DE19735208A1 - Selbstschwingendes Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor, einem Trenntransformator mit mindestens einer Sekundärwicklung und einer Primärwicklung, die in Serie zu dem Schalttransistor geschaltet ist, und mit einer Anlaufschaltung, die den Steueranschluß des Schalttransistors mit einer eingangsseitigen Betriebsspannung verbindet.

Schaltnetzteile dieser Art, die insbesondere einen MOSFET mit hochohmigem Steueranschluß als Schalttransistor aufweisen, können im einem Kurzschlußfall in einen unstabilen Zustand geraten, durch den der Schalttransistor gefährdet ist. Problematische Bauteile sind beispielsweise Gleichrichterdioden und Glättungskondensatoren auf der Sekundärseite, die einen Kurzschluß verursachen können, und die bei einem Kurzschlußfall das Abbrechen der Oszillation oder eine undefinierte Oszillation des Schaltnetzteils bewirken können. Auch bei einem Abbrechen der Oszillation wird durch die vorhandene Anlaufschaltung der Steueranschluß des Schalttransistors mit einer Spannung versorgt, die ein teilweises Durchschalten des Schalttransistors bewirken kann. Wird insbesondere der Schalttransistor ohne Kühlkörper betrieben, so erwärmt sich dieser und im Falle eines MOSFET (Metall-Oxid-Feldeffekt-Tran­ sistor) steigt hierdurch der Drain-Source-Widerstand an, wodurch die Temperatur des Schalttransistors zusätzlich weiter ansteigt und diesen zerstören kann.

Desweiteren können verschiedene Bauteile (insbesondere der Transistor aber auch z. B. Sekundärdioden und Kondensatoren) durch die anhaltende Oszillation des Netzteiles und einem in diesem Betriebszustand sehr großen Strom in diesen Bauteilen unzulässig heiß werden, das Lötzinn kann schmelzen, wodurch ein Sicherheitsrisiko besteht (Brandgefahr).

Ein selbstschwingendes Schaltnetzteil dieser Art ist beispielsweise aus der DE 43 42 805 A1 bekannt. Aus der DE 42 44 530 A1 ist ein Schaltnetzteil mit einer Schutzschaltung bekannt, die im Bereitschaftsbetrieb auch bei unterschiedlichen Netzspannungen sicher anspricht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein selbstschwingendes Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem insbesondere bei Verwendung eines MOSFET mit einem hochohmigen Steueranschluß als Schalttransistor im Falle eines Kurzschlusses der Schalttransistor nicht zerstört wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Schaltnetzteil der vorliegenden Erfindung enthält auf der Primärseite Schaltungsmittel, die bei einem sekundärseitigen Kurzschluß ein sicheres Abschalten des Schalttransistors bewirken. Insbesondere enthält es eine Anlaufschaltung mit einer hochohmigen Widerstandskette, deren Widerstände zum Teil mittels eines parallel geschalteten Kondensators überbrückt sind. Hierdurch wird im Einschaltzeitpunkt ein ausreichend hoher Strom geliefert zum Durchschalten des Schalttransistors, so daß das Schaltnetzteil zu schwingen beginnt. Während des Betriebes, wenn dieser Kondensator aufgeladen ist, ist der Strom durch die Anlaufschaltung derart gering, daß er allein nicht zum Durchschalten des Schalttransistors ausreicht.

Die Anlaufschaltung bildet zusammen mit einem Widerstand, der den Steuerspannungsweg mit einem niedrigen Potential verbindet, einen Spannungsteiler, der derart bemessen ist, daß die an dem Steueranschluß des Schalttransistors anliegende Spannung unterhalb dessen Einschaltspannung bleibt. Die Impedanz der Verbindung des Steueranschlusses mit einer primärseitigen Hilfswicklung, über die die Schwingung des Schaltnetzteils während des Betriebs aufrechterhalten wird, ist zudem derart hoch, daß eine bei einem sekundärseitigen Kurzschluß eventuell an dieser Wicklung noch vorhandene Spannung nicht ausreicht, zusammen mit dem deutlich verringerten Anlaufstrom den Schalttransistor durchzuschalten.

