WO2015039900A1 - Synchrongleichrichter - Google Patents

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WO2015039900A1
WO2015039900A1 PCT/EP2014/069014 EP2014069014W WO2015039900A1 WO 2015039900 A1 WO2015039900 A1 WO 2015039900A1 EP 2014069014 W EP2014069014 W EP 2014069014W WO 2015039900 A1 WO2015039900 A1 WO 2015039900A1
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synchronous rectifier
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synchronous
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PCT/EP2014/069014
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Bernd Rudolph
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Osram Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a synchronous rectifier having an input with a first and a second input terminal for coupling to a DC voltage source, an output having a first and a second output terminal for providing a DC voltage, at least one transformer having at least one primary winding and at least one secondary winding, said primary winding is serially input terminal coupled to the first input, and at least one rectifier cell, which comprises at least one rectifying ⁇ terzelle: a first and a second terminal, said first terminal of said rectifier cell with one of the input terminals of the Synchron Eisenrich- ters coupled is, wherein the second terminal of the rectifier cell is coupled to one of the output terminals of the synchronous rectifier, a bipolar main switch with a control electrode, a working ⁇ electrode and a reference electrode, wherein the bipo lare main switch between the first and the second terminal of the rectifier cell is coupled to a first diode which is so coupled to the collector-emitter path of the Bipo ⁇ stellar main switch that it blocks the
  • synchronous rectifier shown in Figures 1 and 2 are known from DE 10 2008 018 390 Al is known, in which a plurality of advertising Darge ⁇ presented in Fig. 3 type of rectifier cells Gi used to.
  • Fig. 1 shows a synchronous rectifier constructed as a bridge rectifier
  • Fig. 2 shows a synchronous rectifier constructed as a center rectifier.
  • DE 10 2008 018 390 AI As angedeu ⁇ tet in Fig.
  • the winding sense of the secondary winding of the respective rectifier cell Gi may vary, as well as which of the two terminals is used as input, wel ⁇ cher as output of the rectifier cell as the fact, whichever synchronous rectifier is constructed and the according to position of the rectifier cell Gi within the respective synchronous rectifier.
  • One terminal of the rectifier cell Gi therefore be ⁇ labeled GE1 or GA1 that carries out draws others according with GA1 and GE1.
  • the inductors LI, L2, L3 form a center tapped transformer Tr2 while the inductors L12, L13, which are arranged in series with the secondary windings L2, L3 of the transformer Tr2, form the center Primary windings of a control transformer Tri are whose secondary windings are arranged in the respective rectifier cells Gi.
  • a control transformer Tri As compared to those of the paper "A New Synchronous Rectifier Using Bipolar Transistor Driven by Current Transformer" by Sakai, E. and Harada, K., published in 14th International Telecommunications Energy Conference 1992, INTELEC '92, 4-8 Oct.
  • FIG. 4 of the cited document shows a rectifier cell which has a first and a second Main switch has.
  • the first main switch is a first auxiliary switch, the second main switch associated with a second auxiliary switch.
  • a first capacitor is coupled to a first auxiliary winding, a second capacitor to a second auxiliary winding.
  • a discharge path for the gate terminals of the main switch be ⁇ riding determine if they are in the off state, the gate terminal of the first main switch with the non-coupled with the first auxiliary winding terminal of the first capacitor is coupled to the gate terminal of the second auxiliary switch is coupled to the not coupled to the second auxiliary winding terminal of the second capacitor.
  • the path source drain of the first auxiliary switch is coupled between the not coupled to the first auxiliary winding terminal of the first capacitor and the reference potential. In this way, by turning off the first auxiliary switch, the gate terminal of the first main switch can be discharged. The same applies with respect to the second auxiliary switch and the second main switch.
  • the object of the present invention is to further develop a generic synchronous rectifier such that at operating frequencies beyond 20 kHz, a better efficiency is made possible. This object is achieved by a synchronous rectifier having the features of patent claim 1.
  • the present invention is based on the recognition that for the poor efficiency of the state of the art Known synchronous rectifier frequencies from about 20 kHz, the comparatively large storage time of the bipolar transistors used in the rectifier cells is responsible. For example, at frequencies of 100 kHz, one half-period of the input signal is 5 ys. In contrast is the storage time of use ⁇ th bipolar about 1 ys. This has the consequence that the bipolar transistors used can not be turned off fast enough to lock. As a result, voltage and current occur simultaneously in the transistor, resulting in losses that lead to an undesirably low efficiency of such synchronous rectifier. In particular, pulse-shaped currents in which the current change takes place comparatively quickly, the bipolar transistor can follow only delayed.
  • the present invention overcomes this problem by modifying the driving of the bipolar transistor with respect to the known rectifier cell Gi in such a way that a clear switch-off acceleration is achieved. This is designed so that when the current in the respective rectifier cell approaches zero, it turns off the corresponding bipolar transistor very quickly.
  • the min ⁇ least one rectifier cell further comprises an energy ⁇ memory that is coupled in series between the secondary winding and the control electrode of the bipolar main switch and an auxiliary switch with a tax electrode, a working electrode and a reference ⁇ electrode which is coupled between the coupling point of the energy ⁇ memory with the secondary winding on the one hand and the first terminal of the rectifier cell on the other hand, wherein the control electrode of the auxiliary switch is also ge ⁇ coupled to the at least one secondary winding.
  • the auxiliary switch is controlled by the relevant secondary winding for the bipolar main switch and ensures that the main switch is turned off before the end of the inverse phase.
