CH648966A5 - Flyback converter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fremdgesteuerten Sperrwandler mit wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter, mit induktiver Energiespeicherung während einer ersten Schaltphase und Energieweitergabe während einer zweiten Schaltphase. Solche Sperrwandler werden meistens als Gleichspannungswandler verwendet.

Bekannt sind Eintaktsperrwandler (S.W. Wagner: Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte, R.V. Dek-ker's Verlag, G. Schenck GmbH, Hamburg), die nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Sie sind jedoch keine Wechselspannungswandler, haben getrennte Ein- und Ausgänge und sind nicht frei modulierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der bekannten Sperrwandlerschaltung, eine niederfrequente Speisespannung in eine modulierbare, höhere Trägerfrequenzspannung umzuwandeln, und zwar so, dass die letztere auf wirtschaftlichste Art und Weise wieder dem Niederfrequenzspannungsnetz zugeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der fremdgesteuerte Sperrwandler einen im Gegentakt zum ersten steuerbaren Halbleiterschalter betriebenen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter und eine Spule mit Mittelpunktanzapfung aufweist und als Polaritätsumkehrglieder enthaltender Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein- und Ausgang ausgebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Prinzipschaltbild eines fremdgesteuerten Sperrwandlers.

Der fremdgesteuerte Sperrwandler besteht in der Hauptsache aus einer Spule 1, einem ersten steuerbaren Halbleiterschalter 2 und einem zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 3. Die Spule 1 besitzt eine Mittelpunktanzapfung 4, welche die Spule 1 elektrisch in eine erste Teilspule 5 und eine zweite Teilspule 6 unterteilt. Eine an einer Leitung 7 anliegende Niederfrequenzspannung Ui speist den Sperrwandler über ein erstes Tiefpassfilter 8 und die Mittelpunktanzapfung 4. Den beiden Halbleiterschaltern 2 und 3 ist ein Steuergerät 9 zugeordnet. Der Sperrwandler enthält in Serie zum Halbleiterschalter 2 einen ersten Strom-/Spannungswandler 10 und in Serie zum Halbleiterschalter 3 einen zweiten Strom-/Span-nungswandler 11. Im einfachsten Fall sind die Strom-/Span-nungswandler 10 und 11 elektrische Widerstände.

Vorteilhaft wird das Steuergerät 9 mittels eines Schaltreglers 12 realisiert. Einen ersten Istwert Sii proportional zum Schaltstrom Ii des Halbleiterschalters 2 erhält der Schaltregler 12 über ein erstes Addierglied 13 vom Strom-/Span-nungswandler 10 und einen zweiten Istwert SI2 proportional zum Schaltstrom I2 des Halbleiterschalters 3 über das Addierglied 13 vom Strom-/Spannungswandler 11. Der Sollwert SO des Schaltreglers 12 besteht aus einem Gleichspannungsanteil U2 und einem Wechselspannungsanteil U3, wobei der Gleichspannungsanteil IJ2 den Schaltregler 12 über ein Addierglied 14 und der Wechselspannungsanteil U3 den Schaltregler 12 über einen ersten Umschalter 15, ein analoges erstes Polaritätsumkehrglied 16 und das Addierglied 14 erreicht. Mit Vorteil besteht das Polaritätsumkehrglied 16 aus einem 180°-Phasenschieber. Das Steuergerät 9 enthält ferner am Ausgang des Schaltreglers 12 einen zweiten Umschalter 17 und ein digitales zweites Polaritätsumkehrglied 18, letzteres vorteilhaft in Form eines Impulsinverters.

Den beiden Steuereingängen der Umschalter 15 und 17 ist ein Polaritäts-Detektor 19 und ein zweites Tiefpassfilter 20 zugeordnet, das von der Ausgangsspannung U4 des ersten Tiefpassfilters 8 gespeist ist. Der Sperrwandler enthält zusätzlich noch eine erste Kommutierhilfe 21 und eine zweite Kom-mutierhilfe 22. Der Halbleiterschalter 2 wird mit Hilfe eines ersten Verstärkers 23 und der Halbleiterschalter 3 mit Hilfe eines zweiten Verstärkers 24 angesteuert.