Mittels einer Zenerdiode, die parallel zu dem Kondensator liegt und mit einem niedrigeren Potential verbunden ist, wird die Spannung über dem Kondensator begrenzt und im vollständigen Netzspannungsbereich konstant gehalten. Vorteilhafterweise ist der Steuerspannungsweg des Schalttransistors noch über eine Zenerdiode und einen Widerstand mit einem Ladekondensator verbunden, durch den die Dimensionierung des Schaltnetzteiles für einen Netzspannungsbereich von 90 V-264 V ermöglicht wird. Bei einer kurzfristigen Netzunterbrechung ermöglicht der Ladekondensator, daß das Schaltnetzteil oszilliert bis der mit dem Netzgleichrichter verbundene Siebkondensator entladen ist und somit der Kondensator in der Anlaufschaltung im wesentlichen entladen wird, so daß ein sicherer Neustart möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an den Steuerspannungsweg des Schalttransistors eine Transistorstufe geschaltet, die nach dem Anlaufen des Schalttransistors dessen Steueranschluß niederohmig macht. Dadurch kann der Schalttransistor während des Betriebs nicht mehr über den Anlaufstrom, sondern nur noch über eine weitere Spannungsquelle bzw. Stromquelle, wie zum Beispiel einer Hilfswicklung, durchgesteuert werden. Die Transistorstufe enthält hierfür insbesondere einen Kondensator, der im entladenen Zustand den Transistor dieser Transistorstufe leitend hält, so daß der Steueranschluß des Schalttransistors niederohmig gehalten wird. In einem Kurzschlußfall reicht der Spannungsabfall an dem niederohmigen Steueranschluß des Schalttransistors nicht aus, diesen durchzuschalten: Erst wenn der Kondensator über eine große Zeitkonstante geladen ist und damit den Transistor der Transistorstufe sperrt, wird der Steueranschluß des Schalttransistors hochohmig und der Schalttransistor macht einen neuen Einschaltversuch. Während des Normalbetriebs bleibt der Kondensator entladen, so daß der Steueranschluß des Schalttransistors niederohmig ist und ein ungestörter Betrieb des Schaltnetzteiles möglich ist.

Die Erfindung kann insbesondere verwendet werden für selbstschwingende Schaltnetzteile, wie beispielsweise für Videorecorder oder Fernsehgeräte. Auch ohne Kühlkörper wird der Schalttransistor durch einen sekundärseitigen Kurzschluß nicht zerstört. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß bei einer vorübergehenden Störung, zum Beispiel bei einem kurzzeitigen Netzausfall oder bei einem Überschlag in einer Bildröhre, das Schaltnetzteil wieder neu startet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von schematischen Schaltbildern näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einer Anlaufschaltung,

Fig. 2 eine Transistorstufe, die mit dem Steuerspannungsweg eines Schalttransistors verbunden ist.

Das Schaltnetzteil der Fig. 1 enthält einen Brückengleichrichter BR zur Gleichrichtung einer Netzspannung AC, dessen Ausgangsspannung durch einen Siebkondensator C10 geglättet wird. Die hieraus resultierende eingangsseitige Betriebsspannung U0 liegt an einer Primärwicklung W1 eines Trenntransformators TR an, die in Serie zu einem Schalttransistor T20 geschaltet ist. Der Trenntransformator TR enthält weiterhin sekundärseitige Wicklungen W3, W4, W5 zur Bereitstellung verschiedener Betriebsspannungen und eine primärseitige Hilfswicklung W2. Das Schaltnetzteil arbeitet als Sperrwandler.

Der Steueranschluß des Schalttransistors T20 ist mit einem Wicklungsende 3 der Hilfswicklung W2 verbunden, das in der leitenden Phase des Schalttransistors T20 eine positive Spannung führt und dadurch die leitende Phase aufrechterhält. In Serie zu dem Stromweg des Schalttransistors T20 ist ein Strommeßwiderstand R20 geschaltet, über dem sich während der leitenden Phase eine Spannung aufbaut, abhängig von der Induktion der Primärwicklung W1, und die einen Kondensator C22 auflädt. Wird ein bestimmter Spannungswert erreicht, so wird ein hieran angeschlossener Transistor T22 durchgeschaltet, wodurch ein weiterer Transistor T23 durchgeschaltet wird, durch den die Steuerspannung U1 des Schalttransistors auf ein niedriges Potential U2, der Spannung über dem Widerstand R20, heruntergezogen wird. Der Schalttransistor wird hierdurch gesperrt.

