DE10339470A1

DE10339470A1 - Steuerschaltung für ein Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE10339470A1
Application number: DE10339470A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schröder
Original assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Current assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-31
Also published as: JP2005137191A; CN1592053A; US7092260B2; CN100474748C; US20050047184A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum Steuern des Synchrongleichrichterschalters eines Schaltnetzteils, das einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer sekundärseitigen Hilfswicklung aufweist. Zwischen der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung ist ein Spannungsabgriff bereitgestellt, wobei die Steuerschaltung an einem Anschluss der Hilfswicklung und dem Spannungsabgriff anschließbar ist. Die Steuerschaltung ist mit dem Steueranschluss eines Schalters verbindbar, und die Ausgangsspannung ist parallel zu der Sekundärwicklung abgreifbar. Die Steuerschaltung steuert einen sekundärseitigen Schalter zum Kurzschließen der Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Spannungsabgriff und ein RC-Glied zum Bereitstellen von positiven und negativen Steuerimpulsen, die eine vordefinierte Zeitkonstante aufweisen. Durch die Verwendung des RC-Glieds kann eine extrem preiswerte Steuerschaltung bereitgestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum Steuern eines Schalters, der die Sekundärdiode eines Schaltnetzteils zeitweilig kurzschließt und so die Verlustleistung reduziert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung in einem primär gesteuerten Schaltnetzteil, das einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer sekundärseitigen Hilfswicklung aufweist. Zwischen der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung ist ein Spannungsabgrift bereitgestellt, wobei die Steuerschaltung an einen Anschluss der Hilfswicklung und den Spannungsabgriff anschließbar ist. Die Steuerschaltung ist mit einem Ausgangsanschluss des Schaltnetzteils verbindbar, und die Ausgangsspannung ist parallel zu der Sekundärwicklung abgreifbar. Die Erfindung betrifft außerdem ein Schaltnetzteil zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, wobei das Schaltnetzteil die Steuerschaltung verwendet.
Schaltnetzteile sind getaktete Stromversorgungen, die eine gleichgerichtete, gesiebte Netzspannung zerhacken. Sie haben sich gegenüber konventionellen Netzteilen mit Netztransformatoren in vielen Anwendungsfällen durchgesetzt, da sie ab einer gewissen Leistungsklasse einen besseren Wirkungsgrad aufweisen und insbesondere einen geringeren Platzbedarf haben.
Durch den Einsatz von elektronischen Schaltern entstehen im Wesentlichen nur Schaltverluste, wobei anstelle der Netzspannung eine hochfrequente Wechselspannung transformiert wird. Anstatt der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz kann die hochfrequente Wechselspannung beispielsweise im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz liegen.
Da die erforderlichen Windungszahlen des Transformators umgekehrt proportional zur Frequenz sinken, lassen sich dadurch die Kupferverluste stark reduzieren, und der notwendige Transformator wird wesentlich kleiner. Eine Regelung erfolgt entweder durch eine Veränderung des Tastverhältnisses bei konstanter Frequenz oder durch die Änderung der Frequenz bei festem oder variablem Tastverhältnis.
Die Ausgangsspannung lässt sich durch das Taktverhältnis bestimmen, mit dem der elektronische Schalter geschlossen wird. Die durch den elektronischen Schalter zerhackte Spannung kann in jede beliebige andere Spannung transformiert und gleichgerichtet werden. Wenn zur Regelung einer gewünschten Ausgangsgleichspannung eines Schaltnetzteils das Tastverhältnis eines Schalters auf der Primärseite verändert wird, so spricht man von primär getakteten Schaltnetzteilen. Primär getaktete Schaltnetzteile werden wegen ihres höheren Wirkungsgrades im Allgemeinen bevorzugt.
Um den Wirkungsgrad weiter zu optimieren, sind insbesondere primärgetaktete Schaltnetzteile bekannt, bei denen die auf der Primärseite des Hochfrequenztransformators durch den Schalter, beispielsweise einen bipolaren Transistor, erzeugte Frequenz in Abhängigkeit von der auf der Sekundärseite des Netzteils anliegenden Last geregelt wird, um eine Sättigung des Hochfrequenztransformators zu vermeiden. Die zu einer solchen Regelung notwendige Rückkopplung wird beispielsweise dadurch realisiert, dass eine an einer Hilfswicklung abgegriffene Spannung als Referenzwert verwendet wird.