  • the forward operation is characterized in that the voltage U ce is greater than zero. Accordingly, in inverse operation, U ce is less than zero.
  • the voltage U ce is less than zero, while in its inverse operation, the voltage U ce is greater than zero.
  • the solution according to the invention makes it possible to completely avoid return currents of the bipolar main switch of a rectifier cell.
  • the efficiency of a synchronous rectifier constructed therewith increases significantly, and an efficient application at frequencies greater than or equal to 20 kHz, in particular at about 100 kHz and more, is made possible.
  • the invention presented below which relates to the realization of improved synchronous rectifiers by providing an improved rectifier cell Gi, not only enables the construction of an improved synchronous rectifier as a bridge rectifier (see FIG. see Fig. 1) or as a center rectifier (see Fig. 2), but also as a half-wave rectifier, for example as the main rectifier in an isolated flyback converter (flyback), or as Stromverdoppler, in which one half of a full bridge is replaced by two independent inductors ,
  • a voltage limiting element in particular a Zener diode, is connected in parallel to the energy store.
  • a voltage limiting element in particular a Zener diode
  • a defined, be ⁇ bordered voltage at the energy storage can be adjusted. Since the losses on the secondary side are proportional to the product of current and voltage of the secondary side, limiting the voltage by means of the voltage limiting element can reduce the control losses.
  • the energy storage is a capacitor.
  • the distance control electrode - Be ⁇ yakselektrode the bipolar main switch an ohmic resistance connected in parallel.
  • the Sperrfä ⁇ ability of the bipolar main switch is increased in forward operation, resulting in a simple way maximum dielectric strength.
  • the auxiliary switch is also realized as a bipolar transistor. So that it can be particularly easily fed from the same power source as the bi ⁇ polar main switch.
  • the transformer whose secondary winding is disposed in the respective rectifier cell is designed as a current transformer.
  • the turns ratio of primary winding to Secondary winding is set the forced current amplification ratio for the bipolar transistor, which should be in the order of magnitude or below the saturation current gain of the main bipolar switch used in inverse operation.
  • the impedance coL is to choose greater than the load impedance through the improved rectifier cell Gi.
  • the elimination of the base charge of the bipolar main switch is carried out by means of the auxiliary switch, which amplifies the ⁇ fed base current with its current gain and thus allows relatively large Aus syndromemströme for the bipolar main switch, which can be turned off very quickly.
  • a MOSFET transistor as an auxiliary switch can in principle also be used, but would bring with it the disadvantage of a not so precisely fixed switch-on voltage.
  • the auxiliary switch is complementary to the bipolar main switch.
  • the base of the bipolar main switch taking advantage of the current gain of the auxiliary switch with the emitter of the auxiliary switch for clearing the base of the bipolar main switch to couple.
  • the rectifier cell preferably comprises a second de ⁇ Dio which is serially coupled between the secondary winding and the energy storage device, wherein the working electrode of the auxiliary switch is coupled to the coupling point of the second Di ⁇ ode and the energy store.
  • This second diode is necessary so that the auxiliary switch remains controllable. For example, if loading of the energy storage and the transformer takes a negative edge on, locks this second diode of the auxiliary switch is turned ⁇ on.
  • an ohmic resistance is coupled between the secondary winding and the control electrode of the auxiliary switch. This serves to Be ⁇ limitation of the base current of the auxiliary switch.
  • the rectifier cell further comprises a third diode which is zwi ⁇ tween the reference electrode of the auxiliary switch and the first terminal of the rectifier cell coupled. If the voltage at the control electrode of the auxiliary switch is more negative than the voltage at the working electrode of the auxiliary switch, then the auxiliary switch is conductive.
  • the third diode prevents the removal of charge carriers from the base of the bipolar main switch when it is to be switched on. In other words, an inverse operation of the auxiliary switch is prevented.
  • a single rectifier cell can be ⁇ example, a for a flyback converter (flyback) trained synchronous rectifier realis ming.
  • a synchronous rectifier designed as a center rectifier can be realized by means of four rectifier cells of a synchronous rectifier designed as a full-bridge rectifier.
  • Figure 1 is a schematic representation of a known from the prior art, designed as a bridge rectifier synchronous rectifier.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a known from the prior art, designed as a center rectifier synchronous rectifier.
  • FIG. 3 in a schematic representation of a in the in the
  • Figures 1 and 2 shown synchronous rectifiers to be used, from the prior art be ⁇ known rectifier cell Gi;
  • FIG. 4 is a schematic representation of an embodiment of a rectifier cell Gi according to the invention.
  • Fig. 5 shows the time course of the collector-emitter voltage U ce of the bipolar main switch and - Il of the collector current I c of the bipolar head scarf ⁇ tative of a built-up as a bridge rectifier using an inventive ⁇ SEN rectifier cell synchronous rectifier.
  • synchronous rectifier according to the invention can be realized as a bridge rectifier, as shown in FIG. 1, as a center rectifier, as shown in FIG. 2, or as a half-wave rectifier, for example in the flyback converter.
  • the rectifier cell Gi comprises the secondary winding L4i of a transformer Tri whose primary winding L4 is coupled in series to the first input terminal El of the synchronous rectifier.
  • the rectifier cell Gi has a first terminal GE1 or GA1 and a second terminal GA1 or GE1. Which of the terminals GE1 or GA1 is coupled to the input of the synchronous rectifier and which is coupled to its output depends on the position of the respective rectifier cell Gi within the synchronous rectifier.