Während der Sperrphase entlädt sich die in dem Transformator TR gespeicherte Energie auf die Sekundärseite. Der Kondensator C22 und hiermit die Basis des Transistors T22 ist über einen Widerstand R37 und eine Diode D37 mit einem Ende 1 der Hilfswicklung 2 verbunden, das während der Sperrphase positiv ist, so daß die Sperrphase hierdurch aufrechterhalten wird. Zusätzlich wird noch ein Regelsignal UR über einen Optokoppler UK zur Basis des Transistors T22 übertragen.

Ist die Induktion in dem Trenntransformator TR abgebaut, so fällt auch die Spannung an der Hilfswicklung W2 ab. Durch entsprechende Bemessung eines Widerstandes R37 und des Kondensators C22 wird ein verzögertes Einschaltverhalten des Schaltnetzteiles erreicht. Hierdurch entsteht nach der Abklingphase der Induktion des Trenntransformators TR eine Schwingung zwischen dessen Induktivitäten mit anliegenden Kapazitäten, wie den an der Primärwicklung W1 angeschlossenen Kondensator C21, und den parasitären Kapazitäten der Wicklungen. Durch das verzögerte Einschaltverhalten wird der Schalttransistor T20 genau in Zeitpunkt durchgeschaltet, in dem die über dem Transistors T20 stehende Spannung minimal ist, so daß dessen Einschaltverluste sehr gering sind. Der Schalttransistor T20 kann hierdurch ohne Kühlkörper betrieben werden. Ein im Minimum einschaltendes Schaltnetzteil ist beispielsweise aus der EP 44 31 120 bekannt, dessen Wirkungsweise deshalb hier nicht näher erläutert wird.

Durch Widerstände R25, R27, R40 und R41, Kondensatoren C25 und C40, und Dioden D25, D33 und D40 werden zwei Strompfade mit unterschiedlichen Stromrichtungen gebildet, die den Kondensator C22 mit dem Ende 3 der Wicklung 2 verbinden. Hierdurch werden einerseits unterschiedliche Netzspannungen AC in der Regelung berücksichtigt, da der Forward-Positiv- Anteil der an dem Ende 3 anstehenden Spannung proportional der Spannung über der Primärwicklung W1 und hiermit proportional der geglätteten Eingangsspannung U0 ist. Andererseits ist der Flyback-Negativ-Anteil am Ende 3 der Wicklung 2 proportional zu den sekundärseitigen Ausgangsspannungen, wodurch über die Bauteile D25, R25, C25 und R27 eine Softstartschaltung realisiert wird.

Durch einen Kondensator C38, der während der Leitendphase des Schalttransistors geladen wird, und der über einen Widerstand R38 mit dem Transistor T22 verbunden ist, wird verhindert, daß die Leitendzeit des Schaltnetzteiles zu klein wird, wodurch ein instabiler Betrieb des Schaltnetzteils und damit des Schalttransistors T20 bei einer sehr geringen Leistungsaufnahme auf der Sekundärseite, wie beispielsweise bei einem Standby- Betrieb, auftreten könnte.

Das Schaltnetzteil enthält eine hochohmige Widerstandskette mit Widerständen R5, R6 und R11, die den Steuerspannungsweg des Schalttransistors T20 mit der eingangsseitigen Betriebsspannung U0 verbindet. Zu dem Widerstand R11 ist ein Kondensator C11 parallel geschaltet. Im Einschaltzeitpunkt fließt durch diesen Kondensator C11 ein ausreichend hoher Strom, der den Schalttransistor T20 durchschaltet. Nach der Anlaufphase ist er auf einen bestimmten Spannungswert aufgeladen, der durch eine parallel geschaltete Zenerdiode D5 bestimmt wird, so daß während des Normalbetriebs nur ein geringer Strom durch den Widerstand R11 fließt. Der Widerstand R11 bildet zusammen mit einem an dem Steueranschluß des Schalttransistors T20 anliegenden Widerstand R22 einen Spannungsteiler, der so dimensioniert ist, daß an dem Steueranschluß nur eine Spannung von circa 2 V anliegt, bei der der Schalttransistor, in diesem Ausführungsbeispiel ein MOSFET, noch voll gesperrt ist. Diese Spannung ist unabhängig von der Netzspannung aufgrund der Zenerdiode D5.