Eine Referenzwertgenerierung unter Verwendung einer Hilfswicklung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 100 18 229 A1 gezeigt. Das in der DE 100 18 229 A1 beschriebene Verfahren zur Regulierung des Ausgangsstroms und/oder der Ausgangsspannung eines primär gesteuerten Schaltnetzteils beinhaltet, dass, um eine Unabhängigkeit der Strom- und Spannungsregelung von der Eingangsspannung zu erhalten, ein Referenzwert verwendet wird, der schaltungsintern gebildet und zur Beeinflussung eines Spannungsreglers eingesetzt wird.

Häufig betreiben solche Schaltnetzteile einen Sekundärschaltkreis, der eine Reihe von Dioden, Kondensatoren und andere elektronische Bauteile aufweist. Um die vom Schaltnetzteil erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu verwandeln, werden Dioden verwendet. Da diese Dioden während des Stromflusses einen nicht zu vernachlässigenden Spannungsfall verursachen, entsteht eine unerwünschte Verlustleistung. Um diese Verlustleistung zu verringern, wird bei Bedarf üblicherweise ein Schalter z.B. ein Feldeffekttransistor, parallel zur Diode eingeschaltet. Dadurch verringert sich der Spannungsfall und die Verlustleistung sinkt.

Eine solche Schaltung nennt man Synchrongleichrichter. Dabei wird zur Ansteuerung des Schalters teilweise ein erheblicher Schaltungsaufwand betrieben, wobei es erwünscht ist, diesen Schaltungsaufwand zu reduzieren, um das Schaltnetzteil in einer kompakteren und günstiger zu produzierenden Bauform anbieten zu können.

Daher besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, eine Steuerschaltung und ein entsprechendes Verfahren zum Steuern des Schalters in einem Synchrongleichrichter so zu gestalten, dass er mit minimalem Schaltungsaufwand zu realisieren ist.

Diese Aufgabe ist durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass ein einfaches RC-Glied zur Steuerung eines sekundärseitigen Schalters in einen Synchrongleichrichter herangezogen werden kann, wobei gleichzeitig ein stark reduzierter sekundärseitiger Schaltungsaufwand betrieben werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Steuerschaltung zum Steuern eines Synchrongleichrichterschalters bereitgestellt, wobei das Schaltnetzteil einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer sekundärseitigen Hilfswicklung aufweist. Zwischen der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung ist ein Spannungsabgriff bereitgestellt. Die Steuerschaltung ist an einen Anschluss der Hilfswicklung und den Spannungsabgriff anschließbar, wobei die Steuerschaltung mit einem Ausgangsanschluss des Schaltnetzteils verbindbar und die Ausgangsspannung parallel zu der Sekundärwicklung abgreifbar ist. Die Steuerschaltung weist einen sekundärseitigen Schalter zum Kurzschließen einer Gleichrichterdiode zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Spannungsabgriff auf. Die Steuerschaltung weist weiterhin ein RC-Glied zum Bereitstellen von positiven und negativen Steuerimpulsen auf, die eine vordefinierte Zeitkonstante aufweisen, wobei das RC-Glied parallel zu der Hilfswicklung geschaltet ist. Hier ist von Vorteil, dass ein Spannungsabfall an der Gleichrichterdiode nicht in die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils eingeht.