  • a rectifier cell Gi in each case a secondary winding L4i is arranged, wherein the winding direction must also be taken into consideration with regard to the respective position within a synchronous rectifier constructed therewith.
  • the rectifier cell Gi shown in FIG. 4 merely represents one possible embodiment. Example in which the present invention will be described in detail below.
  • the Pa ⁇ rallelsc is coupled between the terminals GE1 / GA1 and GA1 / GE1.
  • the diode Dl is connected to the collector-emitter path of the bipolar main switch Tl such that it blocks the flow of current during forward operation of the bipolar main switch Tl.
  • the series connection of a diode D2 and a capacitor C2 is coupled in series between the secondary winding L4i and the control electrode of the bipolar main switch T1, wherein a zener diode D4 is connected in parallel with the capacitor C2 for limiting the voltage.
  • an ohmic resistance R2 is connected between the coupling point Nl of the capacitor C2 and the control electrode of the bipolar main switch Tl egg ⁇ neminte and the terminal GE1 / GA1 on the other hand.
  • an ohmic resistance R2 is connected between the Kopp ⁇ ment point N2 of the diode D2 and the capacitor C2 on the one hand ⁇ and the terminal GE1 / GA1 on the other hand.
  • the diode D3 is preferably designed as a Schottky diode.
  • the bipolar main switch Tl is formed as an NPN transistor
  • the auxiliary switch T2 is formed complementary thereto, that is, as a PNP transistor and vice versa.
  • an ohmic resistor Rl is coupled between the secondary winding L4i and the control electrode of the auxiliary switch T2.
  • Fig. 5 in which the time course of Collector-emitter voltage U ce and the collector current I c of the bipolar main switch Tl is shown.
  • the transistor T1 is again in the blocking state, whereupon the diode Dl takes over the current again.
  • that is at a negative half-wave of the input voltage U ac is the Current I c approximately zero, wherein from the time t4 and the diode Dl goes into its non-conducting state and the voltage U ce increases to its high blocking value.
  • the transistor Tl in the inverse mode as quickly as possible from ⁇ switch on.
  • Towards the end of the inverse phase are at the collector gate due to the diode D has a potential of about -1 V.
  • To turn off the base of the transistor Tl must be negati ⁇ ver than the collector, to extract the charge carriers from the base. Without the capacitor C2, the base of the transistor T1 would indeed be at a potential of about 0 V, but not more negative than the voltage applied to the collector -1 V.
  • the capacitor C2 and the diode D4 are dimensioned such that approximately 2.5 V drop across them.
  • the capacitor C2 thus acts as a voltage source. If the auxiliary switch T2 is turned on switches, the left terminal of the capacitor C2 is set to approximately reference potential, ie the potential at the terminal GE1 / GA1. The right terminal of the capacitor C2 is pulled down according to the charge on the capacitor C2. Characterized a negative potential to the base of transistor Tl is generated, whereby a trailing switching acceleration is achieved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchrongleichrichter mit mindestens einer Gleichrichterzelle (Gi), die über eine Sekundärwicklung (L4i) eines zwischen den Eingangsanschlüssen (E1, E2) des Synchrongleichrichters angeordneten Transformators (Tr1) versorgt wird. Die Gleichrichterzelle (Gi) umfasst einen im Inversbetrieb betriebenen bipolaren Hauptschalter (T1), wobei in der Basisleitung des bipolaren Hauptschalters (T1) ein Energiespeicher (C2) vorgesehen ist, der in Verbindung mit einem Hilfsschalter (T2), der durch die betreffende Sekundärwicklung (L4i) für den bipolaren Hauptschalter (T1) mitgesteuert wird, dafür sorgt, dass der Hauptschalter (T1) vor Beendigung der Inversphase ausgeschaltet wird.

Description

Beschreibung
Synchrongleichrichter
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchrongleichrichter mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Wechsels- pannungsquelle, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss zum Bereitstellen einer Gleichspannung, mindestens einem Transformator mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung seriell zum ersten Ein- gangsanschluss gekoppelt ist, sowie mindestens einer Gleichrichterzelle, wobei die mindestens eine Gleichrich¬ terzelle umfasst: einen ersten und einen zweiten An- schluss, wobei der erste Anschluss der Gleichrichterzelle mit einem der Eingangsanschlüsse des Synchrongleichrich- ters gekoppelt ist, wobei der zweite Anschluss der Gleichrichterzelle mit einem der Ausgangsanschlüsse des Synchrongleichrichters gekoppelt ist, einen bipolaren Hauptschalter mit einer Steuerelektrode, einer Arbeits¬ elektrode und einer Bezugselektrode, wobei der bipolare Hauptschalter zwischen den ersten und den zweiten Anschluss der Gleichrichterzelle gekoppelt ist, eine erste Diode, die derart zur Kollektor-Emitter-Strecke des bipo¬ laren Hauptschalters gekoppelt ist, dass sie im Vorwärts¬ betrieb des bipolaren Hauptschalters den Stromfluss sperrt, und die mindestens eine Sekundärwicklung, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung mit der Steuerelekt¬ rode des bipolaren Hauptschalters gekoppelt ist. Stand der Technik
