DE102006039887A1

DE102006039887A1 - Schaltnetzteilvorrichtung

Info

Publication number: DE102006039887A1
Application number: DE102006039887A
Authority: DE
Inventors: Mamoru Niiza Tsuruya
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2007-04-26
Also published as: JP2007060831A; JP4692155B2; US7426119B2; US20070047273A1

Abstract

Eine Schaltnetzteilvorrichtung weist auf: einen ersten Transformator, wobei ein Ende der Primärwicklung davon mit einem Ende der Sekundärwicklung eines Wandeltransformators verbunden ist; einen zweiten Transformator, wobei ein Ende der Primärwicklung davon mit einem anderen Ende der Sekundärwicklung des Wandeltransformators verbunden ist; eine Reaktorspule, die mit beiden Enden einer Serienschaltung verbunden ist, die die Sekundärwicklungen hat; einen Glättungskondensator, dessen eines Ende mit den Primärwicklungen der Transformatoren verbunden ist; eine erste Diode, die mit einer Verbindung zwischen der ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung des ersten Transformators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist; und eine zweite Diode, die mit einer Verbindung zwischen einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung des zweiten Transformators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltnetzteilvorrichtung, die einen Gleichstrom/Gleichstrom-Abwärtswandler enthält, und insbesondere eine Miniaturisierungstechnik.
Als ein isolierter Starkstrom-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit niedriger Ausgangsspannung und hohem Ausgangsstrom wird ein Vorwärtsbrückenwandler verwendet. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung dieser Art.
In 1 ist eine Serienschaltung, die einen Schalter Q1, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, und einen Schalter Q2 hat, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, mit beiden Enden einer Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden und ist eine Serienschaltung, die einen Schalter Q3, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, und einen Schalter Q4 hat, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, mit beiden Enden mit der Gleichstromspannungsversorgung Vdc1 verbunden.
Eine Serienschaltung, die eine Primärwicklung 1a (Windungszahl von np, Erregungsinduktanz von Lt) eines Transformators T und eine Reaktorspule L1 bzw. Drosselspule ist zwischen einer Verbindung des Schalters Q1 und des Schalters Q2 und einer Verbindung des Schalters Q3 und des Schalter Q4 verbunden.
Eine Diode Dq1 und ein Kondensator C1 sind mit beiden Enden des Schalters Q1 parallel verbunden, eine Diode Dq2 und ein Kondensator C2 sind mit beiden Enden mit dem Schalter Q2 parallel verbunden, eine Diode Dq3 und ein Kondensator C3 sind mit beiden Enden des Schalters Q3 parallel verbunden und eine Diode Dq4 und ein Kondensator C4 sind mit beiden Enden des Schalters Q4 parallel verbunden.
Eine Primärwicklung 1a des Transformators T, eine erste Sekundärwicklung 1b (Windungsanzahl von ns1) und eine zweite Sekundärwicklung 1c (Windungsanzahl von ns2) sind in Phase gewickelt. Die erste Sekundärwicklung 1b und die zweite Sekundärwicklung 1c sind seriell miteinander auf der Sekundärseite des Transformators T verbunden, eine Anode der Diode D3 ist mit einem Ende (Seite mit gefülltem Kreis) der ersten Sekundärwicklung 1b verbunden und eine Anode der Diode D4 ist mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 1c verbunden. Eine Serienschaltung, die eine Reaktorspule Lo bzw. Drosselspule und einen Glättungskondensator Co hat, ist zwischen einer Verbindung einer Kathode der Diode D3 und einer Kathode der Diode D4 und einer Verbindung der ersten Sekundärwicklung 1b und der zweiten Sekundärwicklung 1c verbunden. Die Dioden D3 und D4, die Reaktorspule Lo und der Glättungskondensator Co bilden eine gleichrichtende Glättungsschaltung. Die Gleichrichtglättungsschaltung gleichrichtet und glättet die Spannung (EIN/AUS gesteuerte Pulsspannung), die von der ersten Sekundärwicklung 1b und der zweiten Sekundärwicklung 1c des Transformators T induziert wird, und gibt die resultierende Spannung an eine Last RL aus.
Eine Steuerschaltung 100 steuert das Paar aus dem Schalter Q1 und dem Schalter Q4 und das Paar aus dem Schalter Q2 und dem Schalter Q3 abwechselnd bei einem vorgegebenen Zyklus EIN/AUS und, wenn eine Ausgangsspannung der gleichrichtenden Glättungsschaltung gleich oder höher als eine Referenzspannung ist, verschmälert die Steuerschaltung 100 eine EIN-Pulsweite (EIN-Dauer), die an die Gates der Schalter jedes Paares angelegt wird, und erweitert eine AUS-Pulsweite (AUS-Dauer), die an die Gates der Schalter jedes Paares angelegt wird. D.h., dass, wenn die Ausgangsspannung der gleichrichtenden Glättungsschaltung gleich oder höher als die Referenzspannung ist, die EIN-Phasen der Schalter jedes Paares verschmälert werden, wodurch die Ausgangsspannung derart gesteuert wird, dass eine konstante Spannung aufrechterhalten wird.
Ein Betrieb der herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung, die in 1 gezeigt ist und die so aufgebaut ist, wird nachfolgend mit Bezug auf ein Zeitdiagramm, das in 2 gezeigt ist, erläutert.
In 2 gibt ein Bezugszeichen "ns1v" Spannungen von beiden Enden der ersten Sekundärwicklung 1b des Transformators T wieder, gibt "ns1i" einen Strom wieder, der durch die erste Sekundärwicklung 1b des Transformators T fließt, gibt "Lov" Spannungen an beiden Enden der Reaktorspule Lo wieder, gibt "Loi" den Strom wieder, der durch die Reaktorspule Lo fließt, und gibt "Ai" gibt den Strom wieder, der durch einen Punkt bzw. Knoten A fließt.
Zu einer Zeit t0, wenn die Schalter Q2 und Q3 ausgeschaltet sind und die Schalter Q1 und Q4 eingeschaltet sind, fließt Strom durch den Weg, der sich entlang Vdc1, Q1, L1, 1a, Q4 und Vdc1 erstreckt. Da eine negative Spannung an einem Ende der ersten Sekundärwicklung 1b und an dem anderen Ende (auf der Seite des schwarzen Kreises) der zweiten Sekundärwicklung 1c erzeugt wird, fließt kein Strom ns1i durch die Diode D3 und die erste Sekundärwicklung 1b und der Strom fließt durch Diode D4. D.h., dass der Strom Loi durch einen Weg fließt, der sich entlang 1c, D4, Lo, Co und 1c erstreckt. Somit wird eine positive Spannung an einem Ende (auf der Seite des gefüllten Kreises) der Reaktorspule Lo erzeugt.
Zur Zeit t11, wenn die Schalter Q1 und Q4 ausgeschaltet sind, werden die Spannung ns1v der ersten Sekundärwicklung 1b und der Spannung ns2v (nicht gezeigt) der zweiten Sekundärwicklung 1c im wesentlichen null und der Strom ns1i wird auch im wesentlichen null. Zu dieser Zeit fließt der Strom Loi durch einen Weg, der sich entlang Lo, Co, 1c, D4 und Lo erstreckt. Zu dieser Zeit wird die Spannung an einem Ende der Reaktorspule Lo negativ.
Zu der Zeit t12, wenn die Schalter Q1 und Q4 ausgeschaltet sind und die Schalter Q2 und Q3 eingeschaltet sind, fließt der Strom durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, Q3, 1a, L1, Q2 und Vdc1 erstreckt. Da die positive Spannung an einem Ende der ersten Sekundärwicklung 1b und an dem anderen Ende der Sekundärwicklung 1c erzeugt wird, fließt ein Strom ns1i durch die Diode D3 und die erste Sekundärwicklung 1b und kein Strom fließt durch die Diode D4. D.h., dass der Strom Loi durch einen Weg fließt, der sich entlang 1b, D3, Lo, Co und 1b erstreckt. Somit wird eine positive Spannung in der Reaktorspule Lo erzeugt.