Dabei wird während eines Stromflusses durch die Gleichrichterdiode durch zeitweiliges Kurzschließender Gleichrichterdiode deren Spannungsfall verringert und damit sinkt die Verlustleistung. Des Weiteren ist von Vorteil, dass eine starkreduzierte Anzahl von elektronischen Standard-Bauteilen zum Ansteuern des Schalters verwendet werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der sekundärseitige Schalter ein Feldeffekttransistor, wobei die Steuerschaltung einen Widerstand zum Definieren einer Schaltspannung des Feldeffekttransistors aufweist. Der Widerstand ist mit dem Spannungsabgriff und einem Steuereingang des Feldeffekttransistors verbunden. Hier ist von Vorteil, dass die Verwendung eines Feldeffekttransistors eine genaue Steuerung der Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ermöglicht. Des Weiteren ist von Vorteil, dass der Feldeffekttransistor ein handelsübliches und billiges Bauteil ist, welches eine kostengünstige Herstellung der Steuerschaltung ermöglicht. Die Ansteuerung eines solchen Feldeffekttransistors kann nahezu leistungslos erfolgen, womit der Forderung nach Energieersparnis Rechnung getragen wird.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines primär gesteuerten Schaltnetzteils mit einer Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaltbild eines primär gesteuerten Schaltnetzteils mit einer Steuerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
3 ein Schaltbild eines primär gesteuerten Schaltnetzteils mit einer Steuerschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform.
1 zeigt eine Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangsspannung Uaus eines primär gesteuerten Schaltnetzteils in ihrer Applikationsumgebung. Die Steuerschaltung 100 umfasst einen sekundärseitigen Schalter S2 und ein RC-Glied R1, C1. In der gezeigten Hilfswicklung WH des Transformators werden durch primärseitige Ab tastvorgänge Spannungsimpulse induziert, wobei das in Serie geschaltete RC-Glied die Spannungsimpulse durch Aufprägen einer vordefinierte Zeitkonstante weiter modifiziert. Das RC-Glied ist mit dem Steuereingang des sekundärseitigen Schalters S2 verbunden und liefert ein Steuersignal mit der aufgeprägten vordefinierten Zeitkonstante.
Der sekundärseitige Schalter S2 ist mit einem Spannungsabgriff P verbunden, der zwischen der Sekundärwicklung WS und der sekundärseitigen Hilfswicklung WH bereitgestellt ist, und schließt zeitweilig die Diode kurz, die die Ausgangsspannung U aus des Schaltnetzteils nach außen führt, wobei die Ausgangsspannung Uaus an einem Glättungskondensator C2 abgreifbar ist.
Der sekundärseitige Schalter S2 empfängt über das RC-Glied R1, C1 die positiven und negativen Impulse der Steuerspannung mit der aufgeprägten vordefinierten Zeitkonstante. Die positiven und negativen Steuerimpulse sind durch die vordefinierte Zeitkonstante so eingestellt, dass jeweils kurz vor deren Nulldurchgang der Schalter S2 die Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Spannungsabgriff P auftrennt.
Das zeitweilige Kurzschließen der Diode bewirkt, dass die Verlustleistung während des Stromflusses deutlich reduziert wird.
Wenn nun die Zeitkonstante des RC-Glieds durch geeignete Wahl der Widerstands- und Kapazitätswerte mit der Stromflussdauer in der Diode abgestimmt ist, dann wird der Schalter S2 kurz vor der Umpolung der Spannung an der Wicklung WS gesperrt, wodurch Rückströme durch den Schalter verhindert werden, die andernfalls zu hoher Verlustleistung führen würden.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung einen Widerstand R2 zum Definieren einer Schaltspannung des sekundärseitigen Schalters S2 umfasst. Der Widerstand R2 ist mit dem Spannungsabgriff P und einem Steuereingang des sekundärseitigen Schalters S2 verbunden.
3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, wobei anstelle des Schalters S2 ein Feldeffekttransistor T1 verwendet wird. Der sekundärseitige Feldeffekttransistor T1 wird über das RC-Glied R1, C1 in der oben beschriebenen Weise mit einer Steuerspannung versorgt, die den sekundärseitigen Feldeffekttransistor T1 analog so steuert, dass er während eines möglichst großen Teils der Stromflussdauer in der Diode eingeschaltet ist aber rechtzeitig vor dem Umpolen der Spannung an der Wicklung WS gesperrt wird.
Außerdem bietet die Verwendung eines Feldeffekttransistors als sekundärseitiger Schalter in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, ein handelsübliches und billiges Bauteil zu verwenden, welches eine kostengünstige Herstellung der Steuerschaltung ermöglicht.
Durch die extrem geringe Anzahl der nötigen Bauelemente können in vorteilhafter Weise die Herstellungskosten für der Steuerschaltung reduziert werden.
Es ist anzumerken, dass die preiswerte Steuerschaltung besonders gut für Sperrwandler geeignet ist, insbesondere für solche Schaltnetzteile, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 100 18 229 A1 gezeigt sind. Die Steuerschaltung kann jedoch auch in anderen primär gesteuerten Schaltnetzteilen verwendet werden.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, ein verbessertes Schaltnetzteil zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Uaus bereitzustellen. Durch den primärseitigen Schalter S1 erfolgt ein primärseitiges Abtasten einer Eingangsspannung Uein, wobei durch geeignete Wahl der Abtastfrequenz eine gewünschte Ausgangsspannung Uaus generiert werden kann. Das RC-Glied erzeugt positive und negative Steuerimpulse, wobei die Steuerimpulse mit einer vordefinierten Zeitkonstante korrespondieren. Die vordefinierte Zeitkonstante kann beispielsweise mit einer Abtastfrequenz des primärseitigen Schalters S1 korrespondieren, wobei die positiven und negativen Steuerimpulse den sekundärseitigen Schalter S2 veranlassen, eine Verbindung von dem Spannungsabgriff zu dem Ausgangsanschluss des Schaltnetzteils so zu bilden, dass die Verlustleistung der Gleichrichterelemente (Diode und Synchrongleichrichter) minimiert wird.
Mit dieser und allen anderen oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann eine extrem preiswerte Ansteuerschaltung für einen Synchrongleichrichterschalter realisiert werden.

