DE2733415C2 - Spannungswandler - Google Patents

Description

Die ErfinJung betrifft einen Spannungswandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art, wobei die dort erwähnten Schalter mit hoher Frequenz, beispielsweise mit 2OkHz, geschaltet werden können, wodurch die Größe des Transformators und die Wärmeverluste des Systems vermindert werden können.

Ein Spannungswandler dieser Art kann beispielsweise als Glcichspannungs Gleiehspannungs- Wandler Anwendung finden. Bei einer derartigen Anwendung kann die Ausgangsschaltung Gleichrichter- und Filterelemente enthalten, um das Ausgangssignal an der Sekundärwicklung des Transformators in ein Gleichspannungssignal umzuwandeln. Solche Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler sind insbesondere dazu geeignet, niedrige Gleichspannungen, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Volt, für eine Datenverarbeitungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Die Eingangsgleichspannung eines solchen Wandlers kann eine ungeregelte Spannung sein, während die Ausgangsgleichspannung geregelt sein kann, was beispielsweise durch Zurückführen eines von der Ausgangsgleichspannung abgeleiteten Signals möglich ist, um die Schaltzeiten festzulegen, während denen die Eingangsgleichspannungsquelle mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist.

Eine Schwierigkeit, die sich bei Spannungswandlern der genannten Art ergibt, resultiert daraus, daß ein Ungleichgewicht der in einander entgegengesetzten Richtungen an die Primärwicklung des Transformators angelegten Volt-Sekunden bestehen kann, wodurch eine Sättigung des Transformatorkernes in einer Richtung eintreten kann.

Eine solche Kernsättigung kann dazu führen, daß der betreffende Schalter einen übermäßig hohen Strom zieht, möglicherweise bis zu einem Wert, der zu einer Störung des Systems führt. Dies ist deshalb möglich, weil die Schaltung zwei Schalter enthält, die normalerweise eine sehr niedrige Impedanz besitzen, wenn der eine bzw. andere der Schalter leitend ist, um einen Leistungsverlust möglichst gering zu halten.

Die US-PS 39 30 194 offenbart eine Anordnung, die sich mit diesem Problem befaßt. Die bekannte Steuerschaltung für einen Spannungswandler der genannten Art besitzt eine Tertiärwicklung, welche mit einem Doppelweggleichrichter verbunden ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das proportional zum augenblicklichen Transformatorfluß ist und das ständig in einem Vergleicher mit einem Bezugssignal verglichen wird, das dem gewünschten Spilzenfluß entspricht. Der Vergleicher gibt dann ein Ausgangssignal ab, wenn der Transformatorfluß gleich einem bestimmten Wert ist oder darüber liegt; die Steuerschaltung besitzt eine Verknüpfungsschaltung, die auf das Ausgangssignal des Vergleichers anspricht und Ab- und Anschaltsignale an den erster, und zweiten Schalter anlegt, so daß deren Leitzeiten derart gesteuert werden, daß ein konstanter Spitzenstromwert von einem Halbzyklus zum anderen fließt, der unterhalb des Sättigungswertes liegt. Die bekannte Spannungswandlerschaltung erzielt eine Verbesserung der Wirkungsweise allerdings auf Kosten einer erheblichen zusätzlichen Komplexität.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf möglichst einfache Weise das Problem des möglichen Ungleichgewichts in Volt-Sekunden an der Primärwicklung des Transformators zu beseitigen.

Gemäß der Erfindung gelingt dies durch die Ausgestaltung des Spannungswandlers gemäß den Merkmalendes Patentanspruchs 1.

Ein Vorteil des. erfindungsgemäßen Spannungswandler besteht darin, daß die die Tertiärwicklung enthaltende Spannung keine hohe Leistung liefern muß, so daß es eine hochohmige Schaltung sein kann. Es ist somit möglich, den Strom mittels Reihenwiderständen oder dergleichen zu uegrenzcn, so daß keine Gefahr mehr besteht, daß der dritte und vierte Schalter beschädigt werden, wenn der Transformntorkern

wahrend Perioden sich überlappenden Sperrens des ersten und zweiten Schalters in die Sättigung getrieben wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

F i g. 1 eine teilweise in Blockform dargestellte Schaltung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandlers;

F i g. 2 eine ß-W-Kurve für eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, bei der jedoch in de α Primärwicklüiigshälften ein Volt-Sekunden-Ungleichgewicht herrscht;

Fig.3 eine ß-W-Kurve des Transformators des in F i g. 1 dargestellten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers.

