DE3049020C2

DE3049020C2 - Regelbarer Gleichspannungswandler für Leistungsschaltnetzteile

Info

Publication number: DE3049020C2
Application number: DE3049020A
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(grad.) 4788 Warstein Scholz; Wilhelm Ing.(grad.) 4770 Soest Sölter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3049020A1

Description

Die Erfindung betrifft einen regelbaren Gleichspannungswandler für Leistungs-Schaltnetzteile, bestehend aus einem Brücken-Gegentaktwandler mit steuerbaren Halbleiterschaltern und mit Stromeinspeisung über eine Drossel und einem der Drossel (2) vorgeordneten Halbleiterschalter welcher als Schaltregler in einem veränderbaren Zeitabstand nach dem Einschaltzeitpunkt von zwei jeweils korrespondierenden Halbleitern des Brükken-Gegentaktwandlers stromleitend gesteuert wird und mit einem Entlastungsnetzwerk beschaltet ist.

Ein derartiger Gleichspannungswandler ist aus der US-PS 37 37 755 bekannt und im wesentlichen aus einem nicht regelbaren Wechselrichter und einer regelbaren Stromquelle, die durch einen mit Rechteckimpulsen gesteuerten Halbleiterschalter gebildet wird und als Schaltregler arbeitet. Die Breite der dem Schalttransistor des Schaltreglers zugeführten Impulse sind veränderbar derart, daß ihre Impulsbreite verringert wird, während die den Transistoren des Wechselrichters zugeführten Impulse unverändert bleiben. Der Schaltregler wird somit zeitlich verzögert gegenüber der Ansteuerung der Transistoren des Wechselrichters eingeschaltet. Ferner ist eine Drossel mit einem Freilaufstromkreis vorgesehen, über weiche der Schaltregler dem Wechselrichter vorgeordnet ist. Auf diese Weise soll die Entstehung hoher Ströme im Wechselrichter verhindert werden, die bei jeder Kommutierung vorübergehend auftreten. Durch den Freilaufkreis wird zudem verhindert, daß das Potential am Kollektor des Schalttransistors über die Versorgungsgleichspannung ansteigt Außerdem liegt der Serienschaltung von Drossel und Schalttransistor eine Spannungsbegrenzungsschaltung (Clamping) parallel.

Aus der DE-OS 15 63 341 ist ein Wechselrichter mit vorgeordnetem Gleichstromsteller bekannt, bei dem der Gleichstromsteller nicht unabhängig von der Ausgangsspannung des Wechselrichters abgeschaltet wird.

ίο Der Gleichstromsteller enthält in an sich bekannter Weise ein Hauptstromtor und ein Hilfsstromtor. Das Hauptstromtor des Gleichstromstellers wird mit einer fest eingestellten Verzögerung nach je einer Halbperiode eines Taktgebers gezündet. Die Löschung des Hauptstromtors erfolgt beim Zünden des Hilfsstromtores in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangsspannung des Wechselrichters.

Aus der GB-PS 13 61 752 ist ein Gleichspannungswandler in Brückenschaltung mit Stromeinspeisung über eine Drossel bekannt. Eine Sekundärwicklung dieser Drossel ist über eine Entkopplungsdiode derart mit dem Glättungskondensator am Gleichrichterausgang des Wandiers verbunden, daß die gespeicherte Energie der Drossel bei gesperrter Brücke dem Ausgang zugeführt wird. Dadurch wird eine Erhöhung der übertragbaren Leistung des Wandlers erreicht. Durch geeignete Wahl des Windungsverhältnisses der Drossel wird ein stufenfreier Ladestrom des Glättungskondensators erzielt.

Bei dem eingangs definierten Gleichspannungswandler ist jeder Transistor des Wechselrichters mit einer eigenen Schutzschaltung ausgestattet, mit der die Ausschaltverluste verringert werden. Die zur optimalen Ansteuerung sowie zur Entlastung der Halbleiterschalter vorgesehenen Mittel sind relativ aufwendig und müssen jedem Halbleiterelement einzeln zugeordnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand einen Wechselrichter für höhere Leistungen verfügbar zu machen, wobei insbesondere die Schaltverluste der Halbleiterschalter der Brücke klein gehalten werden sollen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Drossel eine zweite Wicklung hat, die über eine Entkopplungsdiode mit dem Gleichrichterausgang des Gleichspannungswandlers verbunden ist, und daß der Halbleiterschalter in einem unveränderten Zeitabstand vor dem Abschaltzeitpunkt der zwei jeweils stromleitenden Halbleiterschalter des Brücken-Gegentaktwandlers gesperrt wird.

