DE2902251A1 - Push-pull direct voltage converter - with impulse width control of primary current to provide output voltage regulation - Google Patents

Abstract

The voltage converter is principally employed for producing a high voltage output for use with a travelling wave tube. The transformer (T) has a centre tapped primary winding (W1) whose ends are connected via switches (S1, S2) to a choke (L) and to one pole of the dc supply (Uo). The other pole is connected to the centre tap. The switches, typically transistors, are controlled by a square wave oscillator to give a variable overlap time during which both are conducting. This variation is used to control the output voltage of the secondary winding (W 2, U1'). In order to avoid insulation problems on the transformer a voltage multiplier circuit (SVVe may be connected to the secondary winding to produce the required high output voltage (U1"). The choke (L) may be incorporated in the transformer by making the latter with a high leakage.

Description

Irpulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler Pulse-width controlled push-pull DC voltage converter

Lßle Erfindung betrifft einen impulsbreitengeregelten Gegentakt-Sleichspannungswandler mit Transformator, dessen Durchflutungsrichtung sich aufgrund abwechselnd schließender Schalter mit der Taktfrequenz ändert.This invention relates to a pulse width regulated push-pull DC voltage converter with transformer whose direction of flow changes due to alternately closing Switch with the clock frequency changes.

Zur Erzeugung von sehr hohen Spannungen, wie sie beispielsweise für den getrieb von Wanderfeldröhren benötigt werden, werden zumeist impulsbreitengeregelte Sperr- oder Durchflußwandler mit iotentialtrennenden Transformatoren zur Anpassung der Eingangsan die Ausgangsspannung eingesetzt. Da Eintaktwandler die Verwendung einer opannungsvervielfacherschaltung auf der Sekundärseite des Transformators nicht ermöglichen, muß der Transformator für die volle Ausgangsspannung dimensioniert werden, was jedoch zu großen technologischen Schwierigkeiten bei der (Wechsel-) Spannungsisolation führt. Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, wird meistens die Serienschaltung eines Eintaktwandlers, der aus der ungeregelten Eingangsgleichspannung eine geregelte Zwischengleichspannung erzeugt, und eines nachfolgenden Rechteckgegentaktzerhackers, an den eine Vervielfacherschaltung angeschlossen ist, verwendet.To generate very high voltages, such as those used for The drives of traveling wave tubes are usually pulse-width-regulated Flyback or forward converter with potential isolating transformers for adaptation the input is used to the output voltage. Because single ended converters use a voltage multiplier circuit on the secondary side of the transformer does not enable, the transformer must be dimensioned for the full output voltage which, however, lead to major technological difficulties in the (change) Voltage isolation leads. In order to avoid these difficulties, the Series connection of a single-ended converter, which is derived from the unregulated DC input voltage a regulated one Intermediate DC voltage generated, and a subsequent one Rectangular push-pull chopper to which a multiplier circuit is connected, used.

nachteilig bei dieser Schaltung ist, daß der Gesamtwirkungsgrad aufgrund der multiplikativen Verknüpfung der Einzelwirkungsgrad schlechter als der schlechteste Einzelwirkungsgrad ist.The disadvantage of this circuit is that the overall efficiency is due to the multiplicative link the individual efficiency is worse than the worst Single efficiency is.

Iir erfindung führte deshalb die Aufgabe, einen Wandler anzuge-Den, der die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist, der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades nur aus einer einzigen Wandlerstufe bestehen sollte, an die zur Vermeidung der Isolationsschwierigkeiten eine Spannungsvervielfacherschaltung anschaltbar sein sollte, und wobei diese Wandlerstufe zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades nur sehr wenig Verluste aufweisen sollte und dabei mit geringem Schaltungsaufwand realisierbar sein sollte.My invention therefore led to the task of fitting a converter, which does not have the disadvantages outlined above, the one to achieve a high Efficiency should only consist of a single converter stage to avoid the insulation difficulties a voltage multiplier circuit can be connected should, and with this converter stage to further increase the efficiency only should have very few losses and be realizable with little circuit complexity should be.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch einen in den Ansprüchen näher gekennzeichneten impulsbreitengeregelten Gegentakt-Gleichspannungswandler mit Transformator.The problem is solved by one of the claims Pulse-width-regulated push-pull DC voltage converter marked in more detail with transformer.

