DE3642634A1 - Eintakt-gleichstromumrichter mit verlustloser umschaltung - Google Patents

Eintakt-gleichstromumrichter mit verlustloser umschaltung

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Eintakt-Schalt- Gleichstromumrichter und insbesondere auf eine Wandlerschal­ tung, die während des Durchschaltens und Sperrens praktisch keinen Strom in dem Schalttransistor führt.
Es sind viele Arten von Gleichstromumrichtern bekannt, um eine erste Gleichspannung in eine zweite, geregelte Gleich­ spannung umzuwandeln. Üblicherweise wird die erste Gleich­ spannung in eine Wechselspannung (oder Gleichstromimpulse) durch einen Schalttransistor oder -transistoren umgewandelt. Die Wechselspannung wird dann wieder in eine gewünschte Ausgangsgleichspannung zurückgewandelt. Es wird eine Rück­ führung der Ausgangsspannung verwendet, um die Frequenz der durch den bzw. die Transistor (en) erzeugten Wechsel­ spannung zu regeln, so daß die gewünschte Spannungsregelung erhalten wird.
Bekanntlich haben Schalt-Stromrichter einen höheren Wirkungs­ grad als andere Leistungseinspeisungen, wie beispielsweise seriengeregelte Leistungseinspeisungen. Jedoch ist der Wir­ kungsgrad der Schaltumrichter begrenzt gewesen durch Verluste in dem Schalttransistor (en) während des Durchschaltens und Sperrens, insbesondere in pulsbreitenmodulierten Wandlern bzw. Stromrichtern, da der Schalttransistor (en) dann gleichzeitig einem hohen Strom und einer hohen Spannung so­ wohl während des Durchschaltens als auch während des Sperrens standhalten muß. Es ist bekannt, daß ein verlustloses Um­ schalten möglich ist, wenn der Transistor bei einem Nullstrom durchgeschaltet oder gesperrt wird.
Resonante Stromrichter verwenden eine Wechselspannung variabler Frequenz zum Steuern der Ausgangsgleichspannung. In resonanten Wandlern ist es möglich, entweder ein verlust­ loses Durchschalten oder ein verlustloses Sperren zu haben, aber nicht beides. Weiterhin ist der Stromfluß in dem Tran­ sistor (en) eines resonanten Stromrichters groß, so daß eine hohe Strombeanspruchung auf den Transistor (en) ausgeübt wird. Dies erfordert teure Transistoren mit einem hohen Nennstrom.
Durch Vergrößern der Schaltfrequenz kann ein Umrichter mit kleinerer Größe, geringerem Gewicht, geringeren Kosten und schnellerem Ansprechverhalten erhalten werden. Die Umschal­ tung mit höherer Frequenz vergrößert jedoch die Transistor­ verluste und verschlechtert den Wirkungsgrad.
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichstromumrichter zu schaffen, der praktisch keine Schaltverluste in dem Schalttransistor aufweist. Ferner soll der Gleichstromumrichter eine kleine Strombeanspruchung auf den Schalttransistor ausüben. Ferner soll ein Eintakt- Umrichter geschaffen werden, der für ein verlustloses Um­ schalten selbst bei hohen Frequenzen sorgen kann.
Erfindungsgemäß wird ein Gleichstromumrichter geschaffen, der einen Transformator, Schaltmittel, einen Resonanzkonden­ sator und einen ungesteuerten Gleichrichter aufweist. Der Transformator weist eine Primärwicklung und eine Sekundär­ wicklung auf. Die Primärwicklung kann mit einer Gleichstrom­ quelle verbunden werden. Das Schaltmittel ist mit der Pri­ märwicklung in Reihe geschaltet, um selektiv für einen Strom­ fluß durch die Primärwicklung zu sorgen.
Der Resonanzkondensator ist mit der Sekundärwicklung in Reihe geschaltet und kann eine Spannung haben, die durch die Reso­ nanz zwischen dem Resonanzkondensator und der Streuinduktivi­ tät des Transformators bestimmt ist. Der ungesteuerte Gleich­ richter ist der Zusammenschaltung aus der Sekundärwicklung und dem Resonanzkondensator parallel geschaltet. Der unge­ steuerte Gleichrichter ist so angeordnet, daß er leitend ist, wenn der Resonanzkondensator durch den Magnetisierungs­ strom des Transformators geladen wird,und er ist nicht lei­ tend, wenn sich der Resonanzkondensator entlädt.
