DE4004412A1 - Dc-dc wandler - Google Patents
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- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen DC-DC Wandler.
Fig. 4 der Zeichnungen zeigt ein Schaltbild eines herkömmli
chen DC-DC Wandlers. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, bezeichnet
das Bezugszeichen 2 einen Transformator mit einer Primärwick
lung 2 a und einer Sekundärwicklung 2 b sowie einer Rückstell
wicklung 2 c. Eine DC Stromquelle 1 ist an die Primärwicklung 2 a
des Transformators 2 über ein Schaltelement 3 angeschlossen.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Rückstelldiode, die an die
Rückstellwicklung 2 c des Transformators 2 angeschlossen ist,
um eine Rückstellung des erregten Transformators 2 durchzu
führen.
Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen jeweils Gleichrichterdio
den, die an die Sekundärwicklung 2 b angeschlossen sind. Das
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Glättungsdrosselspule; das Be
zugszeichen 9 bezeichnet einen Glättungskondensator; das Be
zugszeichen 10 bezeichnet eine Last. Die Bezugszeichen 21, 22
bzw. 23 bezeichnen einen Widerstand, eine Diode bzw. einen
Kondensator, die zusammen eine Dämpfungsschaltung 24 bilden.
Die Wirkungsweise des oben beschriebenen Wandlers wird nach
stehend beschrieben. Das Schaltelement 3 wird von einer nicht
dargestellten Steuerschaltung periodisch eingeschaltet und
ausgeschaltet. Die elektrische Energie der DC Stromquelle 1
wird von der Primärwicklung 2 a des Transformators 2 zu seiner
Sekundärwicklung 2 b während der Zeit übertragen, wo das Schalt
element 3 durchgeschaltet ist. Auf der Sekundärseite wird die
Spannung von den Gleichrichterdioden 6 und 7 gleichgerichtet,
dann von der Glättungsdrosselspule 8 und dem Glättungskonden
sator 9 geglättet und schließlich der Last 10 zugeführt.
Bei dieser Art von Wandler muß der Kern des Transformators 2,
der während der Zeit erregt ist, wo das Schaltelement 3 durch
geschaltet ist, zu der Zeit zurückgestellt werden, wo das
Schaltelement 3 abgeschaltet ist. Bei der Anordnung gemäß Fig.
4 wird somit die Energie durch die Diode 4 zur DC Stromquelle
1 während der Zeit zurückgeführt, wo das Schaltelement 3 abge
schaltet ist.
Außerdem bringt eine Erhöhung der Schaltfrequenz oder eine Er
höhung der Betriebsgeschwindigkeit des Schaltelementes 3 das
Erfordernis mit sich, eine Dämpfungsschaltung 24 vorzusehen.
Die Dämpfungsschaltung 24 ist für den Zweck vorgesehen, daß
ein sicherer Betriebsbereich für das Schaltelement 3 während
der Schaltoperation gewährleistet ist und jeglicher Verlust
beim Schaltelement 3 verhindert wird.
Fig. 5 zeigt die Wellenformen zur Erläuterung des Zusammenhan
ges zwischen dem Drainstrom ID und der Source-Drain-Spannung
VSD des Schaltelementes 3 beim herkömmlichen Wandler, wobei
das Bezugszeichen E die Spannung bezeichnet, die an den Trans
formator 2 angelegt wird.
Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen. Zu dem Zeitpunkt
T 1, wo das Schaltelement 3 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet
wird, verhindert die Streuinduktivität des Transformators 2
einen schnellen Anstieg des Drainstromes ID und bewirkt ein
allmähliches Ansteigen des Drainstroms ID. Wenn zum Zeitpunkt
T 2 das Schaltelement 3 abgeschaltet wird, verhindern die Diode
22 und der Kondensator 23 ein rasches Ansteigen der Source-
Drain-Spannung VSD und bewirken ein allmähliches Ansteigen der
Source-Drain-Spannung VSD.
Auf diese Weise werden die Anstiegszeit des Drainstromes ID
und die Anstiegszeit der Source-Drain-Spannung VSD auf Zeiten
gesetzt, die länger sind als die Anstiegszeit ton des Schalt
elementes 3 bzw. die Abfallzeit toff des Schaltelementes 3, so
daß Schaltverluste verringert werden können.
Der größte Teil der Energie, der in der Streuinduktivität des
Transformators 2 zu der Zeit gespeichert ist, wo das Schalt
element 3 eingeschaltet ist, wird dem Kondensator 23 zuge
führt, wenn das Schaltelement 3 abgeschaltet wird. Ein Teil der
Energie wird jedoch vom Widerstand 21 verbraucht.