In diesem Zusammenhang sind aus der DE 10 2008 018 390 AI die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Synchrongleichrichter bekannt, bei denen mehrere des in Fig. 3 darge¬ stellten Typs von Gleichrichterzellen Gi eingesetzt wer- den. Fig. 1 zeigt einen Synchrongleichrichter, der als Brückengleichrichter aufgebaut ist, während Fig. 2 einen als Mittelpunktgleichrichter aufgebauten Synchrongleichrichter zeigt. Für Details zu den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Strukturen wird auf die genannte DE 10 2008 018 390 AI verwiesen. Wie in Fig. 3 angedeu¬ tet, kann der Wicklungssinn der Sekundärwicklung der jeweiligen Gleichrichterzelle Gi variieren, ebenso wie der Umstand, welcher der beiden Anschlüsse als Eingang, wel¬ cher als Ausgang der Gleichrichterzelle verwendet wird, je nachdem welcher Synchrongleichrichter aufgebaut wird und je nach Position der Gleichrichterzelle Gi innerhalb des jeweiligen Synchrongleichrichters. Ein Anschluss der Gleichrichterzelle Gi ist deshalb mit GE1 bzw. GA1 be¬ zeichnet, der andere entsprechend mit GA1 bzw. GE1 be- zeichnet.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Mittelpunktgleichrichter bilden die Induktivitäten LI, L2, L3 einen Transformator Tr2 mit Mittelanzapfung (center tapped) , während die Induktivitäten L12, L13, die seriell zu den Sekundärwick- lungen L2, L3 des Transformators Tr2 angeordnet sind, die Primärwicklungen eines Steuertransformators Tri sind, dessen Sekundärwicklungen in den jeweiligen Gleichrichterzellen Gi angeordnet sind. Gegenüber den aus dem Aufsatz „A New Synchronous Recti- fier Using Bipolar Transistor Driven by Current Transformer" von Sakai, E. und Harada, K., erschienen in 14th International Telecommunications Energy Conference 1992, INTELEC '92, 4-8 Oct. 1992, Seiten 424-429, werden bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten, bekannten Szenarien die Bipolartransistoren im Vorwärtsbetrieb gesperrt und im Inversbetrieb leitend betrieben. Dadurch lässt sich der Bereich von Betriebsspannungen, mit denen derartige Synchrongleichrichter betrieben werden können, deutlich vergrößern. Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf den Aufsatz „Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism", Infineon Application Note AN 2012- 03 V2.1 March 2012, den Aufsatz "Control Driven Synchronous Rectifiers In Phase Shifted Füll Bridge Converters", Texas Instruments Application Note SLUA 287 sowie den Aufsatz "A novel high efficient approach to input bridges" von Davide Giacomini und Luigi Chine, vorge- stellt auf der PCIM 2008.
Verwendet man die in Fig. 3 dargestellte Gleichrichter¬ zelle Gi bei den Synchrongleichrichtern gemäß Fig. 1 und Fig. 2, so hat sich in der Praxis bei Betriebsfrequenzen ab etwa 20 kHz eine unbefriedigende Effizienz ergeben. Der Betrieb derartiger Synchrongleichrichter mit möglichst hohen Frequenzen ist jedoch erwünscht, um die mag¬ netischen Bauteile klein zu halten.
Aus der US 2002/0110005 AI ist ein Leistungskonverter bekannt, der synchrone Gleichrichter verwendet. In der Fi- gur 4 der genannten Druckschrift ist eine Gleichrichterzelle dargestellt, die einen ersten und einen zweiten Hauptschalter aufweist. Dem ersten Hauptschalter ist ein erster Hilfsschalter, dem zweiten Hauptschalter ein zweiter Hilfsschalter zugeordnet. Ein erster Kondensator ist mit einer ersten Hilfswicklung gekoppelt, ein zweiter Kondensator mit einer zweiten Hilfswicklung. Um einen Entladepfad für die Gate-Anschlüsse der Hauptschalter be¬ reitzustellen, wenn diese im Aus-Zustand sind, ist der Gate-Anschluss des ersten Hauptschalters mit dem nicht mit der ersten Hilfswicklung gekoppelten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt, wobei der Gate-Anschluss des zweiten Hilfsschalters mit dem nicht mit der zweiten Hilfswicklung gekoppelten Anschluss des zweiten Kondensators gekoppelt ist. Die Strecke Source-Drain des ersten Hilfsschalters ist zwischen den nicht mit der ersten Hilfswicklung gekoppelten Anschluss des ersten Kondensators und das Bezugspotential gekoppelt. Auf diese Weise kann durch Leitendschalten des ersten Hilfsschalters der Gate-Anschluss des ersten Hauptschalters entladen werden. Entsprechendes gilt mit Bezug auf den zweiten Hilfsschal- ter und den zweiten Hauptschalter.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen gattungsgemäßen Synchrongleichrichter derart weiterzubilden, dass bei Betriebsfrequenzen jenseits von 20 kHz ein besserer Wirkungsgrad ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Synchrongleichrichter mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für die schlechte Effizienz der aus dem Stand der Technik bekannten Synchrongleichrichter ab Frequenzen von ca. 20 kHz die vergleichsweise große Speicherzeit der in den Gleichrichterzellen verwendeten bipolaren Transistoren verantwortlich ist. Bei Frequenzen von beispielsweise 100 kHz beträgt eine Halbperiode des Eingangssignals 5 ys . Demgegenüber beträgt die Speicherzeit der verwende¬ ten Bipolartransistoren ca. 1 ys . Dies hat zur Folge, dass die verwendeten Bipolartransistoren nicht mehr schnell genug ausgeschaltet werden können, um zu sperren. Dadurch treten gleichzeitig Spannung und Strom im Transistor auf, wodurch Verluste entstehen, die zu einem unerwünscht niedrigen Wirkungsgrad derartiger Synchrongleichrichter führen. Insbesondere pulsförmigen Strömen, bei denen die Stromänderung vergleichsweise schnell er- folgt, kann der Bipolartransistor nur verzögert folgen.
