WO1992022956A1 - Schaltregler - Google Patents

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WO1992022956A1
WO1992022956A1 PCT/DE1992/000417 DE9200417W WO9222956A1 WO 1992022956 A1 WO1992022956 A1 WO 1992022956A1 DE 9200417 W DE9200417 W DE 9200417W WO 9222956 A1 WO9222956 A1 WO 9222956A1
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converter
pull
switching regulator
resonance
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Franz Ohms
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Ant Nachrichtentechnik Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
    • H02M3/3376—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M3/3378—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current in a push-pull configuration of the parallel type

Definitions

  • the invention is based on a resonance converter
  • Resonance converters of this type are known, for example, from Proceedings of the XVth International PCI Conference, June 1988, Intertec Communications, Ventura, Calif., USA, pages 94 to 122.
  • Input voltages such as satellite power supplies, are to be processed.
  • the series switching regulator is usually dependent on the
  • the downstream push-pull converter is either with
  • the invention is to design the switching regulator of the type mentioned above in such a way that a high degree of efficiency can be achieved.
  • This object is achieved by the features of patent claim 1.
  • the subclaims show advantageous embodiments of the invention.
  • Push-pull switch is open and the gap time.
  • the transformer of the push-pull converter is better used than with comparable other resonance converters, i.e. the volume can be reduced with the same output. This is particularly advantageous for applications in satellites.
  • the regulation of the two step-up converters is very reliable, since the regulation criterion consists of separate branches of the
  • Figure 1 is a schematic diagram of a switching regulator according to the
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the push-pull converter for one of the push-pull branches
  • Figure 4 shows the reversing current of the push-pull converter for
  • FIG. 1 shows two step-up converters AR1, AR2 (boost regulator), which are fed in parallel from an input DC voltage source QE and are followed by a parallel push-pull DC voltage converter GW.
  • the step-up converters AR1 and AR2 each comprise an actuator in the transverse branch, here symbolized by the switches S3 and S4, and a series inductor L1 or L2 with a diode D3 or D4 connected in series.
  • the outputs of the boost converter AR1 and AR2 each have a capacitor C1 or C2 in the shunt arm.
  • the series inductors L1 and L2 can be magnetic
  • Push-pull converter GW includes a power transformer Tr with two galvanically isolated primary windings w1 and w2 and a secondary winding w3. The exit of everyone
  • Boost converter AR1 or AR2 is connected to a push-pull branch of the push-pull converter GW.
  • this is realized in that the diode D3 of the step-up converter AR1 in series with the primary winding w1 and the diode D4 of the step-up converter AR2 in series with
  • Push-pull converter GW two rectifier circuits with diodes D1, D2 and smoothing capacitors Cg1 and Cg2 are shown.
  • the two push-pull switches S1 and S2 of the push-pull converter are each arranged in series with one of the primary windings w1 and w2.
  • the direction of winding of the primary windings w1 and w2 is marked by dots in FIG. To train the
  • push-pull converters as resonance converters are two resonance capacitors C1 and C2
  • the push-pull branches are in each case parallel to the series connection, formed from primary winding w1 or w2 and push-pull switch S1 or S2.
  • resonance capacitors can also be arranged elsewhere in the push-pull branches.
  • the switching cycle of push-pull switches S1 and S2 is shown in FIG. 2 first line. During a period T p , switches S1 and S2 are switched on alternately. Both switches are de-energized during a gap time T G. This gap time T G is preferably chosen so that the
  • Resonance structures in the form of the push-pull converter if necessary can swing around with the inclusion of parasitic winding capacitances or rectifier capacitances.
  • a control device according to EP 77 958 B1 can be used.
  • the currents i s1 and i s2 in the primary push-pull branches are shown in Figure 2, line 2 (i S2 dashed).
  • Figure 2 Line 3 shows the voltages U c1 and U c2 at the resonance capacitors C1, C2.
  • the equivalent circuit diagram for a push-pull branch is shown in FIG. 3.
  • the input current I o of the push-pull converter is represented by a current source.
  • the transformer Tr is represented by its leakage inductance L s .