Zur Zeit t13, wenn die Schalter Q2 und Q3 ausgeschaltet werden, werden die Spannung ns1v der ersten Sekundärwicklung 1b und die Spannung ns2v (nicht gezeigt) der zweiten Sekundärwicklung 1c im wesentlichen Null und der Strom ns1i wird allmählich reduziert. Zu dieser Zeit fließt Strom Loi durch einen Weg, der sich entlang Lo, Co, 1b, D3 und Lo erstreckt. Zu dieser Zeit ist die Spannung an einem Ende der Reaktorspule Lo eine negative Spannung.
Ein Betrieb von einer Zeit t14 und danach ist die Wiederholung des Betriebs von der Zeit t0 bis zur Zeit t13.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
In einer herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung ist jedoch, wenn der Strom bzw. die Leistung hoch ist, die Spannung pro Windung eines Transformators hoch. Da die Windungszahl des Transformators mindestens eine Windung ist, wird, wenn die EIN-Phase der Schaltvorrichtung kleiner wird, eine Spannung ausgegeben, die niedriger als die Spannung pro einer Windung des Transformators ist.
In diesem Fall ist es notwendig, da ein Spitzenwert des Stroms der Schaltvorrichtung erhöht wird, eine große Schaltvorrichtung zu verwenden, und somit nimmt der Wirkungsgrad ab. Für eine Schaltnetzteilvorrichtung mit niedriger Spannung und hoher Leistung werden deshalb Netzteilvorrichtungen mit kleiner Kapazität in vielen Fällen parallel verbunden, wodurch die Vorrichtung teuer wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine kleine Schaltnetzteilvorrichtung bereitzustellen, die den Verlust der Schaltvorrichtung reduzieren kann.
Gemäß einem ersten technischen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltnetzteilvorrichtung bereitgestellt, die eine Umwandlungsschaltung hat, die die Gleichspannung einer Gleichspannungsversorgung EIN/AUS schaltet, um die Gleichspannung einer Primärwicklung eines Wandeltransformators zuzuführen, und die eine Spannung von einer Sekundärwicklung des Wandeltransformators ausgibt, die symmetrisch bezüglich des Positiven und Negativen ist, und die enthält: einen ersten Glättungstransformator, dessen eines Ende einer Sekundärwicklung mit einem Ende einer Sekundärwicklung des Wandlertransformators verbunden ist und der eine Primärwicklung, die eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung hat, und eine Sekundärwicklung enthält; einen zweiten Glättungstransformator, dessen eines Ende einer Sekundärwicklung mit einem anderen Ende der Sekundärwicklung des Wandeltransformators verbunden ist und der eine Primärwicklung, die eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung hat, und eine Sekundärwicklung enthält; eine Reaktor spule bzw. Drosselspule, die mit beiden Enden einer Serienschaltung verbunden ist, mit der die Sekundärwicklung des ersten Glättungstransformators und die Sekundärwicklung des zweiten Glättungstransformators seriell verbunden sind; einen Glättungskondensator, dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Primärwicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende der Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators verbunden ist; eine erste Diode, die mit einer Verbindung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des ersten Glättungstransformators und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist; und eine zweite Diode, die mit einer Verbindung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des zweiten Glättungstransformators und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist.
Gemäß einem zweiten technischen Aspekt der Erfindung wird eine Schaltnetzteilvorrichtung bereitgestellt, die eine Wandelschaltung hat, die eine Gleichspannung einer Gleichspannungsversorgung EIN/AUS schaltet, um die Gleichspannung der Primärwicklung eines Wandeltransformators zuzuführen, und die eine Spannung, die symmetrisch bezüglich dem positiven und dem negativen Bereich ist, von einer Sekundärwicklung des Wandeltransformators ausgibt, und die enthält: einen ersten Glättungstransformator, dessen eines Ende einer Primärwicklung mit einem Ende einer Sekundärwicklung des Wandeltransformators verbunden ist und der eine Primärwicklung, die eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung hat, und eine Sekundärwicklung hat; einen zweiten Glättungstransformator, dessen eines Ende einer Primärwicklung mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung des Wandeltransformators verbunden ist und der eine Primärwicklung, die eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung hat, und eine Sekundärwicklung hat; eine Reaktorspule bzw. Drosselspule, die mit beiden Enden einer Serienschaltung verbunden ist, mit der die Sekundärwicklung des ersten Glättungstransformators und die Sekundärwicklung des zweiten Glät tungstransformators seriell verbunden sind; einen Glättungskondensator, dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Primärwicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende der Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators verbunden ist; eine erste Schaltvorrichtung, die mit einer Verbindung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist; und eine zweite Schaltvorrichtung, die mit einer Verbindung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des zweiten Glättungstransformators und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung komplementär bezüglich der ersten Schaltvorrichtung EIN/AUS-geschaltet wird.
Ein dritter technischer Aspekt der Erfindung stellt die Schaltnetzteilvorrichtung gemäß dem ersten oder dem zweiten technischen Aspekt bereit, worin in jedem der Glättungstransformatoren, wenn eine Windungszahl der ersten Wicklung als np1 definiert ist und eine Windungsanzahl der zweiten Wicklung als np2 definiert ist, eine Wicklungszahlverhältnis A, das durch A = (np1 + np2)/np2 bestimmt ist, eingestellt ist.
Ein vierter technischer Aspekt der Erfindung stellt die Schaltnetzteilvorrichtung gemäß irgendeinem der vorstehenden technischen Aspekte bereit, worin das Schaltnetzteil weiterhin einen Kern bzw. Eisenkern enthält, der mit einem geschlossenen magnetischen Kreis ausgebildet ist und der erste bis dritte Beine bzw. Abschnitte oder Zweige hat, wobei die Primärwicklung des ersten Glättungstransformators um einen ersten Abschnitt des Kerns gewunden ist, wobei die Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators um den zweiten Abschnitt des Kerns gewunden ist und wobei ein Spalt in dem dritten Abschnitt des Kerns ausgebildet ist.
Ein fünfter technischer Aspekt der Erfindung stellt die Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einem der ersten bis dritten technischen Aspekte bereit, die einen Kern enthält, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist und eine Vielzahl von Abschnitten hat, in denen eine erste Spule, die die Primärwicklung des ersten Glättungstransformators enthält, und eine zweite Spule, die die Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators enthält, um eines der Beine des Kernes gewickelt bzw. gewunden ist, und wobei ein magnetischer Nebenschluss zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule bereitgestellt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung;
2 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von Abschnitten der herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtung;
3 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von verschiedenen Abschnitten der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
8A bis 8E zeigen magnetische Schaltungen bzw. Kreise, die einen Transformator und eine Reaktorspule eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers der vorliegenden Erfindung zeigen, in denen 8A den magnetischen Kreis der Ausführungsform der Erfindung zeigt; 8B die elektrische Verbindung des magnetischen Kreises zeigt; 8C einen magnetischen Kreis zeigt, der integral mit einem Kern ausgebildet ist, 8D einen magnetischen Kreis zeigt, der äquivalent zu dem vorhergehenden magnetischen Kreis ist; und 8E einen weiteren magnetischen Kreis zeigt, der äquivalent zu dem vorhergehenden magnetischen Kreis ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Die Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der Ausführungsform enthält einen Isolationswandler mit niedriger Spannung und Leistungsstrom und enthält zwei Glättungstransformatoren. Die Ausgangsgrößen der Transformatoren werden durch die Glättungstransformatoren synthetisiert bzw. zusammengesetzt und die Ausgangsgrößen werden einer Reaktorspule hinzugefügt, die mit den Sekundärwicklungen der jeweiligen Glättungstransformatoren verbunden ist, wodurch Energie gespeichert wird. Eine Primärwicklung des Glättungstransformators ist mit einem Abzweig bzw. Abgriff versehen und der Glättungstransformator wird als Autotransformator bzw. Spartransformator betrieben. Bei diesem Aufbau dient die Sekundärwicklung des Wandeltransformators als eine Wicklung für einen Ausgang und die Windungsanzahl kann leicht eingestellt werden. Auch wenn die Sekundärspannung des Wandeltransformators hoch ist, kann somit durch Einstellen der Abgriffsposition des Glättungstransformators die EIN-Phase der Schaltvorrichtung (Schalter) optimiert werden und ein Verlust reduziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Effektivwert des Stroms der Sekundärwicklung des Wandeltransformators reduziert und der Wandeltransformator kann miniaturisiert werden. Durch Auslegen des magnetischen Kreises können der Transformator und die Reaktorspule integral ausgebildet werden und die Schaltung kann weiter miniaturisiert werden.