Der in F i g. 1 dargestellte Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlsr enthält einen Transformator 10, der aus einem sättigbaren Kern 11, einer Primärwicklung 12 mit einem Mittelabgriff 13, einer Sekundärwicklung 14 und einer Tertiärwicklung 16 besteht Der Mitteiabgriff 13 ist mit einer Quelle für eine hohe ungeregelte Gleichspannung verbunden, welche mit + V bezeichnet ist. Diese Gleichspannung kann beispielsweise etwa 15OVoIt betragen und kann durch Gleichrichten und Filtern von einer entsprechenden Wechselspannungsquelle gewonnen werden.

Die Primärwicklung 12 ist mit ihrem einen Ende mit einem ersten Leistungsschalter, der durch einen npn-Transistor 18 gebildet wird, und mit ihrem anderen Ende mit einem zweiten Leistungsschalter, der durch einen npn-Transistor 20 gebildet wird, verbunden. Dj? Transistoren 18 bzw. 20 liegen mit ihren Kollektoren an den genannten Enden der Primärwicklung, während ihre Emitter an Massepotential 21 liegen. In der Praxis können die Transistoren 18 und 20 durch eine Anordnung parallel geschalteter Transistoren gebildet werden, deren Anzahl durch die Höhe des für das System benötigten Stroms und die Schaltleistung der einzelnen Transistoren bestimmt wird. Die Basiselektroden der Transistoren 18 und 20 sind mit einer Treiberschaltung 24 verbunden, welche bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz von etwa 20 kHz arbeitet. Die Treiberschaltung 24 dient dazu, die Transistoren 18 und 20 abwechselnd in den leitenden Zustand zu schalten, und zwar in der Weise, daß zwischen aufeinanderfolgenden Perioden des leitenden Zustands jeweils eine Periode folgt, in denen beide Transistoren nicht leitend sind, d. h. in denen sich der nichtleitende Zustand der beiden Transistoren überlappt. Dadurch ergibt sich, daß abwechselnd Strom durch die beiden Wicklungshälften der Primärwicklung 12 fließt. Die Ströme durch die beiden Wicklungshälften der Primärwicklung 12 sind einander entgegengerichtet, so daß der Strom in der einen Wicklungshälfte bestrebt ist, den Kern 11 in der einen Richtung zu sättigen, während der Strom in der anderen Hälfte bestrebt ist, den Kern 11 in der entgegengesetzten Richtung zu sättigen. Die Dimensionierung des Transformators ist so bemessen, daß durch die Sekundärwicklung 14 ein gegenüber der Primärwicklung 12 höherer Strom fließt und daß die Spannung an der Sekundärwicklung 14 gegenüber dei an den Wicklungshälften der Primärwicklung 12 anliegenden Spannung vermindert ist. Das an der Sekundärwicklung 14 auftretende Signal wird in einer Gleichrichter- und Filterschaltung 29 vollweggleichgerichtet und gefiltert und das durch den Wandler gebildete Gleichspannungsausgangssignal kann an der

Klemme 30 abgegriffen werden.

Die Tertiärwicklung 16 ist mit ihrem einen Ende über eine Klemme 17 mit der Eingangsgleichspannungsquelle + V verbunden. Das andere Ende der Tertiärwicklung 16 ist mit dem Emitter eines npn-Transistors 27 und mit dem Kollektor eines npn-Transistois 26 verbunden. Der Emitter des Transistors 26 ist mit Massepotential verbunden, während der Kollektor des Transistors 27 über eine Klemme 31 mit einer Spannungsquelle verbunden ist, deren Spannung doppelt so hoch wie die Spannung der Spannungsquelle + V ist Die Transistoren 26 und 27 dienen dazu, über die Tertiärwicklung 16 die Sättigung des Kernes 11 während jeder Überlappungsperiode der nichtleitenden Zustände der Transistoren 18 und 20 jeweils in der Richtung zu vervollständigen, die durch den jeweils zuletzt leitenden der Transistoren 18 bzw. 20 eingeleitet wurde. Die Basiselektroden der Transistoren 26 und 27 werden durch die Treiberschaltung 24 gesteuert, d.h. die Treiberschaltung 24 bestimmt die Perioden, innerhalb denen die Transistoren 26 bzw. 27 sich in ihrem leitenden Zustand befinden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Transistor 26 während erster alternierender Überlappungsperioden der nichtleitenden Zustände der Transistoren 18 und 20 in den leitenden Zustand gesteuert wird, um einen Stromfluß durch die Tertiärwicklung 16 in einer ersten Richtung zu bewirken, und daß der Transistor 27 während der anderen Überlappungsperioden der nichtleitenden Zustände der Transistoren 18 und 20 in den leitenden Zustand gesteuert wird, um durch die Tertiärwicklung 16 einen Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung zu bewirken.