  • the voltage U o represents the output voltage transformed from the secondary circuit. The voltage then lies at the resonance capacitor C1 or C2.
  • the swinging current i L (t) is shown.
  • a common control circuit St is provided, by means of which the actuators S3 and S4 can be switched on alternately.
  • the control circuit St contains one
  • Pulse width modulator PBM Pulse width modulator
  • Pulse width modulator PBM the voltages on the
  • Boost converter AR1 and AR2 flows. Alternatively, as shown in FIG. 1, each of the
  • Boost converter AR1 and AR2 recorded currents are detected by means of a current transformer SW1 and SW2 and rectified by means of the two rectifiers D5, D6.
  • the outputs of the two rectifiers D5, D6 are connected together and led to a common resistor RM, which is connected in series to a sawtooth voltage source QSZ to the inverting input of the pulse width modulator PBM designed as a comparator
  • the separate detection of the currents of the step-up converters AR1 and AR2 has the advantage that asymmetries in the switching times of the two switches S3 and S4 cannot lead to errors.
  • the non-inverting input of the pulse width modulator PBM is connected to the output of a
  • the mode of operation of this control circuit St can be found in US Pat. No. 5,001,413.
  • the length of the control pulse for the switching regulator actuators S3 and S4 is accordingly of the level of the energy consumption current i A or
  • a summing network consisting of the resistors R1, R2, R3, R4 is provided, by means of which a voltage UCD is obtained which is proportional to the sum of the added voltages at the resonance capacitors C1 and C2.
  • the capacitor C3 in parallel with the voltage divider R3, R4 serves to integrate the added voltages.
  • a common pulse divider stage at the output of the pulse width modulator PBM can be used, which is constructed, for example, as in US Pat. No. 5,001,413 from two AND gates G1 and G2 and a push-pull flip-flop FF.

Abstract

Ein Schaltregler ist aus einem Gegentaktwandler (GW) und je einem Hochsetzsteller (AR1, AR2) pro Gegentaktzweig aufgebaut. Zur Ausbildung des Gegentaktwandlers (GW) als Resonanzwandler werden als resonanzbestimmende Kapazitäten die Ausgangskondensatoren (C1, C2) der Hochsetzsteller (AR1, AR2) benutzt. Dieser Schaltregler besitzt einen guten Wirkungsgrad und ist insbesondere in Satelliten-Stromversorgungen einsetzbar.

Description

Beschreibung
Schaltregler
Die Erfindung geht aus von einem als Resonanzwandler
ausgebildeten Gegentaktwandler.
Resonanzwandler dieser Art sind beispielsweise bekannt aus Proceedings of the XVth International PCI Conference, Juni 1988, Intertec Communications, Ventura, Calif., USA, Seiten 94 bis 122.
Aus der DE 29 41 009 C2 ist es bekannt einem herkömmlichen Gegentaktwandler einen Serien-Schaltregler vprzuschalten insbesondere für den Zweck, daß stark variierende
Eingangsspannungen, wie beispielsweise bei Satelliten-Stromversorgungen, zu verarbeiten sind. Der Serien-Schaltregler wird üblicherweise in Abhängigkeit der
Schaltregler-Ausgangsspannung pulsbreitenmoduliert. Der nachgeschaltete Gegentaktwandler wird entweder mit
Gegentaktimpulsen konstanter Dauer oder ebenfalls mit
pulsbreitenmodulierten Impulsen betrieben. Aufgabe der
Erfindung ist es den Schaltregler eingangs genannter Art so auszubilden, daß ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung auf.