Schaltet der Schalttransistor T20 während des Normalbetriebs bei einem bestimmten Zeitpunkt durch, wie vorangehend erklärt, so polt das Ende 3 der Hilfswicklung W2 von negativ nach positiv um, wobei durch einen Kondensator C24 ein Spannungspuls geliefert wird, der das Durchschalten des Schalttransistors T20 noch beschleunigt. Anschließend wird durch Diode D19 und Widerstand R19 ein ausreichend hoher Strom bereitgestellt, der den Schalttransistor leitend hält. Im Falle eines Kurzschlusses auf der Sekundärseite ist die an dem Ende 3 anliegende Spannung erheblich geringer. Die Widerstände R19, R22, R5, R6 und R11 sind derart bemessen, das die Spannung in einem Kurzschlußfall unterhalb der Einschaltspannung des Schalttransistors T20 liegt.

Um das Einschaltverhalten des Schaltnetzteiles auch in einem weiten Eingangsspannungsbereich von 90 V-264 V zu ermöglichen, ist zusätzlich noch der Steuerspannungsweg über eine Zenerdiode D29 und einen Widerstand R30 mit einem eine positive Spannung führenden Kondensator C31 verbunden, die aus der Flyback-Wicklung W2 gewonnen wird. Dieser versorgt den Optokoppler OK mit der für dessen Betrieb notwendigen Spannung. Für den Anschluß von D29/R30 kann aber auch jede andere primärseitige Flyback-Positiv- Spannung genommen werden. Hierdurch liegt nach einer Netzspannungsunterbrechung für eine gewisse Zeit noch eine positive Spannung für den Schalttransistor T20 an, so daß der Siebkondensator C10 und dadurch auch der Kondensator C11 weitgehend entladen wird durch einige noch erfolgende Oszillationen. Bei einem nachfolgenden Wiedereinschalten fließt dadurch auch bei einer niedrigen Netzeingangsspannung über den Kondensator C11, der jetzt im wesentlichen Entladen ist, ein ausreichender Strom zum Durchschalten des Schalttransistors. Im Falle eines Kurzschlusses fällt die Spannung am Kondensator C31 mit einer definierten Zeitkonstante, bestimmt durch C31 und R30, ab, bis durch die Zenerdiode D29 weitere Oszillationen verhindert werden. Diese Zeitkonstante kann andererseits so groß gewählt werden, daß bei einer kurzzeitigen Störung, wie z. B. Bildröhrenüberschlag, das Netzteil nicht definitiv abschaltet.

In dem hier vorliegenden Schaltnetzteil wird ein MOSFET als Schalttransistor T20 verwendet, die Verwendung von anderen Schalttransistoren mit hochohmigem Steueranschluß ist aber ebenfalls möglich. Die Dimensionierung der wichtigsten Bauteile in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist wie folgt: D5: 43 V, C11: 4,7 µF, R11: 470k, R5 + R6: 1050k, C20: 12 nF, C21: 2,2 nF, D20: 15 V, R22: 27 k, R20: 4R7, D44: 6,5 V, R21: 22R, R19: 1k, D19: 20 V, 24: 470 pF, R37: 10k, R38: 100R, C38: 220 pF, D29: 6,8 V, R30: 47k, C31: 4,7 µF, R28: 10R, R26: 1k, C22: 1,5 nF.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, in der Fig. 2 dargestellt, ist eine Transistorstufe mit einem Transistor T50 an den Steuerspannungsweg des Schalttransistors T20 geschaltet. Über einen Kondensator C50 und Widerstände R51, R52 und R53 und eine Diode D50 wird der Schalttransistor T50 derart gesteuert, daß in einem Kurzschlußfall, in dem die Steuerspannung U10 abfällt, dieser zunächst leitend bleibt und damit den Steueranschluß des Schalttransistors T20 auf einem niedrigen Potential hält. Die Funktion ist wie folgt: Nach dem Einschalten wird über eine Anlaufschaltung mit Widerständen R1, R2 zuerst der Kondensator C50 über die Widerstände R51, R52 geladen. Die Einschaltzeitkonstante wird durch C50, R51 und R52 bestimmt. Während dieser Phase ist T50 durchgeschaltet, so daß der an dem Steueranschluß anliegende Widerstand R3 parallel zu Widerstand R50 liegt, wodurch der Schalttransistor T20 noch nicht durchschalten kann. Erst wenn T50 durch Laden von C50 gesperrt wird, kann T20 über den Spannungsteiler R1, R2, R3 durchgeschaltet werden.