Der Pegel der Ausgangsgleichspannung der Gleichrichter- und Filterschaltung 29 wird zu einem Regler 25 zurückgeführt. Dieser Regler 25 erzeugt in bekannter Weise ein Fehlersignal, wenn der Pegel der Ausgangsspannung nicht mit der gewünschten Sollspannung übereinstimmt. Dieses Fehlersignal wird dann der Treiberschaltung 24 zugeführt, in welchem es die leitenden und nichtleitenden Perioden der Transistoren 18 und 20 in der Weise steuert, daß das von dem Regler 25 erzeugte Fehlersignal auf einem Minimalwert gehalten wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Regelung auf der Seite des Systems mit hoher Spannung und niedrigem Strom und nicht auf der Seite niedriger Spannung und hohen Stroms erfolgt. Die Leistungstransistoren 18 und 20 brauchen somit keinen hohen Strom schalten, wodurch die Wärmeverluste niedrig gehalten werden.

Die in F i g. 2 dargestellte ß-//-Kurve für den Kern 11 veranschaulicht den Fall, daß die Tertiärwicklung 16 und die zugeordneten Vormagnetisierungsschalter nicht vorgesehen sind und daß an den Wicklungshälften der Primärwicklung 12 ein Volt-Sekundenungleichgewicht vorliegt. Ein solches Ungleichgewicht kann sich durch geringfügige Unterschiede der Breite der Treiberimpulse für die Transistoren 18 und 20, oder durch geringe Unterschiede der Primärwicklungshälften oder durch andere geringe Unterschiede der beiden Primärwicklungstreibersysteme ergeben. Der Magnetfluß in dem sättigbaren Kern 11 wirkt in der folgenden Weise: Wenn der Transistor 18 in seinen leitenden Zustand gebracht wird, während der Transistor 20 in seinem nichtleitenden Zustand ist, dann ändert sich der Magnetfluß von Punkt 1 nach Punkt 2, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Wenn nun der Transistor 18 in seinen nichtleitenden Zustand gebracht wird (während

der Transistor 20 noch in seinem nichtleitenden Zustand bleibt), dann bringt der induktive Impuls den Fluß von Punkt 2 nach Punkt 3 und wenn der Transistor 20 in seinen leitenden Zustand gebracht wird, dann geht der Fluß von Punkt 3 nach Punkt 4. Wird der Transistor 20 in seinen nichtleitenden Zustand gebracht (während der Transistor 18 noch nichtleitend bleibt), dann geht der Fluß von Punkt 4 nach Punkt 1 und die Folge wiederholt sich. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die ß-f/-Kurve nicht symmetrisch um den B-H-Schnittpunkt läuft. Falls diese Verschiebung der ß-W-Kurve für eine Anzahl von Operationszyklen aufrechterhalten bleibt, dann sättigt sich der Kern It in einer Richtung, was wiederum eine Erhöhung des Stroms von der Primärwicklungs-Treiberschaltung zur Folge hat Diese mit relativ hoher Geschwindigkeit stattfindende Stromerhöhung hält so iange an, wie Spannung an der Primärwicklung i2 anliegt und es besteht somit die Gefahr, daß die Treiberschaltung zerstört wird und ihre Fähigkeit, eine Spannung zu liefern, verliert, wodurch der Wandler unbrauchbar wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann durch Vorsehen der Tertiärwicklung 16 und der zugeordneten Vormagneti sierungsschaltung gemäß der Erfindung die ß-H-Kurve des Kerns 11 symmetrischer um den ß-H-Schnittpunkt ausgebildet werden. In diesem Falle wirkt der Fluß in dem sältigbaren Kern wie folgt: Am Punkt 1 wird der Transistor 18 in seinen leitenden Zustand gebracht, wodurch der Fluß längs der Kurve vom Punkt 1 zum Punkt 2 wandert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, stellt der Punkt 2 keinen Zustand vollständiger Sättigung dar und falls somit die Erregung des Transformators 10 an diesem Punkt beendet würde, dann würde sich ein Ungleichgewicht ergeben, wenn der Transformator in die oder in Richtung der entgegengesetzten Sättigung : getrieben würde. Um den Kern 11 vollständig in die Sättigung zu bringen, wird durch Einschalten des Transistors 26 ein Vormagnetisierungsstrom an die Tertiärwicklung 16 angelegt; und zwar geschieht dies zu Beginn einer Periode, in welcher sich die nichtleitenden j Zustände der beiden Transistoren 18 und 20 überlapper,. Der Transistor 26 bleibt für einen genügend langen Zeitraum in seinem leitenden Zustand (kürzer als uv; Überiappungsperiode der nichtleitenden Zustände der Transistoren 18 und 20). um sicherzustellen, daß der ι Fluß im Kern 11 den Sättigungspunkt 2' erreicht. De." Kern 11 ist nunmehr vollständig gesättigt und die Primärwicklung 12 ist bereit, einen Impuls vom Transistor 20 aufzunehmen, welcher den Fluß im Kern 11 von Punkt 3 nach Punkt 4 bringt. Punkt 4 stellt ebenfalls keine vollständige Sättigung des Kerns 11 dar und unmittelbar nach dem Nichtleitendwerden des Transistors 20 wird der Transistor 27 für einen genügend langen Zeitraum (jedoch wieder geringer als die Überlappungsperiode der nichtleitenden Zustände der Transistoren 18 und 20) eingeschaltet, um sicherzustellen, daß der Fluß längs der ß-/7-Kurve von Punkt 4 zum Sättigungspunkt 4' wandert. Nach Erreichen des Punktes 4' befinden sich alle Transistoren 18,20, 26 und 27 im nichtleitenden Zustand und der Fluß wandert somit von Punkt 4' nach Punkt 1, von wo aus sich der Zyklus wiederholt.