Der Schaltregler nach der Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Kapazität des entsprechenden Resonanzkondensators größer gewählt werden kann als bei herkömmlichen Resonanz- oder
Quasiresonanzwandlern. Für das Nachladen eines
Resonanzkondensators steht ausreichend Zeit zur Verfügung, nämlich jeweils. die Zeit während der der jeweilige
Gegentaktschalter geöffnet ist und die Lückzeit. Der
Transformator des Gegentaktwandlers wird besser ausgenutzt als bei vergleichbaren anderen Resonanzwandlern, d.h. bei gleicher Leistung kann das Bauvolumen reduziert werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen in Satelliten von Vorteil. Die Regelung der beiden Hochsetzsteller ist sehr zuverlässig, da das Regelkriterium aus getrennten Zweigen des
Gegentaktwandlers gewonnen wird. Durch die Addition der
Spannungen an den Resonanzkondensatoren für die Regelung der Hochsetzsteller werden Störsignale (Ripple) stark unterdrückt.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers nach der
Erfindung,
Figur 2 zeitliche Verläufe ausgewählter Signale für den
Schaltregler nach Figur 1,
Figur 3 ein Ersatzschaltbild des Gegentaktwandlers für einen der Gegentaktzweige,
Figur 4 den Umschwingstrom des Gegentaktwandlers für
unterschiedliche Bauelemente-Dimensionierungen.
In Figur 1 sind zwei von einer Eingangsgleichspannungsquelle QE parallel gespeiste Hochsetzsteller AR1, AR2 (Boostregler) -dargestellt, denen ein Parallel- Gegentaktgleichspannungswandler GW nachgeschaltet ist. Die Hochsetzsteller AR1 und AR2 umfassen jeweils ein Stellglied im Querzweig, hier durch die Schalter S3 und S4 symbolisiert, und eine Längsinduktivität L1 bzw. L2 mit in Serie geschalteter Diode D3 bzw. D4. Die Ausgänge der Hochsetzsteller AR1 und AR2 weisen jeweils einen Kondensator C1 bzw. C2 im Querzweig auf. Die Längsinduktivitäten L1 und L2 können magnetisch
voneinander getrennt oder leicht gekoppelt sein. Der
Gegentaktwandler GW umfaßt einen Leistungstransformator Tr mit zwei voneinander galvanisch getrennten Primärwicklungen w1 und w2 und einer Sekundärwicklung w3. Der Ausgang jedes
Hochsetzstellers AR1, bzw. AR2 ist mit einem Gegentaktzweig des Gegentaktwandlers GW verbunden. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist dies dadurch realisiert, daß die Diode D3 des Hochsetzstellers AR1 in Serie zur Primärwicklung w1 und die Diode D4 des Hochsetzstellers AR2 in Serie zur
Primärwicklung w2 geschaltet ist. Im Ausgangskreis des
Gegentaktwandlers GW sind zwei Gleichrichterkreise mit Dioden D1, D2 und Glättungskondensatoren Cg1 und Cg2 dargestellt. Die beiden Gegentaktschalter S1 und S2 des Gegentaktwandlers sind jeweils in Serie zu einer der Primärwicklungen w1 bzw. w2 angeordnet..Der Wicklungssinn der Primärwicklungen w1 und w2 ist in Figur 1 durch Punkte markiert. Zur Ausbildung des
Gegentaktwandlers als Resonanzwandler sind im Gegensatz zu üblichen Lösungen zwei Resonanzkondensatoren C1 und C2
vorgesehen. Diese Resonanzkondensatoren C1 , C2 bilden
gleichzeitig die Ausgangskondensatoren der Hochsetzsteller AR1 und AR2. Sie liegen bezüglich der Gegentaktzweige jeweils parallel zur Serienschaltung gebildet aus Primärwicklung w1 bzw. w2 und Gegentaktschalter S1 bzw. S2. Die
Resonanzkondensatoren köönen als Alternativausführung auch an anderer Stelle in den Gegentaktzweigen angeordnet werden.