Aufgrund des Aufsatzes "The Venable Konverter" von R. Hayner, T.K. Phelps, J.A. Collins und R.D. Xiddlebrook in PESC 76 Record (IEEE) ist zwar ein impulsbreitenregelbarer Gegentaktdurchflußwandler bekannt geworden, bei dem die Primärwicklung eines Transformators eine Mittenanzapfung und weitere zwei dazu symmetrische Anzapfungen und die in Reihe zu einer Gleichspannung geschaltete Drossel ebenfalls eine Anzapfung enthalten.Based on the article "The Venable Converter" by R. Hayner, T.K. Phelps, J.A. Collins and R.D. Xiddlebrook in PESC 76 Record (IEEE) is a pulse width adjustable push-pull flow converter known, in which the primary winding of a transformer has a center tap and others two symmetrical taps and the one connected in series to form a DC voltage Throttle also contain a tap.

Mit illfe von vier Schaltern, von denen jeweils nur einer zu einer Zeit schaltet, wird nun abwechselnd ein Ende der Primärwicklung über eine in Reihe geschaltete Diode an das eine Ende der Drossel bzw. die diesem Ende benachbarte Anzapfung der Primärwicklung an die Drosselanzapfung angeschaltet. Die Schaltung ist damit Jedoch aufwendig, und die Verlustleistung kann bei rohen Drosselströmen in der Diode sehr große Werte annehmen.With eleven of four switches, of which only one to one Time switches, one end of the primary winding is now alternating across a series connected diode to one end of the choke or the one adjacent to this end Tapping of the primary winding connected to the choke tapping. The circuit However, this is expensive, and the power loss can occur with raw inductor currents take on very large values in the diode.

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.The invention will now be described with reference to the figures.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die Fig. 4 stellt ein Zeitdiagramm dar, in dem die Schalterschließzeiten eingetragen sind.Figures 1 to 3 show embodiments of the invention, the 4 shows a time diagram in which the switch closing times are entered are.

In Fig. 1 ist ein Gegentakt-Gleichspannungswandler mit potentialtrennenem Transformator Tr dargestellt, auf dessen Sekundärseite ein Spannungsvervfelfacher SVV mit Vervielfachungsgrad .; = U1"/ti1' = 4 angesehlossen ist. Die Primärwicklung des Transformators weist eine Xlttenanzapfung auf, an die der eine Pol der Eingangsgleichspannungsquelle bo angeschlossen ist, und ist mit ihren beiden Enden jeweils über einen Schalter S1, S2 an das eine Ende einer Drossel L anschaltbar, die mit ihrem anderen Ende wiederum mit dem anderen Pol der Eingangsgleichspannungsquelle Uo verbunden ist. Der Transformator übersetzt die an der Primärwicklung Wi anliegende Spannung U1 mit dem Verhältnis W2/W1.In Fig. 1 is a push-pull DC voltage converter with isolated Transformer Tr shown, on its secondary side a voltage multiplier SVV with degree of multiplication.; = U1 "/ ti1 '= 4 is connected. The primary winding of the transformer has an Xlttenanzapfung to which one pole of the input DC voltage source bo is connected, and both ends have a switch S1, S2 can be connected to one end of a throttle L, the other end in turn is connected to the other pole of the input DC voltage source Uo. The transformer translates the voltage U1 applied to the primary winding Wi with the ratio W2 / W1.