Es sei darauf hingewiesen, daß mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung jedes Mal dann, wenn einer der Leistungstransistoren 18 und 20 eingeschaltet wird, sich der Magnetfluß des Kerns 11 soweit wie möglich von dem Sättigungsfiuß, der durch den gerade eingeschalteten Transistor erreicht werden kann, entfernt ist, wodurch während der Treiberzeit beider Transistoren 18 und 20 die maximale Flußänderung möglich ist. Ferner wird der Kern 11 nur während solcher Perioden in die Sättigung gebracht, in denen die Leistungstransistoren nichtleitend sind, wenn also die Sättigung des Kerns keine nachteilige Wirkung auf den Betrieb der Schaltung ausüben kann.

Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein eventuelles Voltsekunden-Ungleichgewicht in dem Transformator 10 während eines vollständigen Zyklus der erfindungsgemäßen Schaltung beseitigt wird. Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß die Vormagnetisierungsschaltung für den Transformator 10 lediglich eine ausreichend hohe Leistung benötigt, um den Kern 11 aus dem Zustand der teilweisen Sättigung, welchen er durch einen über einen der Transistoren 18 oder 20 an die Primärwicklung 12 angelegten Treiberimpuis erreicht hat. in den Zustand vollständiger Sättigung zu bringen. Es sei auch noch bemerkt, daß die Tertiärwicklung 16 und die zugeordnete Vormagnetisierungsschahung einfache und billige Mittel darstellen, um den Nachteil des Voltsekunden-Ungleichgewichts bei bekannten Vorrichtungen dieser Art zu beseitigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Spannungswandler enthaltend einen sättigbaren Kerntransformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer Tertiärwicklung, einen ersten und zweiten Schalter, welche durch eine Treiberschaltung abwechselnd in den leitenden Zustand gebracht werden können, um eine Eingangsgleichspannungsquelle so an die genannte Primärwicklung zu schalten, daß der sättigbare Kerntransformator abwechselnd in Richtung der einen bzw. anderen Sättigung getrieben wird, wobei jeweils zwischen den Perioden des leitenden Zustands der beiden Schalter einander überlappende Perioden des nichtleitenden Zustands auftreten, und eine mit der Sekundärwicklung gekoppelte Ausgangsschaltung zur Abgabe einer Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch einen dritten (26) und einen vierten (27) Schalter, welche jeweils in einer der einander überlappenden Perioden des . nichtleitenden Zustands des ersten (18) und zweiten (20) Schalters durch die genannte Treiberschaltung (24) abwechselnd in den leitenden Zustand gebracht werden können, um eine Spannung so an die genannte Tertiärwicklung (16) anzulegen, daß der . Sättigungszustand des Kerntransformators (10) in der durch den zuletzt leitenden ersten (18) bzw. zweiten (20) Schalter begonnenen Richtung vervollständigt wird.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (18) und zweite (20) Schalter jeweils mit einem Ende der Primärwicklung (12) und die Eingangsgleichspannungsquelle (+V) mit einem Mittelabgriff (13) der Primärwicklung (12) verbunden ist.

3. Spannungswandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberschaltung (24) über eine Reglerschaltung (25) ein von der Ausgangsschaltung (29) abgeleitetes Signal zugeführt wird, um die Perioden des leitenden Zustands . des ersten (18) und zweiten (20) Schalters zu steuern.

4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (18, 20,26 und 27) durch Transistoren gebildet werden.

5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch . gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Schalter durch npn-Transistoren (26,27) gebildet werden und das eine Ende der Tertiärwicklung (16) mit dem Kollektor des Transistors (26) und dem Emitter des Transistors (27) und das andere Ende der Tertiärwicklung (16) mit der Eingangsgleichspannungsquelle (+ V), der Kollektor des Transistors (27) mit der doppelten Spannung ( + 2 · V) der Eingangsgleichspannungsquelle und der Emitter des Transistors (26) mit Massepotential verbunden ist.