Das Schaltspiel der Gegentaktschalter S1 und S2 zeigt die Figur 2 erste Zeile. Während einer Periodendauer Tp werden die Schalter S1 und S2 abwechselnd eingeschaltet. Während einer Lückzeit TG sind beide Schalter stromlos. Diese Lückzeit TG wird vorzugsweise so gewählt, daß in dieser Zeit das
Resonanzgebilde in Form des Gegentaktwandlers gegebenenfalls unter Einbeziehung von parasitären Wicklungskapazitäten oder Gleichrichterkapazitäten umschwingen kann. Zur Aufbereitung der Steuersignale für die Schalter S1 und S2 unter
Berücksichtigung der Lückzeit TG kann eine Steuereinrichtung gemäß der EP 77 958 B1 verwendet werden. Die Ströme is1 und is2 in den primärseitigen Gegentaktzweigen sind in Figur 2, Zeile 2 dargestellt (iS2 gestrichelt). Figur 2 Zeile 3 zeigt die Spannungen Uc1 bzw. Uc2 an den Resonanzkondensatoren C1, C2. Das Ersatzschaltbild für einen Gegentaktzweig zeigt Figur 3. Der Eingangsstrom Io des Gegentaktwandlers ist durch eine Stromquelle dargestellt. Der Transformator Tr ist durch seine Streuinduktivität Ls repräsentiert. Die Spannung Uo stellt die vom Sekundärkreis aus transformierte Ausgangsspannung dar. Am Resonanzkondensator C1, bzw. C2 liegt dann die Spannung.
V
Figure imgf000006_0001
Für verschieden Werte von
Figure imgf000006_0002
der Umschwingstrom iL(t) dargestellt. Je höher der Wert Z gewählt wird, umso höher ist die Resonanzüberhöhung. Es ist vorteilhaft den Wert Z möglichst groß zu wählen, um einen steilen Nulldurchgang des Stromes zu erhalten und um so ein sicheres Schalten zu erreichen.
Zur Erzeugung des Regelsignals für die Hochsetzsteller AR1 und AR2 ist eine gemeinsame Steuerschaltung St vorgesehen mittels derer die Stellglieder S3 und S4 abwechselnd einschaltbar sind. Die Steuerschaltung St enthält einen
Pulsbreitenmodulator PBM. Als Steuerkriterien für den
Pulsbreitenmodulator PBM werden die Spannungen an den
Resonanzkondensatoren C1 und C2 herangezogen sowie der
Energieaufnahmestrom iA des Schaltreglers, der zwischen der Eingangsgleichspannungsquelle und dem gemeinsamen
eingangsseitigen Zusammenschaltpunkt der beiden
Hochsetzsteller AR1 und AR2 fließt. Alternativ hierzυ können auch, wie in Figur 1 dargestellt, die von jedem der
Hochsetzsteller. AR1 und AR2 aufgenommen Ströme mittels je eines Stromwandlers SW1 und SW2 erfaßt und mittels der beiden Gleichrichter D5, D6 gleichgerichtet werden. Die Ausgänge der beiden Gleichrichter D5, D6 sind zusammengeschaltet und auf einen gemeinsamen Widerstand RM geführt, der in Serie zu einer Sägezahnspannungsquelle QSZ an den invertierenden Eingang des als Komparator ausgebildeten Pulsbreitenmodulators PBM
angeschlossen ist. Die getrennte Erfassung der Ströme der Hochsetzsteller AR1 und AR2 hat den Vorteil, daß Unsymmetrien in den Schaltzeiten der beiden Schalter S3 und S4 nicht zu Fehlern führen können. Der nichtinvertierende Eingang des Pulsbreitenmodulators PBM ist mit dem Ausgang eines
Fehlersignalverstärkers FV verbunden, welcher das andere
Schaltkriterium - hier die Spannungen an den
Resonanzkondensatoren C1, C2 - mit einer Referenzspannung Ur vergleicht. Die Funktionsweise dieser Steuerschaltung St kann der US 5,001,413 entnommen werden. Die Länge des Steuerpulses für die Schaltregler-Stellglieder S3 und S4 ist demnach von der Höhe des Energieaufnahmestromes iA bzw. der
Energieaufnahmeströme der einzelnen Hochsetzsteller und der Höhe des Fehlersignals am Ausgang des Fehlersignalverstärkers FV abhängig. Zur Gewinnung des resonanzkondensatorabhängigen Steuerkriteriums ist ein Summiernetzwerk bestehend aus den Widerständen R1, R2, R3 , R4, vorgesehen, mittels dessen eine Spannung UCD gewonnen wird, die proportional zur Summe der addierten Spannungen an den Resonanzkondensatoren C1 und C2 ist. Der Kondensator C3 parallel zum Spannungsteiler R3, R4 dient zur Integration der addierten Spannungen.
