DD254279A1

DD254279A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DD254279A1
Application number: DD86297120A
Authority: DD
Inventors: Werner Bethke; Hans-Joachim Franke
Original assignee: Deutsche Post Rundfunk
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1986-12-05
Publication date: 1988-02-17
Also published as: HU198360B; HUT45666A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit Schalttransistor, Transformator, SOAR-Schutzschaltung und einer Steuer- und Regelschaltung, die zur Stromversorgung in elektrischen und elektronischen Geraeten anwendbar ist. Das Ziel der Verlustleistungsminderung mit geringem Aufwand erfordert die Vermeidung von Zusatzwicklungen und Zusatzinduktivitaeten und direkte Nutzung der Kondensatorumladungsenergie. Die Erfindung loest diese Aufgabe durch eine Erweiterung der SOAR-Schutzschaltung durch fusspunktbezogene Zusatzdioden und Siebmittel, die wenigstens mit den Versorgungsanschluessen der Steuer- und Regelschaltung sowie mit Basis mit Emitter eines Anlauftransistors verbunden sind, der deren Versorgung fuer die Einschaltzeit aus der Eingangsspannung uebernimmt. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit Schalttransistor, Transformator, SOAR-Schutzschaltung und einer Steuer- und Regelschaltung. Sie ist anwendbar zur Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Allgemein übliche Schaltnetzteile bestehen aus der Reihenschaltung eines Schalttransistors mit der Primärwicklung eines Transformators und einer Steuer- und Regelschaltung zur Ansteuerung und Stabilisierung der Ausgangsspannungen sowie aus einer Anzahl von Sekundärwicklungen, von denen wenigstens eine zur Steuer- und Regelschaltung zurückgeführt ist. Zur Einhaltung eines sicheren Arbeitsbereiches (safe operating area: SOAR) der Halbleiterschalter, besonders bei Leistungsschalttransistoren in Schaltnetzteilen, sind häufig Entlastungsnetzwerke, sogenannte SOAR-Schutzschaltungen, erforderlich, welche ein verlustarmes Ausschalten des Halbleiterschalters durch verzögerten Spannungsanstieg an der Schaltstrecke erzwingen (z.B. Wüstehube, Joachim u.a. „Schaltnetzteile", Expert Verlag GmbH, 7031 Grafenau 1/Württ., Postfach 2; DE-PS 2639589).

Das Schaltungsprinzip dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß eine Reihenschaltung eines Kondensators und einer Diode zur Schaltstrecke eines Schalttransistors parallel liegt und der Diode noch ein Widerstand parallelgeschaltet ist, wobei die Diode für die Eingangsspannung Ue in Durchlaßrichtung gepolt ist.

Diese Schaltung bewirkt ein sogenanntes „kapazitives Ausschalten" des Halbleiterschalters, das die Verluste im Halbleiterschalter verringern soll. Dieses entsteht dadurch, daß sich der Kondensator, der zum Zeitpunkt des Öffnens des Halbleiterschalters über den Widerstand entladen ist, über die in Durchlaßrichtung gepolte Diode auflädt. Da dieser der Schaltstrecke des Halbleiterschalters parallelgeschaltet ist, begrenzt er die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an der Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors, bis er die Spannung U_E erreicht. Die im Kondensator gespeicherte Energie, die mindestens der Ausschaltverlustleistung des Halbleiterschalters bei unverändertem Wirkungsgrad entspricht, entlädt sich über den Widerstand. Die Zeitkonstante ist so zu bemessen, daß der Kondensator zum Zeitpunkt des erneuten Öffnens des Halbleiterschalters vollständig entladen ist. Ein Nachteil der SOAR-Schutzschaltung besteht deshalb in der Umsetzung der Energie bei der Entladung über den Widerstand in Wärme, was den elektrischen Wirkungsgrad des Schaltnetzteiles mindert und das benötigte Volumen des Schaltnetzteiles beeinflußt.