Somit nimmt der vom Widerstand 21 verursachte Verlust zu, wenn
die Schaltfrequenz des Schaltelementes 3 ansteigt, was zu
einer Verringerung der Wandlereffizienz führt. Da die Energie,
die in der Streuinduktivität des Transformators 2 gespeichert
ist, auch zunimmt, wenn die Last 10 zunimmt, wird die An
stiegszeit der Source-Drain-Spannung VSD durch eine Änderung
der Last 10 geändert, und der vom Widerstand 21 verursachte
Verlust wird ebenfalls erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen DC-DC Wandler
anzugeben, der eine Erhöhung der Schaltfrequenz sowie eine Er
höhung der Betriebsgeschwindigkeit des Schaltelementes ermög
licht, ohne daß unerwünschte Verluste auftreten.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender
Weise gelöst. Der erfindungsgemäße DC-DC Wandler weist folgen
de Komponenten und Eigenschaften auf: ein Schaltelement mit
einer Anstiegszeit ton und einer Abfallzeit toff; eine Steuer
einrichtung zur Steuerung des Schaltbetriebes des Schaltelemen
tes; einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer
Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung über ein Schaltele
ment an eine DC Stromquelle angeschlossen ist und eine Leer
laufinduktivität LM hat; eine Induktivität mit einem Indukti
vitätswert L, die mit der Sekundärwicklung des Transformators
in Reihe geschaltet ist; und einen Gleichrichter zum Gleich
richten des Ausgangssignales von der Sekundärwicklung des
Transformators, wobei der Wandler folgenden Beziehungen ge
nügt:
L < (E/ID) ton
LM < 4 toff²/f² Cl,
wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: E ist die an die
Primärwicklung angelegte Spannung; der Laststrom, der durch
den Transformator fließt, ist mit ID bezeichnet; und die Summe
aus der Streukapazität des Schaltelementes und der verteilten
Kapazität der Wicklungen des Transformators ist mit Cl be
zeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines DC-DC Wandlers;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen DC-DC Wand
lers;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wel
lenformen, die beim Betrieb der erfindungsgemäßen Aus
führungsform auftreten;
Fig. 4 ein Schaltbild eines herkömmlichen DC-DC Wandlers; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wel
lenformen, die beim Betrieb des herkömmlichen Wandlers
auftreten.
Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein
Transformator 2 weist eine Primärwicklung 2 a, eine Sekundär
wicklung 2 b und eine Rückstellwicklung 2 c auf. Eine DC Strom
quelle 1 ist über ein Schaltelement 3 an die Primärwicklung
2 a des Transformators 2 angeschlossen. Eine Steuerschaltung 11
ist an das Schaltelement 3 für die periodischen Schaltopera
tionen angeschlossen.
Eine Rückstelldiode 4 ist an die Rückstellwicklung 2 c des
Transformators 2 angeschlossen. Das eine Ende einer Induktions
spule 5 ist mit der Sekundärwicklung 2 b des Transformators 2
in Reihe geschaltet; eine Gleichrichterschaltung weist Gleich
richterdioden 6 und 7 auf, die an das andere Ende der Induk
tionsspule 5 angeschlossen sind. Eine Glättungsschaltung um
faßt eine Glättungsdrosselspule 8 und einen Glättungskondensa
tor 9 und ist an die Gleichrichterschaltung angeschlossen, wäh
rend eine Last 10 an die beiden Enden des Glättungskondensa
tors 9 angeschlossen ist.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild dieser Ausführungsform. In
Fig. 2 umfaßt eine Induktivität 31 die Induktionsspule 5 und
die Streuinduktivität des Transformators 2; eine Induktivität
32 steht für die Leerlaufinduktivität des Transformators 2.
Eine Kapazität 33 repräsentiert die Summe der Streukapazität
des Schaltelementes 3 und die verteilte Kapazität der Windun
gen des Transformators 2. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszei
chen 34 eine DC Stromquelle.
Bei dieser Ausführungsform ist die Induktivität 31 so ausge
bildet, daß sie einen Wert L hat, der größer ist als der Wert,
den man erhält, wenn man das Produkt aus der am Transformator
2 anliegenden Spannung E und der Anstiegszeit ton des Schalt
elementes 3 durch den Laststrom ID teilt, der durch den Trans
formator 2 fließt. Die Induktivität 32 hat einen Wert LM, der
größer ist als der Wert, den man erhält, indem man das Produkt
aus 4/π 2 und dem Quadrat der Abfallzeit toff des Schaltelemen
tes 3 durch den Wert Cl der Kapazität 33 dividiert. Es werden
nämlich die folgenden Relationen erhalten:
L < E ton/ID) (1)
LM < 4 toff²/π² Cl. (2)
LM < 4 toff²/π² Cl. (2)
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend un
ter Bezugnahme auf die Wellenformen in Fig. 3 näher erläutert.