Das resultiert in einem unerwünscht langsamen und ver¬ lustbehafteten Ausschaltvorgang.
Die vorliegende Erfindung beseitigt dieses Problem, indem die Ansteuerung des Bipolartransistors gegenüber der be- kannten Gleichrichterzelle Gi derart modifiziert wird, dass eine deutliche Ausschaltbeschleunigung erreicht wird. Diese ist so ausgebildet, dass dann, wenn der Strom in der jeweiligen Gleichrichterzelle gegen null geht, diese den entsprechenden Bipolartransistor besonders schnell ausschaltet.
Dies wird grundsätzlich dadurch erreicht, dass die min¬ destens eine Gleichrichterzelle weiterhin einen Energie¬ speicher umfasst, der seriell zwischen die Sekundärwicklung und die Steuerelektrode des bipolaren Hauptschalters gekoppelt ist, sowie einen Hilfsschalter mit einer Steu- erelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugs¬ elektrode, der zwischen den Kopplungspunkt des Energie¬ speichers mit der Sekundärwicklung einerseits und den ersten Anschluss der Gleichrichterzelle andererseits ge- koppelt ist, wobei die Steuerelektrode des Hilfsschalters ebenfalls mit der mindestens einen Sekundärwicklung ge¬ koppelt ist.
Auf diese Weise wird erreicht, dass der Hilfsschalter durch die betreffende Sekundärwicklung für den bipolaren Hauptschalter mitgesteuert wird und dafür sorgt, dass der Hauptschalter vor Beendigung der Inversphase ausgeschaltet wird. Bei einem npn-Bipolartransistor ist dabei der Vorwärtsbetrieb dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung Uce größer null ist. Entsprechend gilt im Inversbetrieb, dass Uce kleiner null ist. Für einen pnp- Bipolartransistor ist in umgekehrter Weise im Vorwärtsbetrieb die Spannung Uce kleiner null, während in seinem Inversbetrieb die Spannung Uce größer null ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, Rück- ströme des bipolaren Hauptschalters einer Gleichrichterzelle vollkommen zu vermeiden. Damit steigt die Effizienz eines damit aufgebauten Synchrongleichrichters deutlich an, und eine effiziente Anwendung bei Frequenzen größer gleich 20 kHz, insbesondere bei etwa 100 kHz und mehr, wird ermöglicht.
Die im Nachfolgenden dargestellte Erfindung, die sich auf die Realisierung verbesserter Synchrongleichrichter durch Bereitstellung einer verbesserten Gleichrichterzelle Gi bezieht, ermöglicht nicht nur den Aufbau eines verbesser- ten Synchrongleichrichters als Brückengleichrichter (sie- he Fig. 1) oder als Mittelpunktgleichrichter (siehe Fig. 2), sondern darüber hinaus auch als Einweggleichrichter, beispielsweise als Hauptgleichrichter in einem isolierten Sperrwandler (Flyback) , oder als Stromverdoppler, in welchem eine Hälfte einer Vollbrücke durch zwei voneinander unabhängige Induktivitäten ersetzt ist .
Bevorzugt ist dem Energiespeicher ein Spannungsbegren- zungselement , insbesondere eine Zenerdiode, parallel ge- schaltet. Auf diese Weise lässt sich eine definierte, be¬ grenzte Spannung am Energiespeicher einstellen. Da die Verluste sekundärseitig proportional zum Produkt aus Strom und Spannung der Sekundärseite sind, lassen sich durch eine Begrenzung der Spannung mittels des Spannungs- begrenzungselements die Steuerverluste reduzieren.
Bevorzugt stellt der Energiespeicher einen Kondensator dar .
Weiterhin bevorzugt ist der Strecke Steuerelektrode - Be¬ zugselektrode des bipolaren Hauptschalters ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet. Dadurch wird die Sperrfä¬ higkeit des bipolaren Hauptschalters im Vorwärtsbetrieb erhöht, wodurch sich auf einfache Weise eine maximale Spannungsfestigkeit ergibt.
Bevorzugt ist der Hilfsschalter ebenfalls als Bipolar- transistor realisiert. Damit kann er besonders einfach aus der gleichen Stromquelle gespeist werden wie der bi¬ polare Hauptschalter. Demgemäß ist der Transformator, dessen Sekundärwicklung in der jeweiligen Gleichrichterzelle angeordnet ist, als Stromtransformator ausgelegt. Durch das Windungszahlverhältnis von Primärwicklung zu Sekundärwicklung wird das aufgezwungene Stromverstärkungsverhältnis für den Bipolartransistor eingestellt, welches in der Größenordnung oder unterhalb der Sättigungsstromverstärkung des benutzten bipolaren Hauptschal- ters im Inversbetrieb liegen sollte. Für einen Strom¬ transformator ist dabei die Impedanz coL größer zu wählen als die Lastimpedanz durch die verbesserte Gleichrichterzelle Gi . Das bedeutet nichts anderes, als dass der Transformator, dessen Sekundärwicklung in der jeweiligen Gleichrichterzelle liegt, während eines ordnungsgemäßen Betriebs keine nennenswerten Magnetisierungsströme auf¬ baut, geschweige denn in Sättigung geht. Vielmehr arbei¬ tet er wie eine Stromzange, die den Eingangsstrom der je¬ weiligen Gleichrichterzelle misst und linear gemäß dem Windungsverhältnis reduziert innerhalb der Gleichrichter¬ zelle wieder abgibt.