Der Stromumrichter kann weiterhin ein Gleichspannungs-Aus­ gangsfilter mit einer Reihenschaltung aus einer Filterdros­ sel und einem Filterkondensator aufweisen, die dem ungesteu­ erten Gleichrichter parallel geschaltet sind, wobei die Aus­ gangsgröße des Umrichters über dem Filterkondensator abge­ nommen wird. Es kann ferner eine Resonanzdrossel vorgesehen sein, die mit dem Resonanzkondensator in Reihe geschaltet ist.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild von einem Ausfüh­ rungsbeispiel des Gleichstromumwandlers gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild von einem anderen Ausführungsbeispiel des Gleichstromumwandlers ge­ mäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild, das zur Erläuterung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 hilfreich ist.
Fig. 4 ist ein Kurvenbild und stellt die Arbeitsweise des Transistors in Fig. 1 dar.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm von einem Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung gemäß Fig. 1.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Zwei Eingänge 8 und 9 können mit den positiven bzw. negativen Anschlüssen einer Gleichstromquelle (nicht gezeigt) verbunden werden. Ein Transformator 10 hat eine Primärwick­ lung 11, die mit einer Sekundärwicklung 12 magnetisch gekop­ pelt ist. Die Primärwicklung 11 ist in Reihe mit einer Schalt­ vorrichtung 13 und einer Diode 14 zwischen die Eingänge 8 und 9 geschaltet. Die Schaltvorrichtung 13 ist als ein Feldeffekt- Transistor (FET) gezeigt, obwohl alternativ auch andere Schaltvorrichtungen, wie beispielsweise ein bipolarer Tran­ sistor, ein Tyristor oder ein steuerbarer Siliziumgleichrich­ ter (SCR), verwendet werden könnten.
Die Sekundärwicklung 12 ist mit einem Kondensator 15 in Reihe geschaltet. Der Sekundärwicklung 12 und dem Kondensator 15 sind eine Diode 16 und ein Ausgangsfilter 17 parallel ge­ schaltet. Die Diode 16 ist mit ihrer Anode mit der einen Seite der Sekundärwicklung 12 verbunden, und ihre Katode ist mit dem Kondensator 15 verbunden. Das Ausgangsfilter 17 weist eine Filterdrossel 20 auf, die zwischen den Kondensa­ tor 15 und einen Ausgangsanschluß 22 geschaltet ist. Das Ausgangsfilter 17 weist auch einen Filterkondensator 21 auf, der zwischen den Ausgangsanschluß 22 und einen weiteren Aus­ gangsanschluß 23 geschaltet ist.
Eine Steuereinrichtung 25 ist mit den Ausgangsanschlüssen 22 und 23 und dem Gate des FET 13 Verbunden. Die Steuereinrich­ tung 25 empfängt ein Spannungsbefehlsignal V′, das extern zugeführt wird, und ein Stromsignal von einem Stromfühler 19, der mit dem FET 13 verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist ein Eintakt-Gleich­ stromumrichter. Der FET 13 wird durchgeschaltet, um Gleich­ stromimpulse an die Primärwicklung 13 zu liefern. Die Diode 14 hält eine negative Spannung von dem FET 13 ab, nachdem der FET 13 abschaltet bzw. sperrt.
Die Gleichspannungsimpulse in der Primärwicklung 11 erzeugen eine Wechselspannung über der Reihenschaltung aus der Sekun­ därwicklung und dem Kondensator 15. Die Wechselspannung wird durch die Diode 16 gleichgerichtet und durch das Ausgangs­ filter 17 geglättet. Die Ausgangsspannung V₀, die an den Anschluß 22 geliefert wird und in einer bestimmten Beziehung steht zum Anschluß 23, wird der Steuereinrichtung 25 zuge­ führt. Der FET 13 wird durch die Steuereinrichtung 25 durch­ geschaltet und gesperrt, damit die Ausgangsspannung V₀ mit ihrem Sollwert übereinstimmt, wie es im folgenden beschrie­ ben wird. Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 wird nun in Verbindung mit der Ersatzschaltung gemäß Fig. 3 näher erläutert. In Fig. 3 ist der Transformator 10 durch seine Magnetisierungsinduktivität L m und durch seine Streuinduktivität L r ersetzt. Bei den beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung kann die Streuinduktivität L r klein sein, ohne daß die Gefahr besteht, daß irgendeine Extrastreuinduktivität in den Transformator eingeführt wird, wenn der Stromrichter bei hohen Frequenzen im Bereich von mehreren Kilohertz betrieben wird. Die Resonanzkapazität C r gemäß Fig. 3 ist gleich der Kapazität des Kondensators 15 in Fig. 1.
