DE3020745C2

DE3020745C2 - Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3020745C2
Application number: DE19803020745
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing.(grad.) 7154 Althütte Lechler
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1980-05-31
Filing date: 1980-05-31
Publication date: 1985-10-10
Also published as: DE3020745A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 2. Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt aus der DE-OS 29 02 251 (ältere Anmeldung).

Gleichspannungswandler in Brückenschaltung werden verwendet, um die Sperrspannung an den Halbleiterschaltern gering zu halten. Bei Brücken-Gegentaktwandlern werden jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Halbleiterschalter der Brücke gleichzeitig eingeschaltet. Die Sperrspannung an den Halbleiterschaltern ist nur halb so groß, als bei Gleichspannungswandlern mit nur jeweils einem eingeschalteten Halbleiterschalter zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Aus P 29 02 251 ist es bekannt, die Speicherinduktivität zwischen Eingangsspannungsquelle und einem Paar direkt benachbarter Halbleiterschalter aus zwei allerdings magnetisch gekoppelten Speicherdrosseln aufzubauen. Auch ist es aus dieser älteren Anmeldung prinzipiell bekannt, die Halbleiterschalter mit sich zeitlich teilweise überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen zu betreiben. Die Einschaltzeiten jener Paare von Halbleiterschaltern, die den Spcicherdrosseln benachbart sind, wie : 1 zu wählen ist aus P 29 02 251 ebenfalls bekannt.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 29 01 761 ist ein Gegentakldurchflußwandler in Brückcnschaltung bekannt. Ein in Serie zur Eingangsspannungsquelle geschalteter induktiver Energiespeicher ist mit dem Mit-

telabgriff eines Transformators verbunden. Mit Hufe von vier elektronischen Schaltern, die abwechselnd paarweise leitend geschaltet werden, erreicht man einen kontinuierlichen Ausgangsstrom bei relativ kleiner Verlustleistung. Dieser Gegentaktdurchflußwandler liefert kein konstantes Tastverhältnis der Ausgangsspannung über dem Regelbereich bei Pulsbreitenmodulation.

Aus der US-PS 39 25 715 ist ein geregelter Gleichspannungswandler bekannt mit einer angezapften Drossel in Serie zur Eingangsspannungsquelle. \uch während der Drosselladezeit wird Energie an den Ausgangskreis abgegeben und damit der Ausgangsstrom relativ brummfrei gemacht.

Aus der DE-OS 22 07 203 ist der Einsatz eines Rücklauftransformators für einen Gleichspannungswandler mit vier Halbleiterschaltern in Brückenschaltung bekannt Mittels dieses Rücklauftransformators wird gespeicherte Energie an die Last weitergegeben.

Der Erfindung liegt nun ausgehend vom Stand der Technik nach der DE-OS 29 02 251 die Auigabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler anzugeben, bei dem der Aufwand an sekundärseitigen Siebmitteln gering sein kann.

Diese Aufgabe wird gleichermaßen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 bleibt das Tastverhältnis der zwei Gegentaktanteile der Ausgangsspannung 1 :1 über dem gesamten Regelbereich, dadurch sind die Transformatorverluste und die Ausgangsbrummspannung minimal. Bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 kann die Brummspannung auf Kosten des Regelbereiches reduziert werden.

Anhand der Zeichnungen werden die erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nun näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers nach Anspruch 1,

F i g. 2 das Steuerschema der Halbleiterschalter sowie Strom- und Spannungsverläufe des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 1,

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2,

Fig.4 das Übertragungsschema des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2,

F i g. 5 den Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2 und

Fig.6 die Steuertaktsignale der elektronischen Schalter nach Anspruch 2 nebst Stromverläufen über die Schaltstrecken der elektronischen Schalter.