Die Ausräumung der Basisladung des bipolaren Hauptschalters erfolgt mittels des Hilfsschalters, der den ihm ein¬ gespeisten Basisstrom mit seiner Stromverstärkung ver- stärkt und somit verhältnismäßig große Ausräumströme für den bipolaren Hauptschalter ermöglicht, wodurch dieser sehr schnell ausgeschaltet werden kann. Ein MOSFET- Transistor als Hilfsschalter kann prinzipiell auch verwendet werden, würde jedoch den Nachteil einer nicht so genau fixierten Einschaltspannung mit sich bringen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfsschalter komplementär zum bipolaren Hauptschalter ausgebildet. Auf diese Weise ist es besonders einfach möglich, die Basis des bipolaren Hauptschalters unter Ausnutzung der Stromverstärkung des Hilfsschalters mit dem Emitter des Hilfsschalters zur Ausräumung der Basis des bipolaren Hauptschalters zu koppeln.
Die Gleichrichterzelle umfasst bevorzugt eine zweite Dio¬ de, die seriell zwischen die Sekundärwicklung und den Energiespeicher gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des Hilfsschalters mit dem Kopplungspunkt der zweiten Di¬ ode und des Energiespeichers gekoppelt ist. Diese zweite Diode ist nötig, damit der Hilfsschalter steuerbar bleibt. Ist beispielsweise der Energiespeicher geladen und am Transformator tritt eine negative Flanke auf, sperrt diese zweite Diode, der Hilfsschalter wird einge¬ schaltet .
Weiterhin ist es bevorzugt, dass zwischen die Sekundärwicklung und die Steuerelektrode des Hilfsschalters ein ohmscher Widerstand gekoppelt ist. Dieser dient zur Be¬ grenzung des Basisstroms des Hilfsschalters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gleichrichterzelle weiterhin eine dritte Diode, die zwi¬ schen die Bezugselektrode des Hilfsschalters und den ers- ten Anschluss der Gleichrichterzelle gekoppelt ist. Wenn die Spannung an der Steuerelektrode des Hilfsschalters negativer ist als die Spannung an der Arbeitselektrode des Hilfsschalters, dann ist der Hilfsschalter leitend. Die dritte Diode verhindert ein Abziehen von Ladungsträ- gern aus der Basis des bipolaren Hauptschalters, wenn dieser eingeschaltet werden soll. Mit anderen Worten wird ein Inversbetrieb des Hilfsschalters verhindert.
Wie bereits erwähnt, lassen sich mittels einer oder meh¬ rerer erfindungsgemäßer Gleichrichterzellen unterschied- liehe Synchrongleichrichter realisieren. Unter Verwendung einer einzelnen Gleichrichterzelle lässt sich beispiels¬ weise ein für einen Sperrwandler (Flyback) ausgebildeter Synchrongleichrichter realis ieren . Mittels zweier Gleichrichterzellen kann ein als Mittelpunktgleichrichter aus- gebildeter Synchrongleichrichter, mittels vier Gleichrichterzellen einer als Vollbrückengleichrichter ausgebildeter Synchrongleichrichter realisiert werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en) Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen aus dem Stand der Technik bekannten, als Brückengleichrichter ausgebildeten Synchrongleichrichter;
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen aus dem Stand der Technik bekannten, als Mittelpunktgleichrichter ausgebildeten Synchrongleichrichter;
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine bei den in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Synchrongleichrichtern zu verwendende, aus dem Stand der Technik be¬ kannte Gleichrichterzelle Gi;
Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleichrichterzelle Gi; und Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Kollektor-Emitter- Spannung Uce des bipolaren Hauptschalters sowie - Il des Kollektorstroms Ic des bipolaren Hauptschal¬ ters eines unter Verwendung einer erfindungsgemä¬ ßen Gleichrichterzelle als Brückengleichrichter aufgebauten Synchrongleichrichters .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Im Nachfolgenden wird die in Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäße Gleichrichterzelle Gi detailliert beschrie¬ ben. Mit ihr lassen sich erfindungsgemäße Synchrongleichrichter als Brückengleichrichter, wie in Fig. 1 dargestellt, als Mittelpunktgleichrichter, wie in Fig. 2 dar- gestellt, oder als Einweggleichrichter, beispielsweise im Sperrwandler (Flyback) , realisieren.
Die Gleichrichterzelle Gi umfasst die Sekundärwicklung L4i eines Transformators Tri, dessen Primärwicklung L4 seriell zum ersten Eingangsanschluss El des Synchron- gleichrichters gekoppelt ist. Die Gleichrichterzelle Gi weist einen ersten Anschluss GE1 bzw. GA1 sowie einen zweiten Anschluss GA1 bzw. GE1 auf. Welcher der Anschlüsse GE1 oder GA1 mit dem Eingang des Synchrongleichrichters und welcher mit dessem Ausgang gekoppelt ist, hängt von der Position der jeweiligen Gleichrichterzelle Gi innerhalb des Synchrongleichrichters ab.
In einer Gleichrichterzelle Gi ist, wie erwähnt, jeweils eine Sekundärwicklung L4i angeordnet, wobei ebenfalls im Hinblick auf die jeweilige Position innerhalb eines damit aufgebauten Synchrongleichrichters auf den Wicklungssinn zu achten ist. Insofern stellt die in Fig. 4 dargestellte Gleichrichterzelle Gi lediglich ein mögliches Ausfüh- rungsbeispiel dar, an dem die vorliegende Erfindung im Nachfolgenden detailliert beschrieben wird.
