning, dvs. en utgângsdrossel L, i vilken un- der konverterns användning energin turvis lagras, och från vilken den lagrade energin urladdas. Ytterligare omfattar sekundärkretsen ett andra S2 och ett tredje S3 kopplings- organ, och en utkondensator Cout. Kopplingarna S2 och S3 i sekundärkretsen är FET-transistorer.

Då den i figur 1 visade konvertern används, är kopplingarna S1 och S2 samtidigt ledande, medan kopplingen S3 är icke-ledande. I detta fall uppdelas den via trans- formatorn l från primärkretsen till sekundärkretsen över- förda effekten på så sätt att en del av den laddar lind- ningen L, medan en del överförs till en till konverterns utgång kopplad belastning. Då kopplingarna S1 och S2 blir icke-ledande, och kopplingen S3 blir ledande, urladdas den i lindningen L lagrade energin via kopplingen S3 till den till konverterns utgång kopplade belastningen. Eftersom lindningen L är dimensionerad att kontinuerligt ge ström, ger den ström till belastningen tills den första styrpuls- en ändrar sitt tillstånd från logisk 0-nivå till logisk 1- nivå.

Gällande den i figur l visade konverterns funk- tion och i synnerhet dess verkningsgrad är det ytterst viktigt att kopplingarna S2 och S3 inte samtidigt är le- dande. Enligt uppfinningen baserar sig kopplingarnas S2 och S3 styrning därför pà den första från reglerkretsens IC PWM-utgång erhållna styrsignalen; med hjälp av denna 511 081 6 styrsignal styr reglerkretsen transistorkopplingen S1, som bryter primärkretsen.

Den första från PWM-utgången erhållna styrsignal- en leds till kopplingens S1 styrutgång och även till en omvandlare 2. Omvandlaren 2 alstrar smala på den första styrsignalen baserade styrpulsar till FET-transistorerna S2 och S3 via blocken 3 och 4. På den första styrsignalens framkant matar omvandlaren. 2 en positiv spänning till blockets 3 ingång, och en negativ spänning till blockets 4 ingång. På ett motsvarande sätt matar omvandlaren 2 på den första styrsignalens bakkant en negativ spänning till blockets 3 ingång, och en positiv spänning till blockets 4 ingång.

I figur 1 är omvandlarblocket 2 försett med en grafisk symbol av en transformator för att åskådliggöra att blocken 3 och 4 är galvaniskt isolerade från regler- kretsen med hjälp av omvandlaren 2, och att sekundärlind- ningen som hör till blocken 3 och 4 är av olika polaritet.

Samma puls som matas till blocket 3 matas sålunda även till blocket 4, men i en inverterad form.

Blockens 3 och 4 struktur och funktion är fullt identiska. Blocken 3 och 4 kan företrädesvis förverkligas med hjälp av en logik som förutom andra komponenter omfat- tar en FET-transistor och en diod, som visas i figur 1.

T.ex. under en positiv till blocket 3 matad ON-puls, ur- laddas FET-transistorns S4 grindladdning, varvid transis- torn S4 blir icke-ledande. Samtidigt bildas en positiv laddning vid FET-transistorns S2 grind; laddningen lagras i minnet eftersom det inte finns någon urladdningsväg.

FET-transistorn S2 förblir därför ledande även om den av omvandlaren 2 alstrade styrpulsen återgår till O-nivån, dvs. laddningen lagras i minnet. Då omvandlaren 2 matar en negativ OFF-styrpuls till blocket 3, inverteras styrpulsen positiv med hjälp av i blocket 3 befintlig logik. FET- transistorn S4 görs sålunda ledande, varvid den urladdar 511 081 7 FET-transistorns S2 grindladdning, och transistorn S2 blir icke-ledande.

Reglerkretsens IC ursprungliga styrsignal alstras sålunda vid transistorns S2 grind, och nämnda första styr- signal bildas i en inverterad form vid transistorns S3 grind. Termen 'inverterad' hänvisar häri till ersättande av den logiska 1-nivån med den logiska O-nivån och vice versa. Blockens 3 och 4 struktur är emellertid företrädes- vis sädan att styrpulsarna som gör FET-transistorerna le- dande är något fördröjda, medan urladdningen sker utan fördröjningar. En dylik struktur försäkrar att transistor- erna S2 och S3 inte kan vara samtidigt ledande, inte ens momentant.

Eftersom de i konverterns sekundärkrets som syn- kroniska. likriktare fungerande FET-transistorerna styrs med smala av en PWM-styrpuls kanter bildade styrpulsar, och eftersom effekten som behövs för att styra FET-tran- sistorerna även överförs med styrpulsar, är det inte nöd- vändigt att ha en separat effektkälla för styrning av FET- transistorernas funktion som synkrona likriktare.

