DE3335398A1

DE3335398A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3335398A1
Application number: DE19833335398
Authority: DE
Inventors: Harald 8000 München Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1985-04-18

Description

Gleichspannunqswandler
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.
Moderne Gleichspannungswandler besitzen elektronische Leistungsschalter, die den Eingangskreis periodisch mit dem Ausgangskreis bzw. einem zwischen Eingangs- und Ausgangskreis vorgesehenen Transformator zur galvanischen Trennung verbinden, so daß eine Ausgangsgleichspannung entsteht, deren Höhe wesentlich vom Tastverhältnis des Leistungsschalter, d.h. von dem zeitlichen Verhältnis Einschaltphase zu Ausschaltphase bestimmt ist.
Gleichspannungswandler arbeiten mit relativ hohen Schaltfrequenzen, um Raumbedarf und Gewicht der beteiligten magnetischen Komponenten, wie Speicherdrosseln und Trenntransformator, so klein wie möglich zu halten. Die hohen Schaltfrequenzen können andererseits Quelle von Störgeräuschen sein, die durch geeignete Siebmittel im Eingangs-und/oder Ausgangskreis unterdrückt werden müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Wandler im Eingangs- und/ oder Ausgangskreis nicht kontinuierlich sondern impulsweise Strom aufnimmt bzw. abgibt. Daher geht ein Bestreben dahin, Gleichspannungswandler zu entwickeln, die sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis ständig Strom führen. Ein solcher Wandler ist beispielsweise durch die DE-OS 28 42 262 bekannt. Dieser bekannte Wandler erreicht das Ziel kontinuierlichen Eingangs- und Ausgangsstromes dadurch, daß ein Wandler mit kontinuierlichem Eingangsstrom strom, nämlich ein sogenannter Aufstockwandler, kombiniert wird mit einem solchen der kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, der ebenfalls sowohl im Eingangsals auch im Ausgangskreis einen stetigen Gleichstrom führt.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt einen weiteren Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung mit einem Trenntransformator zur galvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis, Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung, Fig. 4 zeigt einen Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung mit einem Transformator zur Spannungsübersetzung und/oder zur quasigalvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis.
Der in Fig. 1 dargestellte Gleichspannungswandler besitzt einen mit einer Speisespannungsquelle Ue verbindbaren Eingangskreis und einen mit einem Lastwiderstand R verbindbaren Ausgangskreis. Es besteht keine galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis. In den Längszweig zwischen Eingangs- und Ausgangskreis ist ein Leistungsschalter T eingefügt, der von einer externen Taktquelle ein- und ausschaltbar ist. Der Tastgrad, d.h. das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit des Leistungsschalters T ist vorzugsweise nach Maßgabe des Lastwiderstandes R und/oder der Eingangsspannung Ue regelbar, um die mit Ua bezeichnete Ausgangsspannung konstant zu halten.
In den zwischen dem Eingang und dem Leistungsschalter T liegenden Abschnitt des Längszweiges ist eine Drossel L1 eingefügt. Eine weitere Drossel L2, die mit der Drossel L1 induktiv gekoppelt sein kann, ist in Reihe mit einem Gleichrichter D in einen Querzweig des Ausgangskreises geschaltet. Ein Koppelkondensator Ck verbindet den dem Eingang abgewandten Wicklungsanschluß der Drossel L1 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Drossel L2 und dem erwähnten Gleichrichter D.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung arbeitet folgendermaßen: Wenn die Eingangsspannung Ue eingeschaltet wird, lädt sich der Koppelkondensator Ck über die Wicklungen der beiden Drosseln L1 und L2 auf. Sobald der Leistungsschalter T in seinen leitenden Zustand gelangt, fließt einerseits von der Speisequelle Strom über die Drossel L1 und den Leistungsschalter T in den Lastwiderstand R. Andererseits fließt ein Strom gleicher Richtung über die Drossel L2, den Koppelkondensator Ck und den Leistungsschalter T ebenfalls in den Lastwiderstand R. Wenn der Leistungsschalter T sperrt, liefert die in der Drossel L2 gespeicherte magnetische Energie in üblicher Weise über den Gleichrichter D Strom in den Lastwiderstand R. Gleichzeitig liefert die in der Drossel L1 gespeicherte magnetische Energie über den Koppelkondensator Ck und den Gleichrichter D ebenfalls Strom an den Lastwiderstand R.
Es fließt also ständig, d.h. während der Einschaltphase und während der Ausschaltphase des Leistungsschalters T, Strom sowohl im Eingangs- als auch im Ausgangskreis.