Zwischen die Anschlüsse GE1/GA1 und GA1/GE1 ist die Pa¬ rallelschaltung eines bipolaren Hauptschalters Tl und ei- ner Diode Dl gekoppelt. Dabei ist die Diode Dl derart zur Kollektor-Emitter-Strecke des bipolaren Hauptschalters Tl geschaltet, dass sie im Vorwärtsbetrieb des bipolaren Hauptschalters Tl den Stromfluss sperrt. Seriell zwischen die Sekundärwicklung L4i und die Steuerelektrode des bi- polaren Hauptschalters Tl ist die Serienschaltung einer Diode D2 und eines Kondensators C2 gekoppelt, wobei dem Kondensator C2 zur Spannungsbegrenzung eine Zenerdiode D4 parallel geschaltet ist.
Zwischen den Kopplungspunkt Nl des Kondensators C2 und der Steuerelektrode des bipolaren Hauptschalters Tl ei¬ nerseits und den Anschluss GE1/GA1 andererseits ist ein ohmscher Widerstand R2 geschaltet. Zwischen den Kopp¬ lungspunkt N2 der Diode D2 und des Kondensators C2 einer¬ seits sowie den Anschluss GE1/GA1 andererseits ist die Serienschaltung eines Hilfsschalters T2 sowie einer Diode D3 gekoppelt. Die Diode D3 ist bevorzugt als Schottky- Diode ausgebildet. Während der bipolare Hauptschalter Tl als npn-Transistor ausgebildet ist, ist der Hilfsschalter T2 komplementär dazu ausgebildet, das heißt als pnp- Transistor und umgekehrt. Zwischen die Sekundärwicklung L4i und die Steuerelektrode des Hilfsschalters T2 ist ein ohmscher Widerstand Rl gekoppelt.
Zur Erläuterung der Funktionsweise wird ergänzend auf Fig. 5 Bezug genommen, in der der zeitliche Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung Uce sowie des Kollektorstroms Ic des bipolaren Hauptschalters Tl dargestellt ist.
Wird bei an den Ausgängen AI und A2 angeschlossener Last zwischen den Eingangsanschlüssen El und E2 eine Eingangs- Spannung Uac angelegt, wird die Wicklung L4 von einem Strom durchflössen. Infolge der eingezeichneten Kopplung der Wicklungen L4 und L4i führt dies dazu, dass die Wick¬ lung L4i ebenfalls von einem Strom durchflössen wird. Nach dem Auftreten dieses Stroms zum Zeitpunkt tl beginnt zunächst die schnelle Diode Dl zu leiten. Die Kollektor- Emitter-Spannung Uce des Transistors Tl geht von einer sehr hohen Sperrspannung auf etwa -1 V zurück, die an der leitenden Diode Dl abfallen. Daraufhin stellt sich der Inversbetrieb des Transistors Tl ein, bei dem ein (posi- tiver) Strom von der Sekundärwicklung L4i über die Basis des Transistors Tl in dessen negativ geladenen Kollektor fließt, siehe den Zeitpunkt t2 in der Darstellung von Fig. 5.
Da über dem im Inversbetrieb betriebenen Transistor Tl eine geringere Durchflussspannung abfällt als über der Diode Dl, geht zum Zeitpunkt t2 die Spannung Uce auf -0,2 bis -0,3 V zurück. Dadurch lassen sich die Verluste gegenüber einer Diode auf ca. ein Drittel bis ein Viertel reduzieren. Der Transistor Tl übernimmt den zunächst über die Diode Dl fließenden Strom zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 komplett.
Zum Zeitpunkt t3 geht der Transistor Tl wieder in den sperrenden Zustand über, woraufhin die Diode Dl wieder den Strom übernimmt. Anschließend, das heißt bei einer negativen Halbwelle der Eingangsspannung Uac ist der Strom Ic ungefähr null, wobei ab dem Zeitpunkt t4 auch die Diode Dl in ihren nicht-leitenden Zustand übergeht und die Spannung Uce auf ihren hohen Sperrwert steigt.
Um die Gleichrichterzelle Gi von Fig. 4 für Synchron- gleichrichter geeignet zu machen, die eine Betriebsfre¬ quenz von mehr als 20 kHz, insbesondere von bis zu 100 kHz und mehr aufweisen, sind Vorkehrungen zu treffen, den Transistor Tl im Inversbetrieb möglichst schnell aus¬ zuschalten. Gegen Ende der Inversphase liegen am Kollek- tor infolge der Diode Dl ein Potential von ungefähr -1 V. Zum Ausschalten muss die Basis des Transistors Tl negati¬ ver sein als des Kollektors, um Ladungsträger aus der Basis herauszuziehen. Ohne den Kondensator C2 wäre die Basis des Transistors Tl zwar auf einem Potential von etwa 0 V, aber nicht negativer als die am Kollektor anliegenden -1 V. Um ein Potential von -1 V an der Basis des Transistors Tl zu erzeugen, muss unter Berücksichtigung, dass die über dem Schalter T2 und die Diode D3 abfallende Spannung etwa 0,5 V beträgt, der Kondensator C2 und die Diode D4 so dimensioniert sein, dass über ihnen ca. 2,5 V abfallen. Es gilt: UC(T1) + Uec(T2) + UD3 = -1 V - 0,5 V = -1,5 V; das heißt ab Spannungen von UC2 > 1,5 V wird ein negatives Potential an der Basis des Transistors Tl erzeugt. Damit an der Basis des Transistors Tl -1 V anliegen, muss demnach die Spannung UC2 auf 1,5 V + 1 V = 2,5 V dimensioniert werden. Dann ist ein schnelles Ausschalten des Transistors Tl im Inversbetrieb ermöglicht.