Die beiden steuerbaren Halbleiterschalter 2 und 3 arbeiten im Gegentaktbetrieb. Während einer ersten Schaltphase ist der Halbleiterschalter 2 geschlossen und der Halbleiterschalter 3 offen; umgekehrt befindet sich der Schalter 2 während einer zweiten Schaltphase in offener und der Schalter 3 in geschlossener Stellung. Die Schaltfrequenz ist dabei um einiges höher als diejenige der Niederfrequenzspannung Ui. Die beiden Strom-/Spannungswandler 10 und 11 messen die in den Halbleiterschaltern 2 und 3 fliessenden Schaltströme Ii und I2, wandeln sie in Spannungen um und führen sie als Istwerte Sii und SI2 dem Steuergerät 9 beziehungsweise dessen Addierglied 13 zu. Die beiden Schaltströme Ii und I2 durchqueren das Tiefpassfilter 8, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Sendefrequenz liegt, in entgegengesetzter Richtung, so dass der Niederfrequenzspannung Ui ein höherfrequentes Rechtecksignal überlagert ist.

Während der ersten Schaltphase der Halbleiterschalter 2

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und 3 liefert die positive Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui Energie an die Teilspule 5 vermittels des Stromes Ii, welcher über das Tiefpassfilter 8, die Teilspule 5, den Halbleiterschalter 2 und den Strom-/Spannungswandler 10 nach Masse fliesst. Zu Beginn der zweiten Schaltphase sorgt die 5 Spuleninduktivität dafür, dass der in der Teilspule 5 fliessende Strom Ii von der Teilspule 6 als Strom h übernommen wird, wobei im ersten Augenblick h gleich Ii ist. In dieser Schaltphase gibt die Teilspule 6 wieder Energie an das Netz zurück. 10

Zur Kompensation der Energieverluste muss die Niederfrequenzspannung Ui während der ersten Schaltphase mehr, das heisst länger Energie an die Teilspule 5 liefern, als sie während der zweiten Schaltphase von der Teilspule 6 zurückerhält. Der Schaltregler 12 des Steuergerätes 9 vergleicht 15 daher die vom Addierglied 13 gelieferte Summe der beiden Istwerte Sii und SI2 mit dem Sollwert SO und hält so die Summe der beiden Schaltströme Ii und I2 annähernd konstant. Der Schaltregler 12 und der Wechselspannungsanteil U3 des Sollwertes SO bestimmen somit indirekt die Dauer der 20 beiden Schaltphasen und damit auch die Ausgangsfrequenz des Sperrwandlers, welche immer um einiges höher ist als die Frequenz der Niederfrequenzspannung Ui. Der Sperrwandler arbeitet somit als Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein-und Ausgang. Mit Vorteil wird als Wechselspannungsanteil 25 Li3 des Sollwertes SO eine Sägezahnspannung verwendet.

Während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui sind die Rollen der Teilspule 5, des Halbleiterschalters 2 und des Strom-/Spannungswandlers 10 einerseits und diejenigen der Teilspule 6, des Halbleiterschalters 3 und 30 des Strom-/Spannungswandlers 11 anderseits vertauscht. Während dieser negativen Halbwelle muss der Regel-Sinn des Schaltreglers 12 mit Hilfe des Umschalters 17 und des digitalen Polaritätsumkehrgliedes 18 umgekehrt werden. Um trotzdem ein phasenkorrektes Ausgangssignal zu erhalten, muss 35

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der Umschalter 15 das analoge Polaritätsumkehrglied 16 während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung Ui in Betrieb nehmen. Zur Steuerung der Umschalter 15 und 17 dient die mittels des zweiten Tiefpassfilters 20 gefilterte und mittels des Polaritäts-Detektors 19 in ein Rechtecksignal umgewandelte Ausgangsspannung Ut des ersten Tiefpassfilters 8. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 20 liegt z.B. unterhalb der Sendefrequenz, aber oberhalb der Netzfrequenz.