Figurerna 2A - 2F åskådliggör spänningar som förekommer i den i figur 1 visade konvertern. Figur 2A visar en av reglerkretsen IC alstrad PWM-styrpuls, dvs. den första styrsignalen. Figur 2B visar en smal styrpuls alstrad av omvandlaren 2 som gensvar på PWM-styrpulsen och som matats till blocket 3 av omvandlaren 2. Figur 2C visar en smal styrpuls som omvandlaren 2 alstrar som gensvar pä PWM-styrpulsen och som matats av omvandlaren 2 till block- et 4. UR figurerna 2B och 2C kan man se att omvandlaren 2 matar till blocket 4 samma puls som till blocket 3, men i inverterad form. Figur 2D visar en till transistorn S1 matad styrpuls som bryter konverterns primärkrets; styr- pulsen motsvarar PWM-pulsen. Figur 2E visar en puls matad av blocket 3 till FET-transistorns S2 grind; styrpulsen motsvarar PWM-pulsen. Figur 2F visar en puls matad av 511 081 8 blocket 4 till FET-transistorns S3 grind; pulsen motsvarar den inverterade PWM-styrpulsen.

Man bör inse att det ovan beskrivna och de bifo- gade figurerna är endast avsedda att åskådliggöra uppfin- ningen. Fackmannen inser att uppfinningen kan förändras och modifieras pà olika sätt inom uppfinningens ram, vil- ken definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (4)

10 15 20 25 30 35 511 081 9 Patentkrav

1. Forward-konverter i kontinuerlig mod omfat- tande: en transformator (1) som uppvisar en primär- och en sekundärlindning och genom vilken effekt överförs från konverterns primärkrets till dess sekundärkrets, en reglerkrets (IC) för reglering av konverterns utspänning med hjälp av en första av reglerkretsen alstrad styrsignal genom användning av pulsbreddmodulation, ett första :L primärkretsen anordnat kopplings- organ (Sl) för brytning av den genom transformatorns (1) primärlindning passerande strömmen som gensvar på den första styrsignalen, ett i sekundárkretsen anordnat element (L) för lagring av energi, ett andra i sekundärkretsen anordnat kopplings- organ (S2) som är synkroniserat med det första kopplings- organet (S1) på så sätt att nämnda kopplingar (S1, S2) be- finner sig väsentligen samtidigt i ett ledande respektive icke-ledande tillstånd, ett tredje i sekundárkretsen anordnat kopplings- organ (S3) som är synkroniserat med det första kopplings- organet (S1) på så sätt att nämnda kopplingar (S1, S3) be- finner sig väsentligen turvis i ett ledande respektive icke-ledande tillstånd, och omvandlingsorgan (2, 3, 4) för styrning av det andra (S2) och det tredje (S3) kopplingsorganet som gen- svar på den första av reglerkretsen (IC) alstrade styrsig- nalen, varvid den för styrning av nämnda kopplingar (S2, S3) nödvändiga effekten bildas av den av reglerkretsen “1IC) alstrade första styrsignalen, k á n n e t e c k n a d av att -- konverterns andra (S2) och tredje (S3) kopplings- organ är FET-transistorer vars grindkapacitans används som 10 l5 20 25 511081 10 ett minne, varvid omvandlingsorganen (2, 3, 4) styr nämnda kopplingsorgan (S2, S3) med styrpulsar som är väsentligen smalare än den av reglerkretsen (IC) alstrade första styr- signalen.

2. Konverter enligt patentkrav' 1, k ä n n e - t e c k n a d av att omvandlingsorganen (2, 3, 4) är anordnade att mata smala styrpulsar till det andra (S2) och det tredje (S3) kopplingsorganets grindgränssnitt som gensvar pà den första styrpulsens framkant, varvid det andra kopplings- organets (S2) grindgränssnitt förblir laddat, och det tredje kopplingsorganets (S3) grindgränssnitt urladdas, och omvandlingsorganen (2, 3, 4) ål' anordnade att mata smala styrpulsar till det andra (S2) och det tredje (S3) kopplingsorganets grindgränssnitt som gensvar pà den första styrpulsens bakkant, varvid det tredje kopplings- organets (S3) grindgränssnitt förblir laddat, och det andra kopplingsorganets (S2) grindgrànssnitt urladdas.

3. Konverter enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n - n e t e c k n a d av att konvertern omfattar organ (5) för att mata till reglerkretsen (IC) ströminformation (Is) som baserar sig pà strömmen i konverterns primärkrets.

4. Konverter enligt något av patentkraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar organ (6) för att mata till reglerkretsen (IC) spänningsinformation (Vfb) som baserar sig på konverterns utspänning.