Claims

Steuerschaltung zum Steuern einer Ausgangsspannung (Uaus) eines Schaltnetzteils, wobei das Schaltnetzteil einen primärseitigen Schalter (S1) und einen Transformator mit einer Primärwicklung (WP), einer Sekundärwicklung (WS) und einer sekundärseitigen Hilfswicklung (WH) aufweist, wobei zwischen der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung ein Spannungsabgriff (P) bereitgestellt ist, wobei die Steuerschaltung an einen Anschluss der Hilfswicklung und den Spannungsabgriff anschließbar ist, wobei die Steuerschaltung mit einem Ausgangsanschluss des Schaltnetzteils verbindbar ist, und die Ausgangsspannung (Uaus) parallel zu der Sekundärwicklung abgreifbar ist, und wobei die Steuerschaltung umfasst: einen sekundärseitigen Schalter (S2) zum Kurzschließen einer Gleichrichterdiode (D1) zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Spannungsabgriff, und ein RC-Glied (R1, C1) zum Bereitstellen von positiven und negativen Steuerimpulsen, die eine vordefinierten Zeitkonstante aufweisen, wobei das RC-Glied parallel zu der Hilfswicklung (WH) geschaltet ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, umfassend einen Widerstand (R2) zum Definieren einer Schaltspannung des sekundärseitigen Schalters (S2), wobei der Widerstand (R2) mit dem Spannungsabgriff (P) und einem Steuereingang des sekundärseitigen Schalters (S2) verbunden ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Widerstand (R2) eine Widerstandswert aufweist, der zum vordefinierten Entladen einer Kapazität (C1) des RC-Glieds (R1, C1) angepasst ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der sekundärseitige Schalter ein Feldeffekttransistor (T1) ist, der eine integrierte Gleichrichterdiode (D1) aufweist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das RC-Glied so ausgebildet ist, dass die Zeitkonstante mit einer Zeit des Stromflusses durch die Gleichrichterdiode (D1) korrespondiert.
Schaltnetzteil zum Erzeugen einer gesteuerten Ausgangsspannung (Uaus), wobei das Schaltnetzteil umfasst: einen primärseitigen Schalter (S1) zum Abtasten einer Eingangsspannung (Uein), einen Transformator mit einer Primärwicklung (WP), einer Sekundärwicklung (WS) und einer sekundärseitigen Hilfswicklung (WH) angepasst zum Erzeugen einer Hilfsspannung, und eine Steuerschaltung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Steuern eines sekundärseitigen Schalters (S2), der die Verlustleistung minimiert.
Verfahren zum Steuern einer Ausgangsspannung (Uaus) eines Schaltnetzteils mit einem primärseitigen Schalter (S1), einer Primärwicklung (WP), einer Sekundärwicklung (WS), einer sekundärseitigen Hilfswicklung (WH), angepasst zum Erzeugen einer Hilfsspannung, und einer Steuerschaltung (100, 200, 300) zum Steuern der Ausgangsspannung (Uaus), wobei zwischen der Sekundärwicklung (WS) und der Hilfswicklung (WH) ein Spannungsabgriff (P) bereitgestellt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: primärseitiges Abtasten einer Eingangsspannung (Uein) durch den primärseitigen Schalter (S1), Generieren der Ausgangsspannung (Uaus) des Schaltnetzteils, Erzeugen von positiven und negativen Steuerimpulsen durch ein RC-Glied (R1, C1), wobei die Steuerimpulse mit einer vordefinierten Zeitkonstante korrespondieren, Ausgeben der positiven und negativen Steuerimpulse an einen sekundärseitigen Schalter (S2), der eine Paralleldiode (D1) aufweist, zeitweiliges Kurzschließen der Paralleldiode (D1) durch den sekundärseitigen Schalter (S2) in Abhängigkeit der positiven und negativen Steuerimpulse zum Minimieren einer Verlustleistung des Schaltnetzteils.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vordefinierte Zeitkonstante mit der Zeit des Stromflusses durch die Paralleldiode (D1) korrespondiert.