Beim Gleichspannungswandler nach F i g. 1 wird an die Eingangsklemmen die Eingangsspannung Ue gelegt. Parallel zu den Eingangsklemmen liegt ein Eingangssiebkondensator C1 und ein Diagonalzweig der Brükkenschaltung. Für beide Nebenzweige der Brücke ist je eine Speicherdrossel L1 bzw. L 2 vorharden, die zwischen der positives Potential führenden Eingangsklemme und je einem Pol der den zwei Drosseln L 1 und L 2 benachbarten Halbleiterschalter 51 und 52 liegt In den beiden anderen Nebenzweigen der Brücke liegen die den zwei Drosseln L1 und L 2 nicht benachbarten Halbleiterschalter 53 und 54. Den anderen Diagonalzweig der Brückenschaltung bildet die Primärwicklung w 1 eines den Ausgangskreis speisenden Transformators 77? 1. An den Sekundärwicklungen w2i, w22,... w2n dieses Transformators Tr 1 können nach Gleichrichtung und Siebung mittels der Kondensatoren C21, C22,... C2n die Ausgangsspannungen Uu Ui,··-, U_n abgegriffen werden.

Paraüel zu je einem der den nwei Drosseln L1 und L 2 benachbarten Halbleiterschalter Sl und S2 liegt jeweils eine Serienschaltung aus einer Diode D1 bzw. D 2 und einer Primärwicklung w3 bzw. w 4 eines weiteren Transformators Tr 2. Diese Seriens>chaltungen sind jeweils mit einer Drossel L 1 bzw. L 2 verbunden. Die Sekundärwicklungen w5 und w6 des Transformators Tr 2 sind an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt gegen Erdpotential geschaltet Die anderen Wicklungsenden sind über gleichsinnig gepolte Dioden D3 und DA kathodenseitig mit der positives Potential führenden Eingangsklemme verbunden.

Das Steuerschema der Halbleiterschalter 51,52,53, 54 zeigt F i g. 2, Zeile a. Die schraffierten Felder bedeuten, daß sich der betreffende Halbleiterschalter gerade im Einschaltzustand befindet Die geladene Drossel L1 wird über die geschlossenen Schalter 51 und 54 während einer konstanten halben Periode 772 an die Last entladen. Den Entlade- bzw. Ladestrom durch die Drossel L1 zeigt F i g. 2, Zeile b. Nach einem Teil der gesamten Entladezeit ίε\ von L1 wird mittels der geschlossenen Schalter 52 und 54 die Drossel L 2 während der Zeit tu aufgeladen. Am Ende der Halbperiode T/2 schaltet 54 ab und beendet damit den Auf lade Vorgang von L 2, siehe F i g. 2, Zeile c. Damit ist auch der Entladevorgang von L 1 an die Last beendet. Schalter 51 öffnet und Schalter 53 schließt Dadurch beginnt für Drossel L 2, da Schalter 54 ebenfalls geöffnet hat, der gleiche Entladevorgang wie bei L 1 an die Last während einer Halbperiode T/2. Da Schalter 51 geöffnet ist entlädt sich L 1 weiter, jedoch über den als Rückflußtransformator arbeitenden Transformator Tr 2. Die Höhe der Amplitude der Ausgangsspannungsanteile UuU₂,... U_n wird über die Ladezeiten ti 1 und ti 2 mittels der Schalter 51 und 5 2 gesteuert. Diese Schaltzeiten ti 1 und ti 2 sind variabel, da auch die Einschaltzeitpunkte von Schalter 51 und 52 variabel sind. Die Drossel L 1 wird mittels der geschlossenen Schalter 51 und 53 während der Zeit it 1 aufgeladen.

Die Lade- und Entladezeiten der beiden Drosseln L 1 und L 2 sind um eine Halbperiode T/2 gegeneinander versetzt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der elektronischen Schalter nach dem Schema von F i g. 2, Zeile a, erreicht

F i g. 2, Zeile d, zeigt den Verlauf der Brückenausgangsspannung Ua\ und Ua* Die aus Ua\ und Ua-i zusammengesetzte Rechteckwechselspannung mit dem konstanten Tastverhältnis 1 :1 läßt sich über eine Tastverhältnissteuerung der Schalter 51, 52 relativ verlustlos in ihrer Amplitude verändern. Dazu wird aus der Ausgangsspannung eine Spannung oder ein Strom abgeleitet, der der Steuereinheit SE zugeführt wird. Ein in dieser Steuereinheit SE enthaltener Steuergenerator liefert in Abhängigkeit der aus der Ausgangsspannung abgeleiteten Größe die zeitlich variablen Gegentaktsteuerimpulse für die Halbleiterschalter 51 und 52 (Pulsbreitenmodulation). Dabei überlappen sich die Gegentaktsteuerimpulse von Schalter Sl und 52, wohingegen sich die Gegentaktsteuerimpulse von Schalter 5 3 und 54 nicht überlappen. F i g. 2, Zeile e, zeigt die Rückflußspannung Ur, die an den Sekundärwicklungen w5 und w 6 des Transformators Tr 2 im Gegentakt ansteht und über die Dioden D 3 und D 4 an die Eingangsspannungsquelle geführt wird.