Auf diese Weise wird erreicht, daß alle Transistoren des Brücken-Gegentaktwandlers stromfrei schaltbar sind, indem der Schalttransistor des Schaltreglers jeweils nach dem Ansteuern der Transistoren des Gegentaktwandlers stromleitend gesteuert wird und dann bis zu einem Zeitpunkt vor Beendigung des Ansteuerns dieser Transistoren stromleitend bleibt. Die in der Drossel während der Stromleitung des Transistors des Schaltreglers gespeicherte Energie wird nach der Unterbrechung des Stromes von ihrer zweiten Wicklung an die am Ausgang des Gleichrichters angeschlossene Last geführt. Dadurch wird der Strom unter Umgehung der Transistoren des Gegentaktwandlers auf die Last kommutiert und damit die Transistoren entlastet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 2 darin, daß das Windungszahlverhältnis der Drossel kleiner als das Übersetzungsverhältnis des Transformators ist, damit die Halbleiter des Brücken-Gegentaktwandlers nahezu stromlos geschal-

tet werden können. Jeweils in der Zeitspanne t_u kurz vor dem Abschalten der Transistoren wird der Primärstrom des Transformators Null. Währenddessen findet ein Kommutierungsvorgang statt, bei dem Transformator und Drossel parallel liegen und der Transformator durch die Spannung AU an der Parallelschaltung abmagnetisiert wird.

AU — La ■ -τγ (.L) Transformatorinduktivität)

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Leistung eines Schaltreglers oder eines Gerätes mit ent- is sprechender Funktion in 20-kHz-Schalttechnik erhöht werden kann, daß nur einer der Schalttransistoren optimal angesteuert und entlastet werden muß und daß aufgrund der geringen Schaltverluste ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Ferner wirken sich Unsymmetrien, die durch unterschiedliche Schaltzeiten von Transistoren bedingt sind, nicht störend aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnung näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung eines stromgespeisten Gleich-Spannungswandlers mit einem als Schaltregler eines Schaltnetzteils verwendeten Halbleiterschalter,

F i g. 2 Zeitdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1.

Der Gleichspannungswandler nach F i g. 1 besteht zunächst aus einem über eine Drossel 2 mit Gleichstrom / eingespeisten Brücken-Gegentaktwandler 1 mit vier Transistoren 10 bis 13 in Brückenschaltung. Dem Gegentaktwandler 1 und der Drossel, die zwei Wicklungen 20, 21 hat, ist ein Schalttransistor 3 vorgeordnet, weleher optimal angesteuert wird.

Der Schalttransistor 3 wird (s. Diagramm c) in der F i g. 2) mit veränderbarem Zeitabstand t_n wie ein Halbleiterschalter bei Phasenabschnittsteuerung mit veränderlichem Steuerwinkel, nach dem Ein-Schaltzeitpunkt f£ der zwei jeweils korrespondierenden Transistoren des Brücken-Gegentaktwandlers, das sind die jeweils gleichzeitig stromleitenden Transistoren 10 und 13 bzw. 11 und 12 (vgl. Diagramme a) und b) in F i g. 2) stromleitend gesteuert. Hingegen wird der Schalttransistor 3 in einem unveränderten, d. h. gleichbleibenden Zeitabstand tu vor dem Ab-Schaltzeitpunkt Ia derselben Transistoren gesperrt. In den Diagrammen a) bis c) sind die Einschaltzeiten für die Transistoren 10 bis 13 und für Transistor 3 dargestellt. Nach F i g. 2 (Diagramm c) im Vergleich zu den Diagrammen a) und b)) ist ersichtlich, daß Schalttransistor 3 mit der doppelten Frequenz der Transistoren 10 bis 13 gesteuert wird.

Der Gleichspannungswandler besteht ferner aus einem Spannungstransformator 4 mit einer Primärwicklung 40 und einer Sekundärwicklung 41, einem Gleichrichter 5, bestehend aus zwei Dioden 50, 51 in Mittelpunktschaltung und einem Glättungskondensator 52 am Gleichrichterausgang 53. Der Gleichrichter kann auch eine Brückenschaltung sein. Mit dem Gleichrichterausgang 53 des Gleichspannungswandlers ist die zweite Wicklung 21 der Drossel 2 über eine Entkopplungsdiode 22 verbunden. Das Windungszahlverhältnis der Wicklungen 20 und 21 von 2 ist beispielsweise 1,5. Das Obersetzungsverhältnis ü des Transformators 4 ist dagegen größer und kann beispielsweise 2,5 betragen.

Zweckmäßig ist der Schalttransistor 3 mit einem Entlastunesnetzwerk im Nebenschluß beschaltet. Im Nebenschluß der Reihenschaltung von 2 und 3 liegt eine sogenannte Clampingdiode 6, die so gepolt ist, daß die Durchlaßrichtung dem Gleichstrom aes Schalttransistors 3 und der Drossel 2 entgegengerichtet ist

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird des weiteren auf die Diagramme d) und e) der F i g. 2 Bezug genommen. Diagramm d) veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung Upr an der Primärwicklung 40 des Transformators 4.

An der ersten Wicklung 20 der Drossel 2 liegt eine Wechselspannung U2, deren zeitlicher Verlauf rechteckförmig ist und die dargestellt ist im Diagramm e). Die zeitlichen Verläufe von u_pr(t) und U2(t) erstrecken sich über zwei Steuerperioden der im Gegentakt gesteuerten Transistoren 10,13 und 11,12 des Gegentaktwandlers 1 hinweg, das sind vier Schaltperioden des Schalttransistors 3, dessen Schaltfrequenz z. B. 40 kHz betragen kann.