Die Arbeitsweise des FET 13 bewirkt eine Resonanz zwischen der Streuinduktivität L r und dem Resonanzkondensator C r . Die Streuinduktivität L r ist viel kleiner als sowohl die Magnetisierungsinduktivität L m als auch die Induktivität der Filterdrossel 20, und die Resonanzkapazität C r ist viel kleiner als die Kapazität des Filterkondensators 21).
Bei einem stationären Ausgangszustand des Stromrichters führt die Filterdrossel 20 einen Lastgleichstrom I. Die Magnetisierungsinduktivität L m führt einen Magnetisierungs­ strom I m , und die Streuinduktivität L r führt einen Resonanz­ strom i r . Während eines stationären Betriebes sind die Span­ nung über dem Filterkondensator 21 (d.h. V₀), der Filterdros­ selstrom I und der Magnetisierungsstrom I m im wesentlichen konstant mit einer kleinen Schaltwelligkeit, da ihre Zeit­ konstanten viel länger sind als eine Umschaltperiode. Im Gegensatz dazu sind der Resonanzstrom i r und die Resonanz­ spannung V r wechselnd, wobei ihre Resonanzfrequenz höher als, aber vergleichbar zu der Schaltfrequenz ist.
Der FET 13 führt einen Drainstrom i ds . Eine Spannung V sw fällt über der Reihenschaltung des FET 13 und der Diode 14 ab. Der Drainstrom i ds des FET 13 ist gleich der Summe des Magnetisierungsstroms I m und des Resonanzstroms i r . Die Diode 16 verhindert, daß der Resonanzstrom i r den Laststrom I überschreitet. Deshalb ist der Drainstrom i ds immer klei­ ner als oder gleich der Summe des Laststromes I und des Mag­ netisierungsstroms I m . Deshalb ist die Strombelastung im FET 13 gering.
Die Kurven des Drainstroms i ds und der Schalterspannung V sw sind in Fig. 4 gezeigt. Unmittelbar vor dem Beginn eines Schaltzyklus des FET 13 ist dieser gesperrt (i ds ist null) und die Diode 16 ist leitend. Wenn ein Schaltzyklus beginnt, wird dem Gate des FET 13 ein Gatesignal zugeführt. Da der Drainstrom i ds die Summe der zwei induktiven Ströme, also i r und I m ist, ist er induktiv und kann sich nicht au­ genblicklich ändern. Deshalb bleibt der Drainstrom i ds bei null, während die Spannung V sw auf nahe null abfällt, und dann steigt der Drainstrom i ds auf seinen Maximalwert von I+I m . Da der Drainstrom i ds während des transienten Zustan­ des beim Durchschalten null ist, ist die Einschaltung ver­ lustlos.
Während der Zeitperiode T 1 in Fig. 4 schwingt der Resonanz­ strom i r in Richtung auf den Laststrom I, wodurch der Drainstrom i ds ansteigt. Während der Zeitperiode T 2 ist der Resonanzstrom i r auf den Wert des Laststroms I festgeklemmt, da die Diode 16 nicht leitend ist, während die Resonanzkapa­ zität C r durch den Laststrom I entladen wird. In ähnlicher Weise ist der Drainstrom i ds während der Entladung der Re­ sonanzkapazität C r bei I+I m festgeklemmt.
Am Ende der Zeitperiode T 2 hat sich die Resonanzkapazität C r entladen, und die Diode 16 wird wieder leitend. Während der Zeitperiode T 3 ändert der Resonanzstrom i r seine Richtung und schwingt in Richtung auf einen Wert -I m , wobei der Drainstrom i ds abfällt. Die Diode 14 sperrt einen Rückwärts­ strom und der FET 13 wird gesperrt, wenn der Drainstrom i ds sich null nähert. Deshalb ist die Abschaltung des FET 13 ebenfalls verlustlos.
Während der Zeitperiode T 4 steigt die Spannung V sw des FET 13 linear an, und der Magnetisierungsstrom I m lädt die Re­ sonanzkapazität C r mit einer Polarität entgegengesetzt zur Polarität V r auf, wie es in Fig. 3 gezeigt ist (die Diode 16 leitet Laststrom I und Magnetisierungsstrom I m ).