Ublicherweise werden bei einem Rechteckzerhacker die Schalter S1 und 52 abwechselnd bis zur Hälfte T einer Taktzeit lang geschlossen. liierbei läßt sich die Ausgangsspannung Ul kaum regeln. Werden jedoch erfindungs,5emäß die beiden Schalter S1 und S2 über die Hälfte T einer Taktzeit lang, d.h. überlappend gleichzeitig geschlossen, so läßt sich die Ausgangsspannung U1 nach der Beziehung Ul = Uo . T/(T-Tü) > Uo regeln, wobei die Überlappungszeit Tü = T12 = T21 (Fig. 4) ist. Die zwischen Eingangsgleichspannungsquelle Uo und Transformator Tr eingefügte Drossel L verhindert wähnend der Uberlappungszeiten den Kurzschluß von Transformator bzw. Eingangsgleichspannungsquelle und auch eine eventuelle Zerstörung der Schalter aufgrund zu hoher Kurzschlußströme. Dabei muß die Drossel einen Induktivitätswert L aufweisen, der der Bedingung R . T/2L c U13/Uo2 . (U1-bo) genügt, die sich aus cer Forderung, daß der Drosselstrom nicht unter Null sinken darf, ergibt und wobei R die auf die Primärseite übersetzte Vielfacherlast "R" ist.Usually the switches S1 and 52 alternately closed up to half T of a cycle time. liier can be the output voltage Ul hardly regulate. However, according to the invention, the two switches S1 and S2 for more than half T of a cycle time, i.e. overlapping at the same time, the output voltage U1 can be calculated according to the relationship Ul = Uo. T / (T-Tü)> Regulate Uo, the overlap time Tü = T12 = T21 (Fig. 4). The between Input DC voltage source Uo and transformer Tr inserted choke L prevented During the overlap times, the short-circuit of the transformer or input DC voltage source and also a possible destruction of the switch due to excessive short-circuit currents. The choke must have an inductance value L that corresponds to the condition R. T / 2L c U13 / Uo2. (U1-bo) is sufficient, which results from the requirement that the inductor current must not drop below zero, results in and where R is the translated to the primary side Multiple load "R" is.

Die Fig. 2 zeigt einen Gleichspannungs-Gegentaktwandler ähnlich der Fig. 1, wobei jedoch der Transformator Tr streuend gewickelt ist, so daJb die dadurch entstehende Streuinduktivität die Funktion der Drossel L übernehmen kann. Als Schalter S1, S2 sind bipolare Transistoren vorgesehen, die jeweils über Transformatoren ansteuerbar sind. An den Klemmen A, B der Sekundärwicklung W2 des Transformators kann beispielsweise ein Spannugsvervixlfaeher nach der Fig. 1 angeschlossen werden.Fig. 2 shows a DC-push-pull converter similar to that Fig. 1, but the transformer Tr is stray windings, so that the thereby resulting leakage inductance can take over the function of the choke L. As a switch S1, S2 are bipolar Transistors provided, each over Transformers are controllable. At the terminals A, B of the secondary winding W2 of the Transformer, for example, a voltage converter according to FIG. 1 can be connected will.

In der rig. 3 ist ein Gegentakt-Gleichspannungswandler in Brükkenschaltung mit den vier Schaltern S1, 52, 53, S4 dargestellt. In the rig. 3 is a push-pull DC / DC converter in a bridge circuit shown with the four switches S1, 52, 53, S4.

Auch dieser Gegentakt-Gleichspannungswandler läßt sich danri regeln, wenn eine Drossel L in Reihe zur Gleichspannungsquelle Uo eingefügt wird und die Schalter während einer überlappungszeit * gleichzeitig geschlossen sind. Als erfinderische Variante ist hierbei eine Drossel L mit zwei gleichen gleichsinnig gewickelten Wicklungen vorgesehen, wobei am gemeinsamen Wicklungsende der eine Pol der cingangsgleichspannungsquelle UQ angeschlossen ist und die beiden Drosselwicklungen jeweils mit einem Schalter S1, S2 die beiden angre;zenden Drückenzweige bilden. Vorteilhaft ist bei dieser Schaltung, daß die Ströme durch die Schalter S1 und S2 während der Überlappungszeit sich gleichmäßig aufteilen. This push-pull DC voltage converter can also be regulated, if a choke L is inserted in series with the DC voltage source Uo and the Switches are closed at the same time during an overlap time *. As inventive A variant here is a choke L with two identical windings wound in the same direction provided, one pole of the input DC voltage source at the common winding end UQ is connected and the two inductor windings each with a switch S1, S2 form the two appealing push branches. This is advantageous Circuit that the currents through switches S1 and S2 during the overlap time split evenly.