Erste Ausführungsform
3 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltnetzteilvorrichtung, die in 3 gezeigt ist, ist ein Wandler, der die Spannung der Gleichstromversorgung heruntertransformiert bzw. abwärtstransformiert. Eine Serienschaltung, die einen Schalter Q1, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, und einen Schalter Q2 hat, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, ist mit beiden Enden einer Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden. Eine Serienschaltung, die einen Schalter Q3, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, und einen Schalter Q4 hat, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, ist mit beiden Enden der Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden.
Eine Serienschaltung, die eine Primärwicklung 3a (Windungszahl von np, Erregungsinduktanz von Lt) eines Transformators Ta (Wandeltransformator) und eine Reaktorspule L1 bzw. Drosselspule hat, ist zwischen einer Verbindung der Schalter Q1 und Q2 und einer Verbindung der Schalter Q3 und Q4 verbunden. D.h., dass die Schalter Q1 bis Q4 eine Vollbrücke bilden.
Eine Diode Dq1 und ein Kondensator C1 sind mit beiden Enden des Schalters Q1 parallel verbunden und eine Diode Dq2 und ein Kondensator C2 sind mit beiden Enden des Schalters Q2 parallel verbunden. Eine Diode Dq3 und ein Kondensator C3 sind mit beiden Enden des Schalters Q3 parallel verbunden und eine Diode Dq4 und ein Kondensator C4 sind mit beiden Enden des Schalters Q4 parallel verbunden.
Eine Steuerschaltung 10 schaltet den Schalter Q1 und den Schalter Q2 abwechselnd EIN und AUS und schaltet auch den Schalter Q3 und den Schalter Q4 abwechselnd EIN und AUS und erzeugt eine Phasendifferenz zwischen dem Schalter Q1 und dem Schalter Q3 (oder dem Schalter Q2 und dem Schalter Q4) und steuert eine Zeitdauer, während der die Spannung an die Primärwicklung 3a des Transformators Ta angelegt wird. Wenn die Ausgangsspannung an der Last RL gleich oder höher als eine Referenzspannung wird, wird somit die Phasendifferenz reduziert, wodurch die Ausgangsspannung derart gesteuert wird, dass eine konstante Spannung aufrechterhalten wird.
Die Schalter Q1 bis Q4 bilden eine Wandelschaltung. Die Wandelschaltung schaltet die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung Vdc1 (unterbrochen bzw. periodisch) EIN und AUS, um die Spannung der Primärwicklung 3a (Windungszahl np) des Transformators Ta zuzuführen, und gibt eine Spannung (Wechselspannung), die symmetrisch bezüglich dem Positiven und Negativen ist, von der Sekundärwicklung 3b (Windungszahl ns1) des Transformators Ta aus.
Ein Ende der ersten Wicklung 5a des Transformators T1 (erster Glättungstransformator) ist mit einem Ende der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta verbunden und der Transformator T1 enthält eine Primärwicklung 5, die eine erste Wicklung 5a (Windungszahl np1) und eine zweite Wicklung 5b (Windungszahl np2) hat, und eine Sekundärwicklung 5c. Ein Ende einer ersten Wicklung 6a eines Transformators T2 (zweiter Glättungstransformator) ist mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta verbunden und der Transformator T2 enthält eine Primärwicklung 6, die eine erste Wicklung 6a (Windungsanzahl np1) und eine zweite Wicklung 6b (Windungsanzahl np2) hat, und eine Sekundärwicklung 6c.
Die Reaktorspule Lo ist an beiden Enden einer Serienschaltung verbunden, mit der die Sekundärwicklung 5c des Transformators T1 und die Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 seriell verbunden sind. Ein Ende des Glättungskondensators Co ist mit dem anderen Ende der zweiten Wicklung 5b des Transformators T1 und dem anderen Ende der zweiten Wicklung 6b des Transformators T2 verbunden.
Das andere Ende der ersten Wicklung 5a des Transformators T1 und das eine Ende der zweiten Wicklung 5b sind miteinander verbunden und eine Diode D4 (erste Diode) ist mit einer Verbindung davon und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators Co verbunden. Das andere Ende der ersten Wicklung 6a des Transformators T2 und das eine Ende der zweiten Wicklung 6b sind miteinander verbunden und eine Diode D3 (zweite Diode) ist mit einer Verbindung davon und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators Co verbunden. Eine ausgegebene Gleichspannung wird der Last RL von dem Glättungskondensator Co zugeführt.
Ein Betrieb der so aufgebauten Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wird nachfolgend mit Bezug auf das Zeitdiagramm, das in 4 gezeigt ist, beschrieben.
In 4 gibt ein Bezugszeichen "ns1v" eine Spannung an beiden Enden der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta wieder, gibt "s1i" einen Strom wieder, der durch die Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta fließt, gibt "Lov" die Spannung an beiden Enden der Reaktorspule Lo wieder, gibt "Loi" den Strom wieder, der durch die Reaktorspule Lo fließt und gibt "Ai" den Strom wieder, der durch einen Punkt A bzw. Knoten fließt.
Der Schalter Q1 und der Schalter Q2 werden abwechselnd EIN und AUS geschaltet und auch der Schalter Q3 und der Schalter Q4 werden abwechselnd EIN und AUS geschaltet. Wenn die EIN/AUS-Schaltphasen des Schalters Q1 und des Schalters Q3 die gleichen sind, wird eine Spannung in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta erzeugt und wenn es eine Phasendifferenz beim Ein- bzw. Ausschalten des Schalters Q1 und des Schalters Q3 gibt, wird die Spannung nur in einem Zeitbereich erzeugt, wenn die Phasendifferenz erzeugt wird. In der gleichen Art und Weise wird, wenn die Einschalt/Ausschalt-Phasen des Schalters Q2 und des Schalters Q4 die gleichen sind, die Spannung nicht in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta erzeugt und, wenn es eine Phasendifferenz beim Einschalten bzw. Ausschalten des Schalters Q2 und des Schalters Q4 gibt, wird die Spannung nur in einem Zeitbereich erzeugt, wenn die Phasendifferenz erzeugt wird. Eine Rechteckwellenspannung s1v, die symmetrisch bezüglich dem Positiven und dem Negativen ist, wie in 4 gezeigt ist, tritt deshalb an der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta auf.
Zu einer Zeit t2, wenn der Schalter Q3 in einem Ein-Zustand ist und der Schalter Q2 eingeschaltet wird, wird eine Phasendifferenz bei EIN/AUS des Schalters Q1 und des Schalters Q3 erzeugt und Strom fließt im Uhrzeigersinn durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, Q3, 3a, L1, Q2 und Vdc1 erstreckt. Im Ergebnis wird die Spannung an einem Ende (auf der Seite des gefüllten Kreises) der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta positiv und Strom fließt in der Richtung des Uhrzeigersinns durch einen Weg, der sich entlang 3b, 5a, 5b, Co, D3, 6a und 3b erstreckt. Zur gleichen Zeit wird eine Spannung in der Sekundärwicklung 5c des Transformators T1 induziert und Strom fließt in Richtung des Uhrzeigersinns durch einen Weg, der sich entlang 5c, Lo, 6c, und 5c erstreckt. Zu dieser Zeit ist die Spannung Lov der Reaktorspule Lo positiv.