Eine Schaltperiode gleicht der Summe der Zeitperioden T 1 bis T 4. Somit endet T 4, wenn der FET 13 wieder durchge­ schaltet wird. Die Ausgangsspannung V₀ wird durch die Fre­ quenz der Schaltzyklen bestimmt. Eine höhere Frequenz der Schaltzyklen ergibt eine höhere Ausgangsspannung, da mehr Energie zum Ausgangsfilter übertragen wird.
Es wird nun die Arbeitsweise der Steuereinrichtung 25 an­ hand von Fig. 1 beschrieben. Die Steuereinrichtung 25 steuert den FET 13 in der Weise an, daß eine gewünschte Ausgangsspannung V₀ über den Ausgangsanschlüssen 22 und 23 gebildet wird. Die Steuereinrichtung 25 kann den FET 13 bei nahezu jeder Frequenz ungleich null unterhalb der Resonanz­ frequenz der Streuinduktivität des Transformators 10 und der Kapazität des Kondensators 15 betätigen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung der natürlichen Streuinduktivität des Transformators 10 und eines Kondensators 15 mit relativ kleiner Kapazität die Schaltfrequenz des FET 13 etwa 20 Kilohertz und höher für eine 50 Watt-Versorgung und etwa 600 Kilohertz und höher für eine 250 Watt-Einspeisung betragen.
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zum Implementieren der Steuer­ einrichtung 25, die eine Summierstelle 32 zum Vergleichen der Ausgangsspannung V₀ und der Sollspannung V′ aufweist. Der Ausgang der Summierstelle ist mit dem Eingang eines PI-Reglers 33 verbunden, dessen Ausgangsgröße einen spannungs­ gesteuerten Oszillator (VCO) 34 steuert. Die Impulse aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 34 bewirken, daß eine Treiberschaltung 31 ein Einschaltsignal an den FET 13 liefert.
Der FET-Strom i ds wird durch den Stromsensor 19 abgeführt und durch einen Null-Durchgangkomparator 30 mit null (Masse) verglichen. An einem Null-Durchgang signalisiert der Kompara­ tor 30 der Treiberschaltung 31, den FET 13 zu sperren.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Diode 18 dem FET 13 anti-parallel geschaltet. Ein Quellenkondensator 24 ist zwischen die Anschlüsse 8 und 9 geschaltet. Die Anti- Parallelschaltung der Diode 18 gestattet, daß ein bidirek­ tionaler Strom in der Primärwicklung 11 fließt. Der Konden­ sator 24 sorgt für eine Speicherung von Energie, die wäh­ rend der Durchschaltung der Diode 18 fließt. Die Diode 18 sollte eine schnelle Diode sein, um ein Schwingen während der transienten Schaltvorgänge des FET 13 zu verhindern.
Fig. 2 zeigt auch die alternative Verbindung einer exter­ nen Resonanzdrossel 26 in Reihe mit dem Resonanzkondensator 15, die vorgesehen sein kann, um die Streuinduktivität des Transformators zu ergänzen oder zu ersetzen.
Es sei auch darauf hingewiesen, daß ein Transformator nicht notwendigerweise verwendet werden muß. So könnte die Schal­ tungsanordnung gemäß Fig. 3 auch mit diskreten Komponenten aufgebaut sein, die in der gezeigten Weise verbunden sind. Dieser Stromrichter könnte ebenfalls durch die Steuerschal­ tung gemäß Fig. 5 gesteuert werden.
Vorstehend ist ein Gleichstromumrichter beschrieben, der im wesentlichen keine Schaltverluste in dem Schalttransistor aufweist. Der Stromrichter hat eine kleine Strombeanspruchung auf den Schalttransistor und gestattet somit einen kleinen Nennstrom für den Transistor. Der Eintakt-Stromrichter sorgt für ein verlustloses Umschalten bei sehr hohen Frequenzen.