Es sind auch veränderte SOAR-Schaltungen bekannt, die durch Zusatzmaßnahmen die Energieverluste und Wärmeeinflüsse vermindern. Eine relativ einfache Struktur (DD-PS 225570) mit einer Zusatzwicklung des Transformators für eine Rückkopplung verlegt die Katode der Diode vom Masseanschluß zur Basis des Schalttransistors, um einen Gegenkopplungsstrom zu erzeugen. Nachteilig ist das kritische Verhältnis von Mit- und Gegenkopplung für sicheres Anschwingen des Schaltnetzteiles, das durch die Zusatzwicklung und die Diodenflußspannung bestimmt ist und damit in der Fertigung schwer beherrschbar. Eine andere bekannte Variante der SOAR-Schaltung (OD-PS 225567) besteht in einem unterteilten Kondensator, von dessen Anzapfung über einen weiteren Kondensator die Basis eines Abschalttransistors gesteuert ist, über dessen Kollektor-Emitterstrecke eine negative Hilfsspannung des Transformators, die auch die Steuer- und Regelschaltung mit Strom versorgt, an die Basis des Schalttransistors gelegt ist. Die beabsichtigte Erhöhung der Funktionssicherheit und des Wirkungsgrades gelingt nur im geringen Maße wegen der Mehrzahl funktionskritischer Zusatzbauelemente und dem geringen Anteil der Kondensatorladung, der einer Nutzung zugeführt ist.

Es ist auch eine Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ausschaltverluste in Halbleiterschaltern bekannt (DE-OS 2719026), die die SOAR-Schaltung durch eine Drossel und eine zweite Diode derart erweitert, daß der Kondensator mit der Drossel einen Schwingkreis bildet, der über die zweite Diode einen Teil der Energie zum Eingang zurückführt. Die Nachteile dieser Schaltung bestehen im Zusatzaufwand für die Drossel und der Frequenzabhängigkeit der Schaltung, die bei der Regelung hinderlich ist. Die gleichen Nachteile weist auch eine unter anderen Ausgangsbedingungen entwickelte Anordnung zur verlustmindernden Nutzung der in einem Entlastungsnetzwerk gespeicherten elektrischen Energie (DE-OS 3241086) bei Anwendung im Schaltnetzteil auf. Alle bekannten Schaltungen benötigen Zusatzwicklungen bzw. zusätzliche bewickelte Bauelemente mit eigenen Verlusten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades des Schaltnetzteiles unter Vermeidung der erwähnten Mangel mit geringem Aufwand an Bauelementen und Volumen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend von dieser Zielstellung ergibt eine Analyse der technischen Mängelursachen, daß die bekannten Versuche zur Wirkungsgradverbesserung in Schaltnetzteilen mit SOAR-Schaltungen die sekundären Verluste der Umspeicherung unberücksichtigt ließen. Diese können sowohl bei Drosseln als auch bei Zusatzwicklungen nicht unberücksichtigt bleiben, da Kupfer-und Eisenverluste unvermeidbar sind. Auch für den Material-und Volumenaufwand sind die Drosseln und Zusatzwicklungen von wesentlicher Bedeutung, weil mit der Zahl der Wicklungen der Isolationsaufwand und die Zahl der Anschlüsse steigen und die Ausnutzbarkeit der Typenleistung und der Wirkungsgrad des Transformators sinkt. Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in der vollständigen Vermeidung von Zusatzwicklungen und Zusatzinduktivitäten für den gesamten Primärkreis und Nutzung der Kondensatorumladungsenergie der SOAR-Schaltung für diese Zwecke und zusätzliche Versorgungsaufgaben.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die SOAR-Schaltung durch fußpunktbezogene Zusatzdioden und Siebmittel ergänzt ist, die wenigstens mit Stromversorgungsanschlüssen der Steuer- und Regelschaltung und Basis und Emitter eines Anlauftransistors verbunden sind, dessen Basis und Kollektor mit der Eingangsspannung verbunden sind. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in Serie mit dem Widerstand des SOAR-Gliedes eine Z-Diode liegt, zu der als Siebmittel die Reihenschaltung einer rückflußsperrenden Diode und eines Ladekondensators parallel liegt. Der besondere Effekt der Erfindung besteht darin, daß die Versorgungsleistung aller Elemente des Primärkreises an den fußpunktseitig angeordneten Zusafzdioden des SOAR-Gliedes abgreifbar sind, selbst wenn symmetrische Versorgungsspannungen erforderlich sind. Auch die Versorgung zusätzlicher Verbraucher ist auf den gleichen Fußpunkt bezogen. Die Siebglieder übernehmen die Funktion induktiver Zusatzspeicher. Spannungsteilerwiderstandsverluste entfallen. Der impulsförmige Ladestrom des am Kollektor des Halbleiterschalters liegenden Kondensators (SOAR-Kondensator) fließt über die Zusatzdioden, für die Zenerdioden, Leuchtdioden, Mehrfachdioden bzw. Diodenstrecken anderer Halbleiterbauelemente mit geeigneter Durchlaßspannung verwendbar sind und erzeugt einen Spannungsabfall, der, bezogen auf das Bezugspotential, positiv gerichtet ist. Nach Glättung einer Teilspannung in den Siebmitteln dient diese der internen Stromversorgung des Primärkreises des Schaltnetzteiles. Der Anlauftransistor sorgt bis zur Betriebsbereitschaft der Steuer- und Regelschaltung für den Anlauf. So ist bei guter frequenzunabhängiger SOAR-Schutzwirkung eine interne Stromversorgung erreicht.

Ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Reihenschaltung einer Z-Diode, die die Verbindung zum negativen Bezugspotential herstellt, und einer Diode in Durchlaßrichtung eingesetzt, dann ergibt sich die Höhe derTeilspannung am Ladekondensator aus derZ-Spannung dieser und der Flußspannung der in Reihe geschalteten Diode und kann durch deren Wahl bestimmt sein. Der gegenüber dem Pluspotential der Spannung am Ladekondensator potentialmäßig negativ liegende Punkt, an dem die beiden Katoden der Dioden zusammenliegen, ist herausgeführt und dient zur Abschaltung des Anlauftransistors im eingeschwungenen Zustand.

Bei durchgesteuertem Halbleiterschalter fließt der Entladestrom des SOAR-Kondensators über die im Entladestromkreis liegenden Zusatzdioden. Beim Einsatz einer Z-Diode ist diese so geschaltet, daß an ihr entsprechend ihrer Z-Spannung eine gegenüber dem Bezugspotential negativ gerichtete Spannung entsteht. Der Einsatz einer rückflußsperrenden Diode vor dem Ladekondensator bewirkt eine Siebung dieser negativen Spannung, die entwederfür eine symmetrische zu versorgende Steuer- und Regelschaltung oder für sonstige Stromversorgungs- und Schaltzwecke zur Verfugung steht.

Der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung ist dadurch verbessert, daß nurderTeil derSOAR-Kondensatorenergiean dem Widerstand in Wärme umgesetzt wird, den die primärseitigen Verbraucher (Steuer- und Regelschaltung und andere Verbraucher ohne Erfordernis galvanischerTrennung vom Primärkreis) nicht benötigen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung ist ein Sperrwandler-Schaltnetzteil mit einer nach der Erfindung abgewandelten SOAR-Schutzschaltung 17, die gestrichelt umrahmt dargestellt ist, gezeigt.

Die Grundschaltung eines Sperrwandler-Schaltnetzteiles besteht in bekannter Weise aus einem Transformator 2, dessen Primärwicklung I über einen als Schalter arbeitenden Schalttransistor 1 periodisch an die Eingangsspannung U_E angeschaltet ist. An der Sekundärwicklung Il des Transformators ist über eine Gleichrichterschaltung 18 am Ladekondensator 21 die Ausgangsspannung U_Afür den Verbraucher 20 abgenommen. Zur Realisierung einer Steuer- und Regelschaltung liegt die Ausgangsspannung Ua !gleichzeitig am Eingang einer Referenzspannungsstufe 23 an. Die Referenzspannungsstufe 23 speist die emittierende Diode eines Optokopplers 22, dessen Ausgang über einen frequenzmodulierten Taktgeber 6 mit der Basis des Schalttransistors 1 in Verbindung steht. *