Der Strom Loi fließt aufgrund des Gesetzes der gleichen Amperewicklungen des Transformators oder ähnlichem und Energie wird in der Reaktorspule Lo gespeichert und wenn die Windungszahl (np1 + np2 = np) der Primärwicklung 5 und die Windungszahl ns der Sekundärwicklung 5c des Transformators T1 die gleichen sind, ist der Strom Loi der gleiche wie der Strom, der durch die Primärwicklung 5 fließt. D.h., dass der gleiche Strom durch die Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 fließt. Der Strom, der (ns/np2) mal höher als der Strom Loi ist, fließt deshalb durch die zweite Wicklung 6b der Primärwicklung 6 des Transformators T2.
Ähnlich fließt ein Strom, der (np1/np2) mal höher als der Strom Loi ist, durch die zweite Wicklung 6b des Transformators T2 durch den Strom, der durch die erste Wicklung 6a des Transformators T2 fließt. Der Strom, der (ns/np2) + (np1/np2) mal höher als der Strom Loi ist, d.h., der Strom, der {(np + np1)/np2} mal höher als der Strom Loi ist, fließt deshalb durch die zweite Wicklung 6b des Transformators T2.
Ein Strom, der durch den Transformator T1 fließt, wird dem Strom hinzuaddiert, der durch die zweite Wicklung 6b des Transformators T2 in dem Glättungskondensator Co fließt. Ein Strom, der 1 + {(np + np1)/np2} mal höher ist, fließt deshalb durch den Glättungskondensator Co. Durch Einstellen der Abgriffspositionen der Primärwicklung 5 des Transformators T1 und der Primärwicklung 6 des Transformators T2 ist es deshalb möglich, den Ausgangsstrom des Glättungskondensators Co bezüglich des Stroms der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta einzustellen. Da die Eingangsleistung besonders der Eingangsstrom und die Ausgangsleistung natürlich gleich sind, ist die Ausgangsspannung ein Umkehrwert des Stroms bezüglich der Höhe des Stroms.
Zur Zeit t3, wenn der Schalter Q2 in einem EIN-Zustand ist und der Schalter Q3 ausgeschaltet wird, werden die EIN/AUS-Phasen des Schalters Q1 und des Schalters Q3 die gleichen und die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta wird im wesentlichen Null. In diesem Fall wird die Spannung Lov der Reaktorspule Lo negativ und Strom fließt (nach links von 6a in der Zeichnung) durch einen Weg, der sich entlang 5a, 5b, Co, D3, 6a, 3b und 5a erstreckt, wobei der Strom durch die Energie, die in der Reaktorspule Lo gespeichert ist, verursacht wird. D.h., dass Strom, der 2·np/np2 mal dem Strom Loi entspricht, kontinuierlich durch den Glättungskondensator Co fließt. Wenn die Windungszahlen np1 der ersten Wicklungen 5a und 6a und die Windungsanzahlen np2 der zweiten Wicklungen 5b und 6b die gleichen sind, kann ein vierfacher Strom der Last RL zugeführt werden und die Ausgangsspannung wird auf 1/4 bezüglich der herkömmlichen Spannung abgesenkt.
4 zeigt einen Fall, in dem np1 = np2 ist und der Ausgang und die Skalierung gleich jenen des herkömmlichen Stands der Technik sind, der in 2 gezeigt ist. Die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta, der in 4 gezeigt ist, ist viermal höher als die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 1b des Transformators T des Stands der herkömmlichen Ausführungsform und der Strom ns1i beträgt 1/4 in der gleichen Art und Weise.
Zur Zeit t4 wird, wenn der Schalter Q3 in einem AUS-Zustand ist und der Schalter Q2 ausgeschaltet wird, eine Differenz in den EIN/AUS-Phasen des Schalters Q1 und des Schalters Q3 erzeugt und Strom fließt durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, Q1, L1, 3a, Q4 und Vdc1 (nach rechts von L1 in der Zeichnung) erstreckt. D.h., dass eine Spannung des anderen Endes der Se kundärwicklung 3b des Transformators Ta positiv wird und Strom durch einen Weg fließt, der sich entlang 3b, 6a, 6b, Co, D4, 5a, und 3b (nach rechts von 6a und 6b in der Zeichnung) erstreckt. Gleichzeitig wird eine Spannung der Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 induziert und Strom Loi fließt in Richtung des Uhrzeigersinns durch einen Weg, der sich entlang 6c, 5c, Lo und 6c erstreckt. Zu dieser Zeit wird die Spannung Lov der Reaktorspule Lo positiv.
Der Strom Loi fließt aufgrund des Gesetzes der gleichen Amperewindungen des Transformators oder ähnlichem, Energie wird in der Reaktorspule Lo gespeichert und, wenn die Windungszahl (np1 + np2 = np) der Primärwicklung 6 und die Windungszahl ns der Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 die gleichen sind, wird der Strom der gleiche wie der, der durch die Primärwicklung 6 fließt. D.h., dass der gleiche Strom auch durch die Sekundärwicklung 5c des Transformators T1 fließt. Ein Strom, der (ns/np2) mal höher als der Strom Loi ist, fließt deshalb durch die zweite Wicklung 5b der Primärwicklung 5 des Transformators T1.
In der gleichen Art und Weise fließt Strom, der (np1/np2) mal höher als der Strom Loi ist, durch die zweite Wicklung 5b des Transformators T1 durch den Strom, der durch die erste Wicklung 5a des Transformators T1 fließt. Ein Strom, der (ns/np2) + (np1/np2) mal höher als der Strom Loi ist, d.h., der Strom, der {(np + np1)/np2} mal höher als der Strom Loi ist, fließt durch die zweite Wicklung 5b des Transformators T1.
Ein Strom, der durch den Transformator T2 fließt, wird dem Strom hinzuaddiert, der durch die zweite Wicklung 5b des Transformators T1 in dem Glättungskondensator Co fließt. Ein Strom, der 1 + {(np + np1)/np2} mal höher als der Strom Loi ist, fließt deshalb durch den Glättungskondensator Co. Durch Einstellen der Abgriffspositionen der Primärwicklung 5 des Trans formators T1 und der Primärwicklung 6 des Transformators T2 ist es deshalb möglich, den Ausgangsstrom des Glättungskondensators Co mit Bezug auf den Strom der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta einzustellen.
Zur Zeit t5 werden, wenn der Schalter Q2 in einem AUS-Zustand und der Schalter Q3 eingeschaltet wird, die EIN/AUS-Phasen des Schalters Q1 und des Schalters Q3 gleich und die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta wird im wesentlichen Null. In diesem Fall wird die Spannung Lov der Reaktorspule Lo negativ und ein Strom fließt (nach rechts von 6a und 6b in der Zeichnung) durch einen Weg, der sich entlang 6a, 6b, Co, D4, 5a, 3b und 6a erstreckt, durch Energie, die in der Reaktorspule Lo gespeichert ist. D.h., dass ein Strom 2·np/np2 mal dem Strom Loi kontinuierlich durch den Glättungskondensator Co fließt. Wenn die Windungszahlen np1 der ersten Wicklungen 5a und 6a und die Windungszahlen np2 der zweiten Wicklungen 5b und 6b die gleichen sind, kann ein vierfacher Strom der Last RL zugeführt werden und die Ausgangsspannung wird ein 1/4 bezüglich der herkömmlichen Technik.
4 zeigt einen Fall, in dem np1 = np2 ist und der Ausgang und die Skalierung sind die gleichen wie jene der herkömmlichen Technik, die in 2 gezeigt ist. Die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta, der in 4 gezeigt ist, ist viermal höher als die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 1b des Transformators T, der in 2 gezeigt ist, und der Strom ns1i ist 1/4 mal so groß in der gleichen Art und Weise.