Das Übersetzungsverhältnis w3:w5 bzw. w4:w6, des Transformators Tr 2 wird größer 1 gewählt, vorzugsweise gleich 2. Dadurch wird die Regelsteilheit der Ausgangsspannung am größten.

In Fig.3 ist ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 dargestellt Parallel zu den Klemmen der Eingangsspannung Ue liegt der Eingangssiebkondensator CY und die Serienschaltung aus einer Speicherdrossel L und einem Diagonalzweig der Brückenschaltung. In den Nebenzweigen der Brücke liegen die Halbleiterschalter 51', S2', S3' und S 4'. Im anderen Diagonalzweig der Brücke liegt die Primärwicklung w9 des Transformators 7r3. In Serie zu den Schaltern 51' und 52' liegt je eine auf dem Kern des Transformators Tr 3 angebrachte Gegentaktwicklung 7 bz*v w S An der Sekundärwickl

u^n<T

formators Tr 3 steht die Spannung Ua an, die nach Spannungsverdopplung dem Lastwiderstand Rl zugeführt wird.

Über die Halbleiterschalter 51', 54' und 52', 53' wird die Speicherdrossel L abwechselnd aufgeladen. Dabei wird der Drosselladestrom Id transformiert über w 7 und w 8 im Gegentakt an den Ausgangskreis abgegeben. Die Entladung von L erfolgt abwechselnd über Sl',S4'undS2',S3'.

F i g. 4 zeigt das Steuerschema des Gleichspannungswandlers nach F i g. 3, & h. die zeitliche Verteilung des Stromes Id auf die Schalter und Trafowicklungen. Während der Drosselladezeit arbeitet dieser Gleichspannungswandler im Gegentakt, während der Entladezeit von L in Brückenschaltung.

Das Verhältnis der Windungen von w7/w9=x bestimmt den Anteil der während der Drosselphase auf den Ausgangskreis übertragenen Energie und damit die Ausgangsbrummspannung. Vorteilhaft wählt man w7=w8<w9.

Den zeitlichen Verlauf der an der Sekundärwicklung w 10 anstehenden Spannung Ua zeigt Fi g. 5. Das Tastverhältnis der beiden Gegentaktanteile ist dabei konstant

F i g. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel der Steuersignale der Halbleiterschalter Sl', S2', S3' und S4'. Die Steuertaktsignale werden dabei so gewählt, daß die Umschaltverluste der elektronischen Schalter minimal sind, da möglichst bei Stromminimum geschaltet wird.

Die Steuersignale werden aus einem in der Steuereinheit SE' enthaltenen Steuergenerator gewonnen. In Abhängigkeit einer aus der an Rl auftretenden Lastspannung wird eine Größe abgeleitet die den Überlappungsgrad (Pulsbreitenmodulation) der Steuertaktsignale der Schalter S 3' und 54' bestimmt F i g. 6, Zeile a, zeigt das Steuertaktsigna! von S Y; F i g. 6, Zeile b, zeigt das Steuertaktsignal von S 2'. Diese beiden Steuertaktsignale sind zueinander um 180° phasenverschoben und überlappen sich nicht Dabei ist ein festes Tastverhältnis von 1 gewählt F i g. 6, Zeilen c und d, zeigen die sich überlappenden, ebenfalls um 180° zueinander phasenverschobenen Steuertaktsignale variabler Pulsbreite der Schalter 53' und 54'. Fig.6, Zeile e, zeigt den Strom durch die Speicherdrossel L. In F i g. 6, Zeilen / bis i, sind die zeitlichen Stromverläufe über die Schaltstrecken der elektronischen Schalter dargestellt Sind die elektronischen Schalter Transistoren, so entsprechen diese Stromverläufe den Kollektorstromverläufen. Es gilt folgende Zuordnung:

Zeile/ — Stromverlauf Schalter S Γ
Zeilen — Stromverlauf Schalter S 2' Zeile Λ — Stromverlauf Schalter S3' Zeile; — Strornverlauf Schalter 5 4'

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler mit vier mittels einer Steuereinheit im teilweise überlappenden Betrieb ansteuerbaren Halbleiterschaltern in Brückenschaltung, in deren einer Diagonale die Primärwicklung eines den Ausgangskreis speisenden Transformators liegt, deren andere Diagonale an die Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist und bei der zwischen der Eingangsspannungsquelle und einem Paar direkt benachbarter Halbleiterschalter eine Speicherinduktivität liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherinduktivität aus magnetisch unverkoppelten Speicherdrosseln (L 1. L 2) besteht, die in bekannter Weise in zwei parallelen Zweigen in Serie zum jeweiligen Halbleiterschalter angeordnet sind und die jeweils mittels des Stromes über zwei in Reihe liegende Halbleiterschalter (S 1,53 bzw. 52,54) der Brücke gegenphasig aufgeladen werden,

— daß die Schaltstrecken der den Speicherdrosseln (L 1, L 2) benachbarten Halbleiterschalter (Sl, 52) durch je eine Primärwicklung (w3, w 4) eines an sich bekannten Rücklauftransformators (Tr 2) überbrückt sind, und

— daß die Sekundärwicklungen (V 5, w6) des Rücklauftransformators (Tr 2) derart mit der Eingangsspannungsquelle (Ue) verbunden sind, daß die in den Speicherdrosseln (L 1, L 2) verbleibende Restenergie im Gegentakt an die Klemmen der Eingangsgleichspannungsquelle zurückgegeben wird (F i g. 1).

2. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler mit vier mittels einer Steuereinheit im teilweise überlappenden Betrieb ansteuerbaren Halbleiterschaltern in Brückenschaltung, in deren einer Diagonale die Primärwicklung eines den Ausgangskreis speisenden Transformators liegt, deren andere Diagonale an die Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist und bei der zwischen der Eingangsspannungsquelle und einem Paar direkt benachbarter Halbleiterschalter eine Speicherinduktivität liegt, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Transformator (Tr 3) zwei zusätzliche Wicklungen (w 7, w 8) aufweist,

— welche in parallelen Zweigen der Brücke in Serie zum jeweiligen Halbleiterschalter (SV, 52') liegen

— und bezüglich ihres Wicklungssinnes derart geschaltet sind, daß sie während der Ladephase der Speicherinduktivität Energie im Gegentakt an den Ausgangskreis des Gleichspannungswandlers abgeben (Fig. 3).

3. Fremdgesteuertsr Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei den Drosseln (L 1, L 2) benachbarten Halbleiterschalter f51,5 2) mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich überlappenden Gegentaktsleuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind, daß die den Drosseln (L 1, L 2) nicht benachbarten Halbleiterschalter (S3, 54) mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich nicht über-

läppenden Gegentaktsteuerimpulsen des in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind und daß ein den Drosseln (L i, L2) benachbarter und ein nicht benachbarter Halbleiterschalter (S 1, S3; 5 2,54) so mit der Steuereinheit verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich teilweise überlappanden Gegentaktsteuerimpulsen des in der Steuereinheit enthaltenen Steuergererators schließbar sind.

4. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den zwei Wicklungen (w7, wS) benachbarten Halbleiterschalter (S 1', 52') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich nicht überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind, daß die den zwei Wicklungen (w 7, w8) nicht benachbarten Halbleiterschalter (S3¹,54') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind und daß ein den zwei Wicklungen (w 7, wi) benachbarten und ein nichtbenachbarter Halbleiterschalter (SV, 54'; 52', 53') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich teilweise überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind.

5. iremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeiten der den Drosseln (L 1, L 2) benachbarten Halbleiterschalter (S 1, 52) wie 1 :1 gewählt sind.

6. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeiten der den zwei Wicklungen (w 7, w 8) benachbarten Halbleiterschalter (SV, 52') wie 1 :1 gewählt sind.