Claims (13)

1. Gleichstromumrichter, gekennzeichnet durch:
einen Transformator (10) mit einer Primärwicklung (11) und einer Sekundärwicklung (12), wobei die Primärwicklung mit einer Gleichstromeinspeisung verbindbar ist,
eine Schalteinrichtung (13), die mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist, zum selektiven Ausbilden eines Stromflusses durch die Primärwicklung,
einen Resonanzkondensator (15), der mit der Sekundär­ wicklung des Transformators in Reihe geschaltet ist und eine Spannung liefern kann, die durch Resonanz zwischen dem Resonanzkondensator und der Streuinduktivität des Transformators bestimmt ist, und
einen ungesteuerten Gleichrichter (16), der der Reihen­ schaltung aus der Sekundärwicklung und dem Resonanzkon­ densator parallel geschältet und so gepolt ist, daß er leitet, wenn der Resonanzkondensator durch den Magneti­ sierungsstrom des Transformators aufgeladen wird, und daß er nicht-leitend ist, wenn sich der Resonanzkondensator entlädt.
2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ungesteuerte Gleich­ richter (16) durch eine Diode gebildet ist, deren Katode mit dem Resonanzkondensator (15) und deren Anode mit der Sekundärwicklung (12) verbunden ist.
3. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Gleichspannungs- Ausgangsfilter (17) mit einer Filterdrossel (20) und einem Filterkondensator (21) vorgesehen ist, deren Reihenschaltung dem Gleichrichter parallel geschaltet ist, wobei die Aus­ gangsgröße des Stromrichters über dem Filterkondensator anliegt.
4. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (13) von einem Feldeffekt-Transistor (FET) und einer damit in Reihe geschalteten Diode (14) gebildet ist, die so gepolt ist, daß sie unidirektionalen Strom aus der Gleichstrom­ quelle (8, 9) leitet.
5. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (13) von einem Feldeffekt-Transistor (FET) und einer Diode (14) gebildet ist, die anti-parallel geschaltet und so gepolt ist, daß sie Strom leitet, der aus der Primärwicklung zurück zur Gleichstromquelle fließt.
6. Stromrichter nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Quellenkondensator (24) der Reihenschaltung aus der Primärwicklung (11) und der Schalteinrichtung (13) parallel geschaltet ist.
7. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (25) mit der Schalteinrichtung (13) verbunden ist zum periodischen Durchschalten und Sperren der Schaltein­ richtung, wenn der in der Schalteinrichtung fließende Strom durch null geht.
8. Stromrichter nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) mit dem Gleichspannungs-Ausgangsfilter (17) verbunden ist zum Regeln der Ausgangsspannung des Stromrichters in Abhängigkeit von einer Sollspannung durch Verändern der Frequenz, mit der die Schalteinrichtung durchgeschaltet wird, damit die Ausgangsspannung mit der Sollspannung übereinstimmt.
9. Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) die Schalteinrichtung innerhalb eines Frequenzbe­ reiches von etwa 20 Kilohertz und mehr umschalten kann.
10. Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) die Schalteinrichtung innerhalb eines Frequenzbe­ reiches von etwa 600 Kilohertz und mehr umschalten kann.
11. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Resonanzdrossel (20) mit dem Resonanzkondensator (21) in Reihe geschaltet ist.
12. Gleichstromumrichter, gekennzeichnet durch
Drosselmittel zum Führen eines im wesentlichen konstanten Stromflusses, mit den Drosselmitteln verbundene Resonanzinduktivitäts­ mittel zum Führen eines Wechselstroms, Schaltmittel, die mit den Drosselmitteln in Reihe geschal­ tet sind, zum selektiven Liefern eines Stromes an die Drosselmittel und die Resonanzinduktivitätsmittel, wobei die Resonanzinduktivitätsmittel Strom an die Drossel­ mittel liefern, wenn die Schaltmittel gesperrt sind, wo­ bei die Reihenschaltung aus den Schaltmitteln und den Drosselmitteln mit einer Eingangsgleichspannung verbind­ bar sind, einen Resonanzkondensator, der mit den Resonanzinduktivi­ tätsmitteln in Reihe geschaltet ist, und einen ungesteuerten Gleichrichter, der mit den Drossel­ mitteln, den Resonanzinduktivitätsmitteln und dem Reso­ nanzkondensator in Reihe geschaltet ist, wobei der unge­ steuerte Gleichrichter so gepolt ist, daß er leitend ist, wenn der Resonanzkondensator durch Strom aufgeladen wird, der durch die Drosselmittel fließt, und daß er nicht leitend ist, wenn sich der Resonanzkondensator entlädt.
13. Stromrichter nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Reihenschaltung aus einer Filterdrossel und einem Filterkondensator dem ungesteuerten Gleichrichter parallel geschaltet ist, wo­ bei der Filterkondensator eine Ausgangsgleichspannung liefert.
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