Ein Beispiel, das in 2 gezeigt ist, hat die erste Sekundärwicklung 1b und die zweite Sekundärwicklung 1c und ein Strom der durch diese Wicklungen fließt, fließt nur mit der Halbwelle, mit der die Dioden D3 und D4 leitend werden. Im Unterschied hierzu fließen in einem Beispiel das in 4 ge zeigt ist, positive und negative Ströme durch die gleiche Sekundärwicklung 3b. Wenn der Verlust der Sekundärwicklung der gleiche ist, kann deshalb die Menge an Kupfer der Sekundärwicklung 3b auf die Hälfte in der ersten Ausführungsform reduziert werden und die Sekundärwicklung 3b kann miniaturisiert werden.
Durch Einstellen der Abgriffspositionen der Transformatoren T1 und T2 (Verbindung zwischen den ersten Wicklungen 5a und 6a und den zweiten Wicklungen 5b und 6b), d.h., das Windungszahlenverhältnis A = np/np2 (A ≥ 1) der Transformatoren T1 und T2, kann die Ein-Phase der Schaltvorrichtung optimiert werden und die Schaltnetzteilvorrichtung kann eine Ausgangsspannung mit niedriger Spannung erzeugen.
Gemäß der Schaltnetzteilvorrichtung der ersten Ausführungsform werden die beiden Transformatoren T1 und T2 bereitgestellt, werden die Ausgänge der Transformatoren durch die Transformatoren T1 und T2 zusammengesetzt und der Reaktorspule Lo hinzugefügt, die mit den Sekundärwicklungen 5c und 6c der Transformatoren T1 und T2 verbunden sind, um elektrische Energie (Ladung) zu speichern, sind die Primärwicklungen 5 und 6 der Transformatoren T1 und T2 mit Abgriffen versehen, um als ein Autotransformator zu betreiben, und dient die Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta als eine Wicklung für einen Ausgang. Auch wenn die Sekundärspannung des Transformators Ta höher ist, kann deshalb die Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta eingestellt werden, indem die Abgriffspositionen der Transformatoren T1 und T2 eingestellt werden.
Da die Sekundärwicklung 3b eingestellt werden kann, wird die EIN-Periode bzw. Zeitdauer der Schaltvorrichtung (EIN-Phase der Schaltvorrichtung wird optimiert) bezüglich einer niedrigen Spannung und einem hohen Strom erhöht, wird der Spitzen wert des Stroms reduziert und kann der Verlust der Schaltvorrichtung reduziert werden.
Ein effektiver Wert des Stroms, der durch den Transformator Ta fließt, kann auf (21/2/N) gesetzt werden. Das Drahtmaterial der Sekundärwicklung 3b kann deshalb reduziert werden und der Transformator Ta kann deshalb miniaturisiert werden. Die Zahl N ist ein Windungszahlverhältnis der Sekundärwicklungen bezüglich des herkömmlichen Transformators.
Zweite Ausführungsform
5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Vergleich zu der Schaltnetzteilvorrichtung, die in 3 gezeigt ist, hat die Schaltnetzteilvorrichtung, die in 5 gezeigt ist, ein Merkmal, bei dem die Diode D4 durch den Schalter Q5 (erstes Schaltelement) ersetzt ist, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, bei dem die Diode D3 durch einen Schalter Q6 (zweites Schaltelement) ersetzt ist, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, bei dem die Steuerschaltung 10 durch eine Steuerschaltung 10a ersetzt ist, wobei die Steuerschaltung 10a z.B. das Einschalten und Ausschalten des Schalters Q5 in Synchronisation mit dem Schalter Q1 und das Einschalten bzw. das Ausschalten des Schalters Q6 in Synchronisation mit dem Schalter Q2 steuert.
Da ein Betrieb der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform im wesentlichen der gleiche wie der Betrieb ist, der in dem Zeitdiagramm in 4 gezeigt ist, werden hier Einzelheiten nicht erwähnt.
Zur Zeit t0 bis zur Zeit t2 ist der Schalter Q6 ausgeschaltet und der Schalter Q5 ist eingeschaltet und zur Zeit t2 bis zur Zeit t4 wird der Schalter Q5 ausgeschaltet und der Schalter Q6 eingeschaltet durch die Steuerschaltung 10a derart, dass die Schaltnetzteilvorrichtung ähnlich zu der Vorrichtung der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, arbeitet.
Gemäß der Schaltnetzteilvorrichtung der zweiten Ausführungsform kann, da die Schalter Q5 und Q6, die die MOSFETs enthalten, die die synchrone Gleichrichtung durchführen, verwendet werden, ein Verlust der Diode aufgrund einer niedrigen Spannung und eines hohen Stroms reduziert werden.
Dritte Ausführungsform
6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Während eine Vollbrückenwandlerschaltung, die die Schalter Q1 bis Q4 enthält, in 3 verwendet wird, hat die dritte Ausführungsform das Merkmal, dass eine Halbbrückenwandelschaltung, die die Schalter Q1 und Q2 und die Kondensatoren C3 und C4 enthält, in 6 verwendet wird. Gemäß der Wandelschaltung wird die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung Vdc1 (unterbrechend bzw. periodisch) EIN/AUS-geschaltet, wird die Gleichspannung der Primärwicklung 3a (Windungszahl np) des Transformators Ta zugeführt und wird eine Spannung (Wechselspannung), die symmetrisch bezüglich positiv und negativ ist, von der Sekundärwicklung 3b (Windungszahl ns1) des Transformators Ta ausgegeben.
In 6 ist eine Serienschaltung, die den Schalter Q1, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, und den Schalter Q2 hat, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, mit beiden Enden der Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden. Eine Serienschaltung, die den Kondensator C3 und den Kondensator C4 hat, ist mit beiden Enden der Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden. Die Primärwicklung 3a des Transformators Ta ist zwischen einer Verbindung des Schalters Q1 und des Schalters Q2 verbunden und einer Verbindung des Kondensators C3 und des Kondensators C4.
Die Diode Dq1 und der Kondensator C1 sind mit beiden Enden des Schalters Q1 parallel verbunden und die Diode Dq2 und der Kondensator C2 sind mit beiden Enden des Schalters Q2 parallel verbunden.
Eine Steuerschaltung 10b steuert den Schalter Q1 und den Schalter Q2 derart, dass sie abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden mit einer vorgegebenen Periode derart ein- und ausgeschaltet werden, dass, wenn die Ausgangsspannung an der Last RL gleich oder höher als eine Referenzspannung ist, die EIN-Pulsweite bzw. Impulsweite, die an den Gates der Schalter Q1 und Q2 angelegt wird, verschmälert wird, und dass die AUS-Impulsweite, die an die Gates der Schalter Q1 und Q2 angelegt wird, verbreitert wird. Anders ausgedrückt, wenn die Ausgangsspannung an der Last RL gleich oder höher als die Referenzspannung ist, wird die EIN-Phase jedes der Schalter Q1 und Q2 verschmälert, um die Ausgangsspannung derart zu steuern, dass eine konstante Spannung aufrechterhalten wird.
Gemäß der Schaltnetzteilvorrichtung der dritten Ausführungsform ist die sekundäre Schaltung des Transformators Ta die gleiche wie jene des Aufbaus, der in 3 gezeigt ist, und nur die Wandelschaltung auf der Primärseite des Transformators Ta ist unterschiedlich. Ein Betrieb nur der Wandelschaltung wird deshalb mit Bezug auf das Zeitdiagramm, das in 4 gezeigt ist, nachfolgend beschrieben.
Zur Zeit t2, wenn der Schalter Q1 in einem AUS-Zustand ist und der Schalter Q2 EIN-geschaltet ist, fließt ein Strom im Uhrzeigersinn durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, C3, 3a, Q2 und Vdc1 erstreckt und eine Spannung wird in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta induziert. Zur Zeit t3, wenn der Schalter Q2 ausgeschaltet wird, wird die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta im wesentlichen Null.
