DE4414677A1 - Primärgetakteter Spannungswandler, insbesondere für hohe Eingangsgleichspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen primärgetakteten Span­ nungswandler, insbesondere für hohe Eingangsgleichspannungen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Vorteile der Verwendung von Transistor-Leistungsschaltern, insbesondere MOSFETs und IGBTs bei der Verwendung als Schalt­ elemente in derartigen Spannungswandlern sind bekannt. Bei Ein­ satz jeweils eines einzelnen Schalttransistors für eine Schalt­ funktion wird der Transistor im gesperrten, nicht leitenden Schaltzustand mit einer Spannung in der Größenordnung der Ein­ gangsspannung und darüber belastet, was dementsprechend die zu­ lässige Eingangsspannung begrenzt. Um höhere Eingangspannungen zu bewältigen, ist es daher des weiteren bekannt, mehrere Tran­ sistor-Leistungsschalter für eine Schaltfunktion seriell hin­ tereinander zu schalten, wobei dann auf eine gleichmäßige Span­ nungsverteilung auf die verschiedenen Transistoren zu achten ist, um Fehlfunktionen zu verhindern. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist bereits vorgeschlagen worden, verhältnismäßig aufwendige Ansteuerschaltungen für die Transistoren vorzusehen oder parallel zur Schaltstrecke jedes Transistors einen span­ nungssymmetrierenden RC- oder RCD-Leitungszweig einzuschalten. Die letztere Maßnahme zur dynamischen Spannungssymmetrierung erfordert jedoch entsprechenden Bauelementeaufwand, hat ohmsche Verluste zur Folge und wirkt sich ungünstig auf die Schaltge­ schwindigkeit aus.

Diese bekannten Maßnahmen werden beispiels­ weise von C. Raulet et al. in einem Beitrag "MISE EN SERIE de TRANSISTORS M.O.S.F.E.