Nach dem Einschaltzeitpunkt Ie der Steuerströme für die Transistoren 10 und 13 von 1 liegen im stationären Betrieb im Zeitraum U bis zum Einschalten des Schalttransistors 3 gleich große Spannungen u_pr und 1/2 am Transformator 4 und an der Drossel 2.

Beim Einschalten des Gleichstromes des Gleichspannungswandlers mittels des Schalttransistors 3 wechselt t/2 die Polariiät, so daß u_pr vorübergehend den Wert der vollen Betriebsgleichspannung Ub des Gleichspannungswandlers hat (Kommutierung). Anschließend bis zum Abschaltzeitpunkt des Transistors 3 haben u_pr und U2 positive Polarität, dabei werden der Primärstrom i_pr in der Primärwicklung 40 von 4 und der Gleichstrom /2 in 2 linear zunehmend größer. Beim Abschalten des Stromes mittels 3 fällt u_pr auf den Spannungswert 1112 \ ab, und U2 wechselt die Polarität. Unter der Wirkung der Spannung i/2 mit nunmehr negativer Polarität an der ersten Dros^elwicklung 20 fließt ein linear wieder abnehmender Freilaufstrom If aus der hierzu gegensinnig aufgebrachten Wicklung 21 (s. Fig. 1) über die Entkopplungsdiode 22 zum Gleichrichterausgang 53 des Gleichspannungswandlers. Die Transistoren 10, 13 des Gegentaktwandlers 1 sind noch eine Zeitlang (t_u) angesteuert, aber sind stromfrei. Im Zeitpunkt tA werden die Transistoren 10 und 13 durch Wegnahme ihres Steuerstroms stromfrei ausgeschaltet und durch die volle Betriebsgleichspannung beaufschlagt. Daraufhin, nach einer kurzen Schonzeit f_s, werden die Transistoren 11 und 12 durch Zuführung von Steuerstrom eingeschaltet, wodurch die negative Spannung u_pr auf den immer noch negativen Spannungswert von 1/2 absinkt.

Von nun an, zunächst bis zum Abschalten des zweiten Gleichstromblockes mittels 3, wiederholen sich die vorangehend beschriebenen Vorgänge, ohne daß u_pr seine Polarität ändert.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Vorgänge während einer Schaltperiode der Transistoren des Gegentaktwandlers 1 ergibt sich, daß abwechselnd jeweils zwei dieser Transistoren gleichzeitig mit dem Schalttransistor 3 stromleitend sein können. Beim Abschalten von 3 werden die betreffenden Transistoren stromfrei und bleiben stromfrei bis zum Wiedereinschalten von 3. Währenddessen ist die Spannung ui an der Drossel 2 negativ, und die Drossel 2 kann Energie an die Last abgeben, wobei 112 begrenzt ist.

Es besteht somit der Vorteil, daß die Transistoren des Gegentaktwandlers stromfrei ein- und abschaltbar sind. Dadurch wird es möglich, die Leistung der Schaltregler und Geräte in Mittelfrequenz-Schalttechnik zu erhöhen,

wobei nur der Schalttransistor 3 optimal gesteuert wird. Infolge der hierbei verringerten Schaltverluste ergibt sich eine nutzbare Erhöhung des Wirkungsgrades.

Die aus F i g. 1 ersichtlichen Rückstrompfade 6 und 6' mit je einer sogenannten Clampingdiode 61 bzw. 61' sind dazu vorgesehen, damit das Potential im Mittelpunkt M der Schaltung und am Kollektor von 3 nicht negativer als die Minusschiene bzw. nicht positiver als die Plusschiene der Betriebsgleichspannung Ub werden kann.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Regelbarer Gleichspannungswandler für Leistungs-Schaltnetzteile, bestehend aus einem Brükken-Gegentaktwandler (1) mit steuerbaren Halbleiterschaltern und mit Stromeinspeisung über eine Drossel (2) und einem der Drossel (2) vorgeordneten Halbleiterschalter (3), welcher als Schaltregler in einem veränderbaren Zeitabstand (t_v) nach dem Einschaltzeitpunkt von zwei jeweils korrespondierenden Halbleitern (10,13 und 11,12) des Brücken-Gegentaktwandlers stromleitend gesteuert wird und mit einem Entlastungsnetzwerk (32) beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (2) eine zweite Wicklung (21) hat, die über eine Entkopplungsdiode (22) mit dem Gleichrichterausgang (53) des Gleichspannungswandlers verbunden ist, und daß der Halbleiterschalter (3) in einem unveränderten Zeitabstand (t_u) vor dem Abschaltzeitpunkt der zwei jeweils stromleitenden Halbleiterschalter des Brücken-Gegentaktwandlers gesperrt wird.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungszahlenverhältnis (H) der Drossel (2) kleiner als das Übersetzungsverhältnis des Transformators (4) des Gleichspannungswandlers ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung des Halbleiterschalters (3) und der Drossel (2) einen Rückstrompfad (6) mit einer Clampingdiode (61) hat.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Drossel (2) und des Brücken-Gegentaktwandlers (1) einen Rückstrompfad (6') mit einer Clampingdiode (61') hat.