Zur Zeit t4, wenn der Schalter Q2 in einem AUS-Zustand ist und der Schalter Q1 eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, Q1, 3a, C4 und Vdc1 (nach oben von Vdc1 in der Zeichnung) erstreckt und eine Spannung wird in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta induziert. Zur Zeit t5, wenn der Schalter Q1 ausgeschaltet wird, ist die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Ta im wesentlichen Null.
Gemäß der Schaltnetzteilvorrichtung der dritten Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie der der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden und der Aufbau der Wandelschaltung ist einfach.
Vierte Ausführungsform
7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Während eine Vollbrückentypwandelschaltung, die die Schalter Q1 bis Q4 enthält, in 3 verwendet wird, wird in der vierten Ausführungsform eine Gegentaktwandelschaltung verwendet, die die Schalter Q1 und Q2 hat, wie in 7 gezeigt ist.
In der Wandelschaltung wird die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung Vdc1 (unterbrechend bzw. periodisch) ein- und ausgeschaltet, wird die Spannung abwechselnd den Primärwicklungen 3a1 (Windungszahl von np) und 3a2 (Windungszahl von np) eines Transformators Tb zugeführt und wird eine Spannung, die symmetrisch bezüglich dem Positiven und Negativen ist (Wechselspannung), von der Sekundärwicklung 3b (Windungszahl von ns1) des Transformators Tb ausgegeben.
In 7 ist eine zweite Primärwicklung 3a2 (Windungszahl np) seriell mit der ersten Primärwicklung 3a1 (Windungszahl von np) des Transformators Tb verbunden und ist ein positiver Pol der Gleichspannungsversorgung Vdc1 mit einer Verbindung zwischen einem Ende der ersten Primärwicklung 3a1 und einem Ende der zweiten Primärwicklung 3a2 verbunden. Ein Ende (Drain) des Schalters Q1, der einen MOSFET (oder ähnliches) enthält, und eine Kathode einer Diode Dq1 und ein Ende eines Kondensators C1 sind mit dem anderen Ende der ersten Primärwicklung 3a1 verbunden. Das andere Ende (Source) des Schalters Q1, eine Anode der Diode Dq1 und das andere Ende des Kondensators C1 sind mit einem negativen Pol der Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden.
Das andere Ende der zweiten Primärwicklung 3a2 ist mit einem Ende (Drain) des Schalters Q2, der einen MOSFET oder ähnliches enthält, einer Kathode einer Diode dq2 und einem Ende des Kondensators C2 verbunden. Das andere Ende (Source) des Schalters Q2, eine Anode der Diode Dq2 und das andere Ende des Kondensators C2 sind mit einem negativen Anschluss der Gleichspannungsversorgung Vdc1 verbunden. Die erste Primärwicklung 3a1, die zweite Primärwicklung 3a2 und die Sekundärwicklung 3b (Windungszahl n21) des Transformators Tb sind in Phase gewickelt.
Eine Steuerschaltung 10c steuert abwechselnd den Schalter Q1 und den Schalter Q2 mit einer vorgegebenen Periode Ein/Aus und wenn die Ausgangsspannung an der Last RL gleich ist oder höher als eine Referenzspannung ist, steuert die Steuerschaltung 10c derart, dass die EIN-Impulsweite, die an den Gates der Schalter Q1 und Q2 anliegt, schmäler wird, und dass die AUS-Impulsweite, die an den Gates der Schalter Q1 und Q2 angelegt wird, breiter wird, d.h., dass, wenn die Ausgangsspannung an der Last RL gleich oder höher als die Referenzspannung wird, die Einschaltphase jedes der Schalter Q1 und Q2 schmäler wird, wo durch die Ausgangsspannung derart gesteuert wird, dass eine konstante Spannung aufrechterhalten wird.
Weitere Konfigurationen, die in 7 gezeigt sind, sind die gleichen wie jene der Schaltnetzteilvorrichtung der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile und eine ausführliche Erläuterung kann deshalb hier weggelassen werden.
Die Schaltnetzteilvorrichtung der vierten Ausführungsform hat die gleiche Sekundärseitenschaltung des Transformators Tb wie die des Aufbaus, der in 3 gezeigt ist, und nur die Primärseitenschaltung des Transformators Tb ist unterschiedlich. Ein Betrieb nur der Primärseitenschaltung wird deshalb nachfolgend mit Bezug auf das Zeitdiagramm, das in 4 gezeigt ist, erläutert.
Zur Zeit t2, wenn der Schalter Q2 in einem AUS-Zustand ist und der Schalter Q1 eingeschaltet ist, fließt Strom in Uhrzeigersinn durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, 3a1, Q1 und Vdc1 erstreckt und Spannung wird in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Tb induziert. Zur Zeit t3, wenn der Schalter Q1 ausgeschaltet wird, wird die Spannung ns1v der Sekundärwicklung 3b des Transformators Tb im wesentlichen Null.
Zur Zeit t4, wenn der Schalter Q1 in einem AUS-Zustand ist und der Schalter Q2 eingeschaltet wird, fließt Strom durch einen Weg, der sich entlang Vdc1, 3a2, Q2 und Vdc1 (nach oben von Vdc1 in der Zeichnung) erstreckt und Spannung wird in der Sekundärwicklung 3b des Transformators Tb induziert. Zur Zeit t5, wenn der Schalter Q2 ausgeschaltet wird, ist die Spannung nsV1 der Sekundärwicklung 3b des Transformators Tb im wesentlichen Null.
Gemäß der Schaltnetzteilvorrichtung der vierten Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie jener der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden und da der magnetische Kreis integral mit dem Transformator und der Reaktorspule bereitgestellt wird, wird der Aufbau der Wandelschaltung vereinfacht.
Integration des magnetischen Kreises
8A bis 8E zeigen einen magnetischen Kreis, in dem die Transformatoren und die Reaktorspule bzw. Reaktor der Schaltnetzteilvorrichtung jeder der ersten bis vierten Ausführungsform integriert sind.
Wie in 8A gezeigt ist, ist gemäß dem Transformator T1 der Schaltnetzteilvorrichtungen jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen die Primärwicklung 5 (Windungszahl np) um ein erstes Bein 21a bzw. einen ersten Abschnitt eines Kerns 21, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist und mit einem geschlossenen magnetischen Kreis ausgebildet ist, gewickelt und eine Sekundärwicklung 5c ist um einen zweiten Abschnitt 21b des Kerns 21 gewickelt. Der Transformator T2 ist derart ausgebildet, dass die Primärwicklung 6 (Windungszahl von np) um einen ersten Abschnitt 22b eines Kerns 22 gewickelt ist, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, und dass die Sekundärwicklung 6c um einen zweiten Abschnitt 22a des Kerns 22 gewickelt ist. Die Reaktorspule Lo ist derart ausgebildet, dass eine Wicklung 7 um einen ersten Abschnitt 23a eines Kerns 23 gewickelt ist, der einen Spalt (Freiraum) enthält. Ein Spalt 24 ist in einem zweiten Abschnitt 23b des Kerns 23 ausgebildet.
Der Transformator T1, der Transformator T2 und die Reaktorspule Lo sind miteinander verbunden, wie in 8B gezeigt ist. Bei diesem Aufbau ändert sich, auch wenn die Kerne des Trans formators T1, des Transformators T2 und der Reaktorspule Lo, die in 8A gezeigt sind, integral bzw. einstückig ausgebildet sind, wie in 8C sind, der Betrieb nicht.
Gemäß dem magnetischen Kreis, der in 8C gezeigt ist, ist die Primärwicklung 5 des Transformators T1 um einen ersten Abschnitt 30a bzw. Schenkel eines Kerns 30 gewickelt, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, ist die Sekundärwicklung 5C des Transformators T1 um einen zweiten Abschnitt 30b gewickelt, ist die Wicklung 7 um einen dritten Abschnitt 30c gewickelt, ist die Primärwicklung 6 des Transformators T2 um einen vierten Abschnitt 30b gewickelt, ist die Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 um einen fünften Abschnitt 30e gewickelt und ist ein Spalt 34 in einem sechsten Abschnitt 30f ausgebildet. Ein magnetischer Fluss, der in die Sekundärwicklung 5c des Reaktors Lo eindringt, ist Φ1, ein magnetischer Fluss, der in die Wicklung 7 des Reaktors Lo eindringt, ist Φ2 und ein magnetischer Fluss, der in die Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 eindringt, ist Φ3.