Der gezeichnete Schaltungsaufbau enthält je einen PNP-und einen NPN-Transistor als Halbleiterschalter 2 und 3, was den Vorteil einer einfachen Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter 2 und 3 hat. Zur Vereinfachung der Lagerhaltung und der Anpassung bei der Auswahl der Transistoren können aber auch, unter gleichzeitiger Schaltungsanpassung der Verstärker 23 und 24, zwei Transistoren vom gleichen Typ, PNP oder NPN, Verwendung finden.

Zum Schutze der Halbleiterschalter vor Schalt-Überspan-nungen ist der Sperrwandler mit Kommutierhilfen 21 und 22 in Form von nichtlinearen Schaltungsgliedern versehen. Hierfür eignen sich vor allem spannungsabhängige, zu den Teilspulen 5 und 6 parallelgeschaltete sogenannte VDR-Widerstände.

Der als Frequenzwandler arbeitende Sperrwandler kann als Sender benutzt werden, indem entweder der Gleichspannungsanteil U2 des Sollwertes SO amplitudenmoduliert oder der Wechselspannungsanteil U3 des Sollwertes SO frequenz-oder phasenmoduliert wird. Wählt man als Niederfrequenzspannung Ui die Spannung eines Versorgungsnetzes für elektrische Energie, so verwendet der Sender als Übertragungskanal das Energieversorgungsnetz zum Übermitteln von Informationen. Vorteile eines solchen Senders sind der einfache Schaltungsaufbau, insbesondere der Wegfall von Kondensatoren und einer aufwendigen Gleichrichter-Speisung.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

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1. Fremdgesteuerter Sperrwandler mit wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter, mit induktiver Energiespei-cherung während einer ersten Schaltphase und Energieweitergabe an den Verbraucher während einer zweiten Schaltphase, dadurch gekennzeichnet, dass er einen im Gegentakt zum ersten steuerbaren Halbleiterschalter (2) betriebenen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter (3) und eine Spule (1) mit Mittelpunktanzapfung (4) aufweist und als Polaritätsumkehrglieder (16,18) enthaltender Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein- und Ausgang ausgebildet ist.

2. Sperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschalter (2,3) je ein PNP- und ein NPN-Transistor dient.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Sperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschalter (2, 3) zwei gleichartige Transistoren dienen.

4. Sperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (2,3) mit Kommutierhilfen (21,22) in Form von nichtlinearen Schaltungsgliedern versehen sind.

5. Sperrwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kommutierhilfen (21, 22) parallel zu den Teilspulen (5,6) geschaltete VDR-Widerstände dienen.

6. Sperrwandler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Halbleiterschalter (2,3) ein Schaltregler (12) angeordnet ist, welcher die Summe der Ströme (Ii, I2) der beiden Halbleiterschalter (2, 3) annähernd konstant hält.

7. Sperrwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (SO) des Schaltreglers (12) einen Wechselspannungsanteil (U3) und einen Gleichspannungsanteil (U2) enthält.

8. Sperrwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Wechselspannungsanteil (Uj) des Sollwertes (SO) eine Sägezahnspannung dient.

9. Verwendung des Sperrwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Sender von Informationen unter Benutzung des Energieversorgungsnetzes als Übertragungskanal.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (SO) bzw. eine der beiden Sollwertkomponenten (TJ2, Lh) mittels eines Niederfrequenzsignals moduliert ist, so dass der Sperrwandler als Sender arbeitet.

11 . Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wandlereingangsspannung (Ui) die Spannung eines Versorgungsnetzes für elektrische Energie dient.