Das Schaltelement 3 wird von der Steuerschaltung 11 periodisch
eingeschaltet und ausgeschaltet, und der Drainstrom oder Last
strom ID des Schaltelementes 3 wird, wenn es eingeschaltet ist,
durch die nachstehende Gleichung (3) angegeben:
ID = E t 1/L, (3)
wobei t 1 die Anstiegszeit des Drainstromes ID bezeichnet.
Aus der Gleichung (3) kann die nachstehende Gleichung (4) für
die Anstiegszeit t 1 des Drainstromes ID erhalten werden:
t 1 = ID L/E. (4)
Da die Relation (1) bei dieser Ausführungsform erfüllt ist, er
gibt sich die Beziehung (5) durch das Einsetzen der Relation
(1) in die Gleichung (4) wie folgt:
t 1 < ton. (5)
Da somit der Drainstrom ID ansteigt, nachdem das Schaltelement
3 in ausreichender Weise geöffnet hat, wird der Verlust im
Schaltelement 3 zu diesem Zeitpunkt verringert, wie sich der
Fig. 3 entnehmen läßt. In Fig. 3 bezeichnet die gestrichelte
Linie den Fall, wo t 1 = ton gilt. Wie sich aus der Relation
(1) entnehmen läßt, kann der Wert L der Induktivität 31 ver
ringert werden, wenn ein schnell arbeitendes Schaltelement 3
verwendet wird.
Während der Zeit, wo das Schaltelement 3 eingeschaltet ist,
wird die von der DC Stromquelle 1 gelieferte Energie von der
Primärwicklung 2 a zur Sekundärwicklung 2 b übertragen und der
Last 10 in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen DC-DC
Wandler gemäß Fig. 4 zugeführt.
Die Energie von der DC Stromquelle 1 wird nämlich von der Pri
märwicklung 2 a des Transformators 2 aus zur Sekundärwicklung
2 b des Transformators 2 während der Zeit übertragen, wo das
Schaltelement 3 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet ist. Das
Ausgangssignal von der Sekundärwicklung 2 b wird von der Gleich
richterschaltung gleichgerichtet, von der Glättungsschaltung
geglättet und dann der Last 10 zugeführt.
Wenn das Schaltelement 3 dann abgeschaltet wird, wird ein Re
sonanzkreis gebildet von der Leerlaufinduktivität 32 des Trans
formators 2 und der Kapazität 33, wobei die Anstiegszeit t 2
der Source-Drain-Spannung VSD des Schaltelementes 3 durch eine
viertel Periode der Resonanzfrequenz
ausgedrückt wird,
also durch die nachstehende Gleichung (6):
Da jedoch der Wert L der Induktivität 31 wegen der hohen Schalt
geschwindigkeit auf einen kleinen Wert gesetzt worden ist, kann
angenommen werden, daß der Wert L der Induktivität praktisch
keinen Einfluß hat.
Da bei dieser Ausführungsform die Relation (2) erfüllt ist,
ergibt das Einsetzen der Gleichung (6) in die Relation (2) die
nachstehende Beziehung (7):
t 2 < toff (7)
Da somit, wie in Fig. 3 dargestellt, die Source-Drain-Spannung
VSD des Schaltelementes 3 ansteigt, nachdem das Schaltelement
3 in ausreichendem Maße abgefallen ist, wird der Verlust im
Schaltelement 3 zu diesem Zeitpunkt verringert.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, werden bei dieser
Ausführungsform keine Verluste im Widerstand einer Dämpfungs
schaltung hervorgerufen, da eine derartige Dämpfungsschaltung
nicht verwendet wird; somit ist es bei der Ausführungsform ge
mäß der Erfindung möglich, eine Zunahme der Schaltfrequenz so
wie eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit des Schaltelemen
tes sowie eine Verringerung der Schaltverluste zu realisieren.
Wenn die Induktivität 32 jedoch einen extrem hohen Wert LM hat,
wird das Schaltelement 3 eingeschaltet oder durchgeschaltet
während der Rückführung der Erregungsenergie des Transformators
2 zur DC Stromquelle 1. Infolgedessen fließt ein Strom mit
einem sehr hohen Wert durch das Schaltelement 3, was zu einer
Reduzierung seiner Wandlereffizienz führt.