In der dargestellten Schaltung sind die beiden Drosseln L1 und L2 magnetisch gekoppelt. Voraussetzung hierzu ist, daß an den mit dem Koppelkondensator Ck verbundenen Wicklungsanschlüssen gleiche Induktionsspannung und Phasenlage gegeben sind. Dies ist dann der Fall, wenn die Wicklungen beider Drosseln auf einem gemeinsamen Kern aufgebracht sind und im wesentlichen gleiche Windungszahl haben.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von der Schaltung gemäß Fig. 1 dadurch, daß der Koppelkondensator Ck nicht unmittelbar mit dem Ausgangskreis verbunden sondern mit einer weiteren Drosselwicklung L3 in Reihe geschaltet ist, die mit den Drosseln L1 und L2 magnetisch gekoppelt ist. Voraussetzung für diese magnetische Kopplung ist wieder, daß an den mit dem Leistungsschalter T bzw. dem Gleichrichter D verbundenen Wicklungsenden jeweils gleiche Induktionsspannung und Phasenlage herrschen, d.h. daß alle Drosselwicklungen bei Anordnung auf einem gemeinsamen Kern annähernd gleiche Windungszahl besitzen.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung arbeitet in folgender Weise: Bei Einschaltung der Speisespannung Ue lädt sich der Koppelkondensator Ck an dieser auf. Wenn der Leistungsschalter T leitend wird, fließt über die Drossel L1 und den Leistungsschalter T Strom in den Ausgangskreis. Gleichzeitig fließt aus dem Kondensator Ck über die Drosselwicklung L3 und den Leistungsschalter T ebenfalls Strom in den Ausgangskreis. Wenn der Leistungsschalter T sperrt, baut sich die in der Drossel L2 gespeicherte magnetische Energie über den Gleichrichter D in den Ausgangskreis ab, d.h. die Drossel L2 liefert weiter Strom zu dem Lastwiderstand R.
Gleichzeitig fließt jedoch die in der Streuinduktivität von L1 und L3 gespeicherte magnetische Energie in den Koppelkondensator Ck ab, so daß dieser nachgeladen wird.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Transformator Tr zur Spannungsanpassung vorgesehen. Man kann sich diese Schaltung zusammengesetzt denken aus einem Sperrwandler und einem Durchflußwandler, deren Eingangskreise in Reihe und deren Ausgangskreise parallelgeschaltet sind. Die miteinander gekoppelten Drosseln L1 und L2 bilden den Übertrager des Sperrwandlers. Um möglichst geringe Stromwelligkeit im Ausgangskreis zu erzielen, ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen der Drosseln L1 und L2 dem Ubersetzungsverhältnis des Transformators Tr angepaßt. Wenn dieses Ubersetzungsverhältnis von Primär- zur Sekundärseite mit n bezeichnet ist, sollte der Quotient L2/L1 der Drosselinduktivitäten ungefähr dem Wert n2 entsprechen. Der Koppelkondensator Ck ist - ebenfalls in Anpassung an das Ubersetzungsverhältnis n - mit einer Anzapfung der Drossel L1 und/oder der Drossel L2 verbunden. Da Eingangs- und Ausgangskreis durch den Koppelkondensator Ck direkt miteinander verbunden sind, ist eine echte galvanische Trennung beider Kreise nicht gegeben. Falls Eingangs- und Ausgangskreis unterschiedliche Bezugspotentiale haben sollen, können die entsprechenden Anschlußklemmen, die in der dargestellten Schaltung mit "-" bezeichnet sind, über einen weiteren mit Ck1 bezeichneten Koppelkondensator miteinander verbunden sein.
Es sei noch erwähnt, daß der von den Induktivitäten L1 und L2 gebildete Sperrwandler-Ubertrager im Interesse guter magnetischer Speicherfähigkeit einen vergleichsweise grossen Luftspalt aufweisen sollte, während der Ubertrager Tr des Durchflußwandlerteiles - wie üblich - einen kleinen Luftspalt und damit geringe Streuinduktivitäten aufweisen sollte.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine echte galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis gegeben ist. Zu diesem Zweck ist eine weitere Induktivität L2' vorgesehen, die in Reihenschaltung mit dem Gleichrichter D im Querzweig des Ausgangskreises angeordnet und mit der Drossel L1 und/oder L2 magnetisch gekoppelt ist.
Der Funktionsmechanismus der in Fig. 3 und 4 dargestellten Schaltungen entspricht - soweit es die erfindungsgemäße Ausgestaltung betrifft - im wesentlichen der Schaltung gemäß Fig. 1, so daß sich eine eingehende Beschreibung derselben erübrigt. Ein wesentlicher Vorteil der Schaltung nach Fig. 4 ist, daß durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses sowohl des Sperrwandlerübertragers als auch des Durchflußwandlerübertragers eine nahezu beliebige Spannungs- und Stromanpassung im Sekundärkreis vorgenommen werden kann.