Im Normalbetrieb, wenn der Schalttransistor T20 sperrt, wird C50 über eine kleine Zeitkonstante, bestimmt durch R53, D50 und C50, entladen. Hierdurch bleibt der Transistor T50 im Normalbetrieb durchgeschaltet, so daß der Steueranschluß von T20 niederohmig betrieben wird.

In einem Kurzschlußfall, z. B. auf der Sekundärseite durch einen Dioden- oder Kondensatorenkurzschluß, fällt die Steuerspannung U10 ab, da der Transistor T50 durchgesteuert ist. Durch die verringerte Amplitude und die verringerte Oszillation der Steuerspannung wird jetzt der Kondensator C50, bestimmt durch die Zeitkonstante aus C50, R51 und R52, langsam aufgeladen, wodurch T50 sperrt. Jetzt ist ein neuer Einschaltversuch über die Anlaufschaltung möglich. Hierdurch entsteht im Kurzschlußfall ein Arbeitspunkt mit sehr niedriger Frequenz, wodurch die Netzleistung im Kurzschlußfall sehr stark zurückgeht und der Schalttransistor T20, aber auch andere Bauteile, nicht gefährdet sind.

Claims (9)

1. Selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einem Trenntransformator (TR) mit mindestens einer Sekundärwicklung (W3, W4, W5) und einer Primärwicklung (W1), die in Serie zu einem Schalttransistor (T20) geschaltet ist, und mit einer Anlaufschaltung (R5, R6, R11), die den Steueranschluß des Schalttransistors (T20) mit einer eingangsseitigen Betriebsspannung (U0) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil auf der Primärseite Schaltungsmittel (C11, D5, D29, R30, T50, C50) enthält, die bei einem Kurzschluß ein sicheres Abschalten des Schalttransistors (T20) bewirken.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufschaltung eine hochohmige Widerstandskette (R5, R6, R11) enthält, zu der bereichsweise ein Kondensator (C11) parallel geschaltet ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steueranschluß des Schalttransistors (T20) und einem Bezugspotential (U2) ein Widerstand (R22) geschaltet ist, durch den in Verbindung mit der Widerstandskette (R5, R6, R11) der Anlaufschaltung die Steuerspannung des Schalttransistors (T20) in einem Kurzschlußfall unter seiner Einschaltspannung gehalten wird.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T20) ein Schalttransistor mit hochohmigem Steueranschluß, insbesondere ein MOSFET, ist.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steueranschluß des Schalttransistors (T20) und einer primärseitigen Hilfswicklung (W2) des Trenntransformators (TR) strombegrenzende Schaltungsmittel (C24, R19, D19) geschaltet sind, durch die in einem Kurzschlußfall der Strom derart begrenzt wird, daß die Einschaltspannung des Schalttransistors (T20) unter Berücksichtigung des Stromes der Anlaufschaltung nicht erreicht wird.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kondensator (C11) eine Zenerdiode (D5) geschaltet ist, durch die die maximale Spannung über dem Kondensator (C11) begrenzt wird.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuerspannungsweg (U1) und einer durch die Hilfswicklung W2 positiv geladenen Kapazität (C31) eine Serienschaltung aus einer Zenerdiode (D29) und einem Widerstand (R30) angeordnet ist.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steuerspannungsweg (U10) eine Transistorstufe (T50) geschaltet ist, die in einem Kurzschlußfall den Steueranschluß des Schalttransistors (T20) auf ein niedriges Potential zieht.

9. Schaltnetzteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorstufe einen Kondensator (C50) enthält, der im entladenen Zustand den Transistor (T50) leitend hält, und dessen Ladeweg derart bemessen ist, daß eine im Kurzschlußfall vorhandene Steuerspannung (U10) nicht ausreicht, diesen Kondensator (C50) entladen zu halten.