Dementsprechend ist es erwünscht, daß der Wert LM der Indukti
vität 32 so gewählt wird, daß er die nachstehende Relation (8)
erfüllt:
wobei tmax die maximale Zeit bezeichnet, für die das Schaltele
ment 3 abgeschaltet ist. Aus dieser Relation (8) läßt sich die
nachstehende Relation (9) für den Wert von LM entnehmen:
LM < tmax²/π² · Cl. (9)
Aus den beiden Relationen (2) und (9) läßt sich entnehmen, daß
es wünschenswert ist, den Wert LM der lnduktivität (32) so zu
wählen, daß die nachstehende Relation (10) erfüllt ist:
4 · toff²/π² · Cl < LM < tmax²/π² · Cl. (10)
Die Induktivität 31 gemäß Fig. 2 kann nur von der Streuindukti
vität des Transformators 2 gebildet werden. Das bedeutet, die
Induktionsspule 5 gemäß Fig. 1 kann entfallen. In diesem Falle
kann ein Wandler konzipiert werden, so daß der Wert L 1 der
Streuinduktivität des Transformators 2 die nachstehende Rela
tion (11) erfüllt:
L 1 < E · ton/ID. (11)
Die Streuinduktivität L 1 ist jedoch klein und hat einen vernach
lässigbaren Effekt, wenn das Schaltelement 3 abgeschaltet wird.
Claims (8)
1. DC-DC Wandler,
gekennzeichnet durch
- - ein Schaltelement (3) mit einer Anstiegszeit (ton) und einer Abfallzeit (toff);
- - eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung des Schaltbetrie bes des Schaltelementes (3);
- - einen Transformator (2) mit einer Primärwicklung (2 a) und einer Sekundärwicklung (2 b), wobei die Primärwicklung (2 a) über das Schaltelement (3) an eine DC Stromquelle (1) an geschlossen ist und eine Leerlaufinduktivität (LM) aufweist;
- - eine Induktivität mit einem Induktivitätswert (L), die mit der Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) verbunden ist; und
- - eine Gleichrichtereinrichtung (6, 7) zur Gleichrichtung des Ausgangssignals von der Sekundärwicklung (2 b) des Transfor mators (2);
wobei die folgenden Relationen in dem Wandler erfüllt sind:
L < (E/ID) ton
und
LM < 4 toff 2/π 2 Cl,
wobei angenommen ist, daß an der Primärwicklung (2 a) des Trans formators (2) die Spannung (E) anliegt, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom den Wert (ID) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Windungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.
L < (E/ID) ton
und
LM < 4 toff 2/π 2 Cl,
wobei angenommen ist, daß an der Primärwicklung (2 a) des Trans formators (2) die Spannung (E) anliegt, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom den Wert (ID) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Windungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.
2. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktivität eine Induktionsspule (5) aufweist, die
an die Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) ange
schlossen ist.
3. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktivität aus der Streuinduktivität des Transforma
tors (2) besteht.
4. DC-DC Wandler,
gekennzeichnet durch
- - ein Schaltelement (3) mit einer Anstiegszeit (ton) und einer Abfallzeit (toff);
- - eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung des Schaltbetrie bes des Schaltelementes (3);
- - einen Transformator (2) mit einer Primärwicklung (2 a) und einer Sekundärwicklung (2 b), wobei die Primärwicklung (2 a) über das Schaltelement (3) an eine DC Stromquelle (1) an geschlossen ist und eine Leerlaufinduktivität (LM) auf weist;
- - eine Induktivität mit einem Induktivitätswert (L), die mit der Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) verbunden ist; und
- - eine Gleichrichtereinrichtung (6, 7) zur Gleichrichtung des Ausgangssignals von der Sekundärwicklung (2 b) des Transfor mators (2);
wobei die folgenden Relationen in dem Wandler erfüllt sind:
L < (E/ID) ton
und
4 × toff 2/π 2 × Cl < LM < tmax 2/π 2 × Cl,
wobei die an der Primärwicklung (2 a) des Transformators (2) anliegende Spannung einen Wert (E) hat, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom mit (ID) bezeichnet ist, die maximale Zeit, für die das Schaltelement (3) abgeschaltet ist, einen Wert (tmax) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Win dungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.
L < (E/ID) ton
und
4 × toff 2/π 2 × Cl < LM < tmax 2/π 2 × Cl,
wobei die an der Primärwicklung (2 a) des Transformators (2) anliegende Spannung einen Wert (E) hat, der durch den Trans formator (2) fließende Laststrom mit (ID) bezeichnet ist, die maximale Zeit, für die das Schaltelement (3) abgeschaltet ist, einen Wert (tmax) hat, und die Summe aus der Streukapazität des Schaltelementes (3) und der verteilten Kapazität der Win dungen des Transformators (2) den Wert (Cl) hat.
5. Wandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktivität eine Induktionsspule (5) aufweist, die
an die Sekundärwicklung (2 b) des Transformators (2) ange
schlossen ist.
6. Wandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktivität aus der Streuinduktivität des Transforma
tors (2) besteht.
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