Es sei noch erwähnt, daß der Transformator Tr zur Erzeugung einer Mehrzahl gleicher oder auch unterschiedlicher voneinander unabhängiger Ausgangsspannungen eine entsprechende Vielzahl von Sekundärwicklungen aufweisen kann. In diesem Fall ist in jedem der Ausgangskreise eine der Drossel L2' entsprechende Drosselwicklung vorzusehen, die sämtlich mit der Drossel L1 und/oder L2 magnetisch gekoppelt sind.
7 Patentansprüche 4 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 0 Gleichspannungswandler it einem an eine Speisegleichspannungsquelle anschließbaren Eingangskreis und wenigstens einem mit einem Lastwiderstand verbindbaren Ausgangskreis, - mit einer in einem Längszweig des Eingangskreises angeordneten Drossel, - mit einem Leistungsschalter zur periodischen Anschaltung des Eingangskreises an die Speisegleichspannungsquelle, - sowie mit einer im Ausgangskreis angeordneten Speicherdrossel zur Aufrechterhaltung des Stromflusses in dem Lastwiderstand während der Ausschaltphase des Leistungsschalters, wobei der betreffende Stromfluß über einen Gleichrichter verläuft, der sich während der Einschaltphase des Leistungsschalters im Sperrzustand befindet, dadurch gekennzeichnet, - daß die Speicherdrossel (L2) über einen Koppelkondensator (Ck) mit der im Eingangskreis angeordneten Drossel (L1) derart verbunden ist, -- daß der Koppelkondensator (Ck) an der Speisegleichspannungsquelle aufladbar ist, -- daß die Speicherdrossel (L2) beim Leitendwerden des Leistungsschalters (T) Energie aus dem aufgeladenen Koppelkondensator (Ck) aufnimmt, derart daß die in ihr gespeicherte magnetische Energie während der Einschaltphase des Leistungsschalters (T) einen zusätzlichen Stromfluß über den den Koppelkondensator (Ck) und den Leistungsschalter (T) in den Ausgangskreis bewirkt, -- und daß während der Ausschaltphase des Leistungsschalters (T) die index erstgenannten Drossel (L1) gespeicherte magnetische Energie einen zusätzlichen Stromfluß über den Koppelkondensator (Ck) und den Gleichrichter (D) in den Ausgangskreis bewirkt.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erstgenannte Drossel (L1) mit ihrem dem Eingang abgewandten Wicklungsende oder mit einer Anzapfung über den Koppelkondensator (Ck) mit einem Wicklungsende oder einer Anzapfung der Speicherdrossel (L2) verbunden ist, und daß der Verbindungspunkt zwischen Koppelkondensator (Ck) und Speicherdrossel (L2) über den genannten Gleichrichter (D) mit dem spannungführenden Anschluß (+) des Ausgangskreises verbunden ist.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, d a -d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die im Längszweig des Eingangskreises angeordnete Drossel (L1) und die Speicherdrossel (L2) magnetisch gekoppelt sind.
4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine dritte Drossel (L3) vorgesehen ist, die sowohl mit der erstgenannten Drossel (L1) als auch mit der Speicherdrossel (L2) magnetisch gekoppelt ist, daß diese dritte Drossel (L3) in Reihenschaltung mit dem Koppelkondensator (Ck) einen mit dem dem Eingang abgewandten Wicklungsende oder einer Anzapfung der ersten Drossel (L1) verbundenen Querzweig des Eingangskreises bildet, und daß die Speicherdrossel (L2) in Reihe mit dem Gleichrichter (D) in einem Querzweig des Ausgangskreises angeordnet ist (Fig. 4).
5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Transformator zur galvanischen Trennung und/oder Spannungsanpassung von Eingangs- und Ausgangskreis, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Windungsverhältnis der Drosseln bzw. der angezapften Wicklungsteile dem Übersetzungsverhältnis des Transformators angepaßt ist.
6. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach Anspruch 5, mit einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherdrossel zwei galvanische voneinander getrennte und magnetisch miteinander gekoppelte Wicklungen (L2, L2') besitzt, von denen die eine (L2) in Reihe mit dem Koppelkondensator (Ck) im Querzweig des Eingangskreises und die andere (L2') in Reihe mit dem Gleichrichter (D) im Querzweig des Ausgangskreises angeordnet ist.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6 mit einem Trenntransformator mit mehreren Ausgangswicklungen zur Bildung einer entsprechenden Vielzahl von galvanisch voneinander unabhängigen Ausgangskreisen, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine der Zahl der Ausgangswicklungen des Trenntransformators entsprechende Zahl von Speicherdrosseln vorgesehen ist und daß alle diese Speicherdrosseln mit der in Reihe mit dem Koppelkondensator in einem Querzweig des Eingangskreises angeordneten zweiten Drossel magnetisch gekoppelt sind.