Zur Gewinnung der Gegentaktimpulse für die Schalter S3 und S4 kann eine gebräuchliche Impulsteilerstufe am Ausgang des Pulsbreitenmodulators PBM benutzt werden, die beispielsweise wie in der US 5,001,413 aus zwei AND-Gattern G1 und G2 sowie aus einem Gegentakt-Flip-Flop FF aufgebaut ist.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltregler mit einem als Resonanzwandler ausgebildeten Gegentaktwandler (GW), dadurch gekennzeichnet, daß jedem
Gegentaktzweig des Gegentaktwandlers ein Hochsetzsteller (AR1, AR2) vorgeschaltet ist und daß als resonanzbestimmende
Kapazitäten des Gegentaktwandlers (GW) die
Ausgangskondensatoren (C1, C2) der Hochsetzsteller (AR1, AR2) benutzt werden.
2. Schaltregler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hochsetzsteller (AR1, AR2) parallel an einer
Eingangsgleichspannungsquelle (QE) betreibbar sind.
3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stellglieder (S3, S4) der beiden
Hochsetzsteller (AR1, AR2) über eine gemeinsame
Steuerschaltung (St) abwechselnd einschaltbar sind.
4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsinduktivitäten (L1, L2) der
Hochsetzsteller (AR1, AR2) leicht magnetisch gekoppelt sind.
5. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen (w1, w2) des
Gegentaktwandlers-Transformators (Tr) galvanisch voneinander getrennt sind und daß jeder Gegentaktzweig aus der
Serienschaltung einer der Längsinduktivitäten (L1, L2) der Hochsetzsteller (AR1, AR2) einer Primärwicklung des
Gegentaktwandler-Transformators (Tr), einem der
Gegentaktschalter (S1; S2) sowie dem Ausgangskondensator des entsprechenden Hochsetzstellers als Resonanzkondensator (C1; C2) besteht.
6. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkondensatoren (C1, C2) der Gegentaktzweige an die Verbindungsleitung zwischen einer Längsinduktivitat (L1, L2) eines Hochsetzstellers und einer Primärwicklung (w1; W2) einerseits und an den
primärwicklungsfernen Zusammenschaltpunkt der beiden
Gegentaktschalter (S1, S2) andererseits angeschlossen sind.
7. Schaltregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltung (St) für die beiden Hochsetzsteller (AR1, AR2) als Steuerkriterium mindestens eine der Spannungen an den Resonanzkondensatoren (C1, C2) zuführbar ist.
8. Schaltregler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Summiernetzwerk (R1, R2, R3 , R4, C3) für die beiden Spannungen an den Resonanzkondensatoren, welches gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Fehlersignalverstärkers (FV) an einen Steuereingang des Pulsbreitenmodulators (PBM) für die beiden Hochsetzsteller (AR1), AR2) angeschlossen ist.
9. Schaltregler an einem der Ansprüche 3, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltung (St) für die beiden Hochsetzsteller (AR1, AR2) als weiteres Steuerkriterium der aufgenommene Strom (iA) des Schaltreglers oder ein davon abgeleitetes Signal zuführbar ist, dem gegebenenfalls ein Sägezahnsignal überlagert ist.
10. Schaltregler nach einem der Ansprüche 3, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltung (St) für die beiden Hochsetzsteller (AR1, AR2) als weiteres Steuerkriterium jeweils die von den Hochsetzstellern (AR1, AR2) aufgenommenen Ströme oder ein davon abgeleitetes Signal zuführbar ist, dem gegebenenfalls ein Sägezahnsignal überlagert ist.
11. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktschalter (S1, S2) mit einer Lückzeit betreibbar sind, während der beide Schalter (S1, S2) gleichzeitig stromlos sind und daß diese Lückzeit (TG) derart bemessen ist, daß einerseits der. Gegentaktwandler (GW) als Resonanzgebilde sicher umschwingen kann und andererseits für das Nachladen des jeweiligen Resonsanzkondensators (C1; C2) ausreichend Zeit zur Verfügung steht.
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