Mit anderen Worten wirkt der Kondensator C2 demnach als Spannungsquelle. Wird der Hilfsschalter T2 leitend ge- schaltet, wird der linke Anschluss des Kondensators C2 auf etwa Bezugspotential, d.h. das Potential am Anschluss GE1/GA1, gesetzt. Der rechte Anschluss des Kondensators C2 wird entsprechend der Ladung auf dem Kondensator C2 nach unten gezogen. Dadurch wird ein negatives Potential an der Basis des Transistors Tl erzeugt, wodurch eine Ab¬ schaltbeschleunigung erzielt wird.

Claims

Ansprüche
Synchrongleichrichter mit
- einem Eingang mit einem ersten (El) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Koppeln mit einer Wechselspannungsquelle,·
- einem Ausgang mit einem ersten (AI) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Bereitstellen einer Gleichspannung;
- mindestens einem Transformator (Tri) mit mindestens einer Primärwicklung (L4) und mindestens einer Sekundärwicklung (L4i) , wobei die Primärwicklung (L4) seriell zum ersten Eingangsanschluss (El) gekoppelt ist; sowie
- mindestens einer Gleichrichterzelle (Gi) , wobei die mindestens eine Gleichrichterzelle (Gi) umfasst:
-- einen ersten (GE1/GA1) und einen zweiten An- schluss (GA1/GE1) , wobei der erste Anschluss (GE1/GA1) der Gleichrichterzelle (Gi) mit einem der Eingangsanschlüsse (El; E2) des Synchron¬ gleichrichters gekoppelt ist, wobei der zweite Anschluss (GA1/GE1) der Gleichrichterzelle (Gi) mit einem der Ausgangsanschlüsse (AI; A2) des Synchrongleichrichters gekoppelt ist;
-- einen bipolaren Hauptschalter (Tl) mit einer Steuerelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, wobei der bipolare Hauptschalter (Tl) zwischen den ersten (GE1/GA1) und den zweiten Anschluss (GA1/GE1) der Gleichrichterzelle (Gi) gekoppelt ist;
-- eine erste Diode (Dl), die derart zur Kollektor- Emitter-Strecke des bipolaren Hauptschalters (Tl) gekoppelt ist, dass sie im Vorwärtsbetrieb des bipolaren Hauptschalters (Tl) den Stromfluss sperrt; und
-- die mindestens eine Sekundärwicklung (L4i) , wobei die mindestens eine Sekundärwicklung (L4i) mit der Steuerelektrode des bipolaren Hauptschalters (Tl) gekoppelt ist;
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Gleichrichterzelle (Gi) wei¬ terhin umfasst:
- einen Energiespeicher (C2) , der seriell zwischen die Sekundärwicklung (L4i) und die Steuerelektrode des bipolaren Hauptschalters (Tl) gekoppelt ist, sowie
- einen Hilfsschalter (T2) mit einer Steuerelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, der zwischen den Kopplungspunkt des Energiespeichers (C2) mit der Sekundärwicklung (L4i) einerseits und den ersten Anschluss (GE1/GA1) der Gleichrichterzel¬ le (Gi) andererseits gekoppelt ist, wobei die Steu¬ erelektrode des Hilfsschalters (T2) ebenfalls mit der mindestens einen Sekundärwicklung (L4i) gekoppelt ist.
Synchrongleichrichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Energiespeicher (C2) ein Spannungsbegren zungselement (D4), insbesondere eine Zenerdiode, pa rallel geschaltet ist.
Synchrongleichrichter nach einem der Ansprüche 1 ode 2,
dadurch gekennzeichnet, - I S dass der Energiespeicher (C2) einen Kondensator darstellt .
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strecke Steuerelektrode - Bezugselektrode des bipolarer Hauptschalters (Tl) ein ohmscher Widerstand (R2) parallel geschaltet ist.
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hilfsschalter (T2) einen Bipolartransistor darstellt .
Synchrongleichrichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hilfsschalter (T2) komplementär zum bipolarer Hauptschalter (Tl) ausgebildet ist.
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichrichterzelle (Gi) weiterhin eine zweite Diode (D2) umfasst, die seriell zwischen die Sekundär¬ wicklung (L4i) und den Energiespeicher (C2) gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des Hilfsschalters (T2) mit dem Kopplungspunkt der zweiten Diode (D2) und des Energiespeichers (C2) gekoppelt ist. Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen die Sekundärwicklung (L4i) und die Steuerelektrode des Hilfsschalters (T2) ein ohmscher Wi¬ derstand (Rl) gekoppelt ist.
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichrichterzelle (Gi) weiterhin eine dritte Diode (D3) umfasst, die zwischen die Bezugselektrode des Hilfsschalters (T2) und den ersten Anschluss (GA1/GE1) der Gleichrichterzelle (Gi) gekoppelt ist.
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Synchrongleichrichter genau eine Gleichrichterzelle (Gi) umfasst.
Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Synchrongleichrichter zwei Gleichrichterzellen (Gi) umfasst und als Mittelpunktgleichrichter ausgebildet ist. 12. Synchrongleichrichter nach einem der vorhergeh' Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongleichrichter vier Gleichrichterzellen (Gi) umfasst und als Vollbrückengleichrich- ter ausgebildet ist.
13. Synchrongleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Transformator (Tri) als Stromtransformator ausgebildet ist.
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