Ein Widerstand 11 sorgt bei nicht selbstschwingender Schaltung dafür, daß derTaktgenerator6und der Optokoppler 22 beim Einschaltvorgang, also beim Anlegen der Eingangsspannung U_E, eine Betriebsspannung erhält, da der Widerstand 12 in hinreichend bekannter Weise bewirkt, daß der Anlauftransistor 13 geöffnet ist.

Die SOAR-Schutzschaltung 17 besteht aus der Reihenschaltung des Kondensators 3 mit den Dioden 4 und 8, die gegenüber dem Bezugspotential 19 in Durchlaßrichtung liegen und der Z-Diode 9, die gegenüber dem Bezugspotential 19 in Sperrichtung geschaltet ist. Parallel zu den Zusatzdioden 4,8 und 9 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 5 und der gegenüber dem Bezugspotential 19 in Durchlaßrichtung geschalteten Z-Diode 14.

Die Reihenschaltung des Kondensators 3 mit den Dioden 4,8 und 9 bewirkt, daß bei Sperrung des Schalttransistors 1 dessen Kollektor-Emitterspannung verlangsamt ansteigt, da sich der entladene Kondensator 3 auf eine Spannung <2 · Ue auflädt. Der Ladestrom fließt dabei über die Dioden 4, 8 und 9 und bewirkt an diesen Teilspannungen entsprechend dem Spannungsabfall. Im eingeschwungenen Zustand ist der Kondensator 10 auf die Summe der beiden Teilspannungen U₁ und U₂ aufgeladen, die als Betriebsspannung U_Ban der Steuer-und Regelschaltung liegt und einstellbar ist, da sich die Teilspannung U₂ durch die Auswahl derZ-Spannung derZ-Diode9 verändern läßt.

Die durch den Ladestrom des Kondensators 3 verursachte Teilspannung U₁ über die Diode 8 ist zwischen der Basis und dem Emitter des Anlauftransistors 13 angeschlossen und hat gegenüber der den Transistor öffnenden Basis-Emitter-Spannung eine umgekehrte Polarität. Die Teilspannung Ui bewirkt bei hinreichender Größe, daß der Anlauftransistor 13 im eingeschwungenen Zustand des Schaltnetzteiles sicher und schnell sperrt.

Bei durchgesteuertem Schalttransistor 1 erfolgt die Entladung der im Kondensator 3 gespeicherten Energie über den Widerstand 5 und dieZ-Diode 14, da die Diode 4 sperrt. Am Siebkondensator 16 liegt eine gegenüber dem Bezugspotential 19 negativ gerichtete Spannung U3, deren Belastbarkeit gering ist und deren Höhe wesentlich von der Wahl der Z-Spannung der Z-Diode 14 abhängt. Die Diode 15 verhindert das Entladen des Siebkondensators 16 über die Z-Diode 14 nach Abschluß der Entladung des Kondensators 3.

Claims

1. Schaltnetzteil, bestehend aus Schalttransistor, Transformator, SOAR-Schutzschaltung und einer Steuer- und Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die SOAR-Schutzschaltung durch fußpunktbezogene Zusatzdioden (8; 9; 14) undSiebmittel (10; 15; 16) ergänzt ist, die wenigstens mit Stromversorgungsanschlüssen der Steuer- und Regelschaltung und Basis und Emitter eines Anlauftransistors (13) verbunden sind, dessen Basis und Kollektor über Widerstände (11; 12) mit der Eingangsspannung (Ug) verbunden sind.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit dem Widerstand des SOAR-Gliedes eine Z-Diode liegt, zu der als Siebmittel die Reihenschaltung einer rückflußsperrenden Diode (15) und eines Ladekondensators (16) parallel liegt.