Da die Sekundärwicklung 5c (Windungszahl ns) des Transformators T1, die Sekundärwicklung 6c (Windungszahl von ns) des Transformators T2 und die Reaktorspule Lo in einer Form eines Ringes (geschlossene Kreisschleife) verbunden sind, ist, wenn eine Spannung der Sekundärwicklung 5c des Transformators T1 gleich V1 ist, eine Spannung der Wicklung 7 der Reaktorspule Lo gleich V2 und ist eine Spannung der Sekundärwicklung 6c des Transformators T2 gleich V3, wobei eine Gesamtsumme der Spannung, die in den Wicklungen 5c, 6c und 7 erzeugt wird, als V1 + V2 + V3 = 0 erhalten wird.
Wenn die Windungszahlen der Wicklungen 5c, 6c und 7 gleich zueinander sind und die Windungszahl als N definiert ist, ist ein magnetischer Fluss Φ eines Kerns, um den die Wicklung gewickelt ist, durch dΦ/dt = V ausgedrückt. Da die Gesamtsumme der Spannungen der Wicklungen Null ist, ist deshalb eine Gesamtsumme der Magnetflussänderungen der Kerne auch gleich Null. Somit wird, auch wenn der magnetische Kreis, der in 8A gezeigt ist, durch den magnetischen Kreis, der in 8C gezeigt ist, ersetzt wird, da die Gesamtsumme des magnetischen Flusses Φ1+ Φ2+ Φ3 = 0 erfüllt ist, der Betrieb nicht beeinflusst.
Zudem wird, da ΔΦ1 + ΔΦ2 + ΔΦ3 = 0 (ΔΦ1, ΔΦ2 und ΔΦ3 zeigen eine Änderung des Magnetflusses von Φ1, Φ2 bzw. Φ3) auch wenn alle drei Abschnitte, d.h., der Abschnitt 30b, durch den der Magnetfluss Φ1 hindurch geht, der Abschnitt 30c, durch den der Magnetfluss Φ2 hindurch geht, und der Abschnitt 30e, durch den der Magnetfluss Φ3 hindurch geht, entfernt sind, um den magnetischen Kreis auszubilden, wie er in 8D gezeigt ist, der Betrieb nicht beeinflusst. Gemäß dem magnetischen Kreis, der in 8D gezeigt ist, ist die Primärwicklung 5 des Transformators T1 um einen ersten Abschnitt 40a eines Kerns 40 gewickelt, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, ist die Primärwicklung 6 des Transformators T2 um einen zweiten Abschnitt 40b gewickelt und ist ein Spalt 44 in einem dritten Abschnitt 40c ausgebildet. Durch diesen Aufbau kann der magnetische Kreis miniaturisiert werden.
Wenn ein Kern, der die drei Abschnitte enthält, auf diese Art und Weise verwendet wird, können die beiden Transformatoren und die Reaktorspule vereinfacht werden und der Schaltungsaufbau kann vereinfacht werden.
Wie in 8E gezeigt ist, sind eine erste Spule, die die Primärwicklung 5 des Transformators T1 enthält, und eine zweite Spule, die die Primärwicklung 6 des Transformators T2 enthält, um einen zentralen Abschnitt 50a eines Kerns 50 gewunden, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, und ein magnetischer Nebenschluss 52, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist, ist zwischen den beiden Spulen vorgesehen. Ein Spalt 54 ist zwischen dem magnetischen Nebenschluss 52 und einem äußeren Abschnitt bzw. Schenkel des Kerns 50 ausgebildet.
In einem Beispiel der magnetischen Schaltung, die in 8E gezeigt ist, wird der Kopplungszustand zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule verbessert und das Meiste des magnetischen Flusses, der von den beiden Spulen erzeugt wird, geht durch den magnetischen Nebenschluss 52. Die Induktanz kann deshalb in einem weiten Bereich durch den Spalt 54 des magnetischen Nebenflusses 52 eingestellt werden. Wenn der Spalt 54 in der Größe gemäß einer Verwendung, in der ein hoher Spitzenstrom fließt, erhöht wird, kann deshalb der Wandler verwendet werden, ohne dass der Kern gesättigt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Schaltnetzteilvorrichtung der ersten bis vierten Ausführungsformen beschränkt. Z.B. kann in dem Aufbau, der in 6 und 7 gezeigt ist, die Diode D4 durch den Schalter Q5 ersetzt werden, der in 5 gezeigt ist, kann die Diode D3 durch den Schalter Q6 ersetzt werden, der in 5 gezeigt ist, und können die Schalter Q5 und Q6 in Synchronisation mit den Schaltern Q1 und Q2 gesteuert werden. Bei diesem Aufbau kann die gleiche Wirkung wie die der zweiten Ausführungsform erhalten werden.
Während Vollbrücken, Halbbrücken und Gegentakt-Wandelschaltungen in den ersten bis vierten Ausführungsformen beschrieben worden sind, kann jede Wandelschaltung in dieser Erfindung verwendet werden, solange die Ausgangsspannung eine Wechselspannung wird, die symmetrisch bezüglich positiv und negativ ist. Gemäß dem ersten und zweiten technischen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Schaltnetzteilvorrichtung zwei Glättungstransformatoren. Die Ausgangsgrößen der Transformatoren werden durch die Glättungstransformatoren zusammengesetzt und die Ausgangsgrößen werden der Reaktorspule hinzugefügt, die mit einer Sekundärwicklung des jeweiligen Glättungstransformators verbunden ist, wodurch Energie gespeichert wird. Eine Primärwicklung des Glättungstransformators ist mit einem Abgriff versehen und der Glättungstransformator wird als ein Spartransformator betrieben. Bei diesem Aufbau dient die Sekundärwicklung eines Wandlertransformators als eine Wicklung bzw. Windung für einen Ausgang, so dass, auch wenn die Sekundärspannung des Wandlertransformators höher ist, die Sekundärwicklung des Wandeltransformators durch Einstellen der Abgriffsposition des Glättungstransformators eingestellt werden kann. Da die Sekundärwicklung eingestellt werden kann, wenn die EIN-Dauer der Schaltvorrichtung verbreitert wird (d.h., die EIN-Phase der Schaltvorrichtung wird optimiert) bezüglich der niedrigen Spannung und einem hohen Strom, kann der Verlust der Schaltvorrichtung durch Reduzieren des Stromspitzenwertes reduziert werden. Da der effektive Wert des Stromes, der durch den Wandeltransformator fließt, reduziert werden kann, kann das Drahtmaterial der Sekundärwicklung reduziert werden und der Wandeltransformator kann miniaturisiert werden.
Gemäß einem dritten technischen Aspekt der Erfindung kann die EIN-Phase der Schaltvorrichtung optimiert werden und der Verlust kann durch Einstellen des Windungszahlverhältnisses des Glättungstransformators eingestellt werden.
Gemäß einem vierten technischen Aspekt der Erfindung sind der erste Glättungstransformator und der zweite Glättungstransformator und die Reaktorspule integral ausgebildet unter Verwendung eines Kerns integral bzw. einstückig ausgebildet, der drei Schenkel bzw. Abschnitte hat. Die Schaltung kann deshalb vereinfacht werden und die Schaltung kann weiterhin miniaturisiert werden und ihr Wirkungsgrad kann verbessert bzw. erhöht werden.