Das Zeitdiagramm in Fig. 4 zeigt schließlich die Schließfolge derbSchalter S1 und S2 bzw. der Schalter S1, S3 und S2, S4 mit den Überlappungszeiten T21 bzw. T12 aufgetragen über der Zeit t. Finally, the timing diagram in FIG. 4 shows the closing sequence of the switches S1 and S2 or the switches S1, S3 and S2, S4 with the overlap times T21 or T12 plotted over time t.

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Claims (6)

Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler P a t e n t a n s p r ü c h e Impulsbreitengeregelter Gcgentakt-Gleichspannungswandler mit Transformator, dessen Durchflutungsrichtung sich aufgrund abwechselnd schließender Schalter mit der Taktfrequenz ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (Gleieh-) Spannungsquelle (Uo) über mindestens eine in Reihe geschaltete Drossel (L) an die Primärwicklung (W1) des Transformators (Tr) legenden Schalter (S1, S2) während bestimmter Takt-Teilzeiten (T12, T21) gleichzeitig schließbar sind. Pulse-width controlled push-pull DC voltage converter P a t e n t a n s p r ü c h e Pulse-width-controlled counter-clock DC / DC converter with Transformer whose direction of flow changes due to alternately closing Switch with the clock frequency changes, characterized in that the one (equal) Voltage source (Uo) to the at least one series-connected choke (L) Primary winding (W1) of the transformer (Tr) laying switches (S1, S2) during certain Cycle part times (T12, T21) can be closed at the same time. 2. Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Takt-Teilzeiten (T12, T21) so in der Dauer bestimmbar sind, daß die an der Sekundärwicklung (W2) des Transformators (Tr) anstehende Ausgangsspannung (U1') konstanten Wert erreicht.2. Pulse width controlled push-pull DC voltage converter according to claim 1, characterized in that the clock partial times (T12, T21) can be determined in terms of duration are that the output voltage applied to the secondary winding (W2) of the transformer (Tr) (U1 ') reached constant value. 3. Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen an der Sekundärwicklung (W2) des Transformators (Tr) angeschlossenen Spannungsvervielfacher (SVV).3. Pulse-width controlled push-pull DC voltage converter according to claim 2, characterized by one on the secondary winding (W2) of the transformer (Tr) connected voltage multiplier (SVV). 4. Irnpulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler, insbesondere in Brückenschaltung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe zur tGleich-) Spannungsquelle (Uo) geschaltete Drossel (L) zwei gleiche gleichsinnig gewickelte Wicklungen aufweist, deren gemeinsames Ende mit dem einen Pol der opannungsquelle (Uo) verbunden ist und die jeweils mit einer Wicklung in den beiden angrenzenden Brückenzweigen liegt.4. Pulse width regulated push-pull DC voltage converter, in particular in a bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that that the choke (L) connected in series to the DC voltage source (Uo) has two has the same coiled windings, the common end of which with one pole of the voltage source (Uo) is connected and each with a winding lies in the two adjacent branches of the bridge. 5. Gegentakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe zur Gleichspannungsquelle geschaltete Drossel durch die Streuwicklung des transformators (Tr) gebildet wird.5. Push-pull DC voltage converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the series connected to the DC voltage source Choke is formed by the leakage winding of the transformer (Tr). 6. , Impulsbreitengeregelter Gegentakt-Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Halbleiter, wie bipolare, Feldeffekt-Transistoren, Thyristoren oder Gleichrichter als Schalter.6., Pulse-width controlled push-pull DC voltage converter according to one of the preceding claims, characterized by semiconductors, such as bipolar, Field effect transistors, thyristors or rectifiers as switches.