Gemäß einem fünften technischen Aspekt der Erfindung wird ein Kopplungszustand zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule verbessert, wobei der Großteil des magnetischen Flusses, der durch die beiden Spulen erzeugt wird, durch den magnetischen Nebenschluss hindurchgeht und die Induktanz kann in einem weiten Bereich des Spalts des magnetischen Nebenschlusses eingestellt werden. Wenn der Spalt in der Größe gemäß einer Verwendung erhöht wird, in der ein großer Spitzenstrom fließt, kann der Wandler ohne Sättigung des Kerns verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist in einem Spannungsversorgungsteil bzw. Netzteil einer Netzteilvorrichtung bzw. Spannungsversorgungsvorrichtung, z.B. einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und einem Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler verwendbar.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindungen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben wurden, beschränkt. Modifikationen und Änderungen der Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben worden sind, sind für Fachleute im Licht der Lehren offenbar. Der Bereich der Erfindung ist mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

Schaltnetzteilvorrichtung, die eine Wandelschaltung enthält, die eine Gleichspannung einer Gleichspannungsversorgung (Vdc1) EIN/AUS-schaltet, um die Gleichspannung einer Primärwicklung (3a) eines Wandeltransformators (Ta) zuzuführen, und die eine Spannung, die symmetrisch bezüglich dem positiven Bereich und dem negativen Bereich ist, von einer Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators ausgibt und die aufweist: einen ersten Glättungstransformator (T1), der eine Primärwicklung (5), die eine erste Wicklung (5a) und eine zweite Wicklung (5b) hat, und eine Sekundärwicklung (5c) enthält, wobei ein Ende der Primärwicklung mit einem Ende der Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators verbunden ist; einen zweiten Glättungstransformator (T2), der eine Primärwicklung (6), die eine erste Wicklung (6a) und eine zweite Wicklung (6b) hat, und eine Sekundärwicklung (6c) enthält, wobei ein Ende der Primärwicklung mit einem anderen Ende der Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators verbunden ist; einen Reaktor bzw. eine Reaktorspule (L0), die mit beiden Enden einer Serienschaltung verbunden ist, mit der eine Sekundärwicklung des ersten Glättungstransformators und eine Sekundärwicklung des zweiten Glättungstransformators seriell verbunden sind; einen Glättungskondensator (C0), dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Primärwicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende der Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators verbunden ist; eine erste Diode (D4), die mit einer Verbindung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des ersten Glättungstransformators und mit dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist; eine zweite Diode (D3), die mit einer Verbindung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des zweiten Glättungstrans formators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist.
Schaltnetzteilvorrichtung, die eine Wandelschaltung enthält, die eine Gleichspannung einer Gleichspannungsversorgung (Vdc1) EIN/AUS-schaltet, um die Gleichspannung einer Primärwicklung (3a) eines Wandeltransformators (Ta) zuzuführen, und die eine Spannung, die symmetrisch bezüglich des positiven Bereichs und des negativen Bereichs ist, von einer Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators ausgibt und die aufweist: einen ersten Glättungstransformator (T1), der eine Primärwicklung (5), die eine erste Wicklung (5a) und eine zweite Wicklung (5b) hat, und der eine Sekundärwicklung (5c) enthält, wobei ein Ende der Primärwicklung mit einem Ende der Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators verbunden ist; einen zweiten Glättungstransformator (T2), der eine Primärwicklung (6), die eine erste Wicklung (6a) und eine zweite Wicklung (6b) hat, und eine Sekundärwicklung (6c) enthält, wobei ein Ende der Primärwicklung mit einem anderen Ende der Sekundärwicklung (3b) des Wandeltransformators verbunden ist; einen Reaktor bzw. eine Reaktorspule (L0), die mit beiden Enden einer Serienschaltung verbunden ist, mit der eine Sekundärwicklung des ersten Glättungstransformators und eine Sekundärwicklung des zweiten Glättungstransformators seriell verbunden sind; einen Glättungstransformator (C0), von dem ein Ende mit dem anderen Ende der Primärwicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende der Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators verbunden ist; ein erstes Schaltelement (Q5), das mit einer Verbindung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des ersten Glättungstransformators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist; und ein zweites Schaltelement (Q6), das mit einer Verbindung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung des zweiten Glät tungstransformators und dem anderen Ende des Glättungskondensators verbunden ist und das bezüglich des ersten Schaltelements komplementär EIN/AUS-schaltet.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, worin: eine Windungszahl np1 der ersten Wicklung des ersten Glättungstransformators und eine Windungszahl np1 der ersten Wicklung des zweiten Glättungstransformators gleich zueinander sind; eine Windungszahl np2 der zweiten Wicklung des ersten Glättungstransformators und eine Windungszahl np2 der zweiten Wicklung des zweiten Glättungstransformators gleich zueinander sind; und die Schaltnetzteilvorrichtung ein vorgegebenes Windungszahlverhältnis A hat, das durch A = (np1 + np2)/np2 ausgedrückt ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 2, worin: eine Windungszahl np1 der ersten Wicklung des ersten Glättungstransformators und eine Windungszahl np1 der ersten Wicklung des zweiten Glättungstransformators gleich zueinander sind; eine Windungszahl np2 der zweiten Wicklung des Glättungstransformators und eine Windungszahl np2 der zweiten Wicklung des zweiten Glättungstransformators gleich zueinander sind; und worin die Schaltnetzteilvorrichtung ein vorgegebenes Windungszahlverhältnis A hat, das durch A = (np1 + np2)/np2 ausgedrückt ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, worin: der erste Glättungstransformator, der zweite Glättungstransformator und die Reaktorspule ein integral ausgebildeter magnetischer Kreis sind; die Schaltnetzteilvorrichtung einen Kern (40) enthält, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, der einen ersten Abschnitt (40a), einen zweiten Abschnitt (40b) und einen dritten Abschnitt (40c) hat; der erste Abschnitt (40a), der zweite Abschnitt (40b) und der dritte Abschnitt (40c) jeweils ein Teil des geschlossenen, magnetischen Kreises sind; und die Primärwicklung (5) des ersten Glättungstransformators um den ersten Abschnitt gewunden ist, die Primärwicklung (6) des zweiten Glättungstransformators um den zweiten Abschnitt gewunden ist und ein Spalt (44) in dem dritten Abschnitt ausgebildet ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 2, worin: der erste Glättungstransformator, der zweite Glättungstransformator und die Reaktorspule integral als magnetischer Kreis ausgebildet sind; die Schaltnetzteilvorrichtung einen Kern (40) enthält, der mit einem geschlossenen magnetischen Kreis ausgebildet ist, der einen ersten Abschnitt (40a), einen zweiten Abschnitt (40b) und einen dritten Abschnitt (40c) hat; und der erste Abschnitt (40a), der zweite Abschnitt (40b) und der dritte Abschnitt (40c) jeweils ein Abschnitt des geschlossenen, magnetischen Kreises sind.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, worin: der erste Glättungstransformator, der zweite Glättungstransformator und die Reaktorspule ein integral ausgebildeter magnetischer Kreis sind; die Schaltnetzteilvorrichtung einen Kern (50) enthält, der mit einem geschlossenen magnetischen Kreis ausgebildet ist, der eine Vielzahl von Abschnitten als Teile des geschlossenen, magnetischen Kreises hat, eine erste Spule (5), die die Primärwicklung des ersten Glättungstransformators enthält, und eine zweite Spule (6), die die Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators enthält, um den ersten Abschnitt (50a) gewunden sind, und ein magnetischer Nebenschluss (52) zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule ausgebildet ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 2, worin: der erste Glättungstransformator, der zweite Glättungstransformator und die Reaktorspule ein integral ausgebildeter magnetischer Kreis sind die Schaltnetzteilvorrichtung einen Kern (50) enthält, der mit einem geschlossenen, magnetischen Kreis ausgebildet ist, der eine Vielzahl von Abschnitten als Teile des geschlossenen magnetischen Kreises aufweist, eine erste Spule (5), die eine Primärwicklung des ersten Glättungstransformators enthält, und eine zweite Spule (6), die eine Primärwicklung des zweiten Glättungstransformators enthält, um den ersten Abschnitt (50a) gewunden sind, und ein magnetischer Nebenschluss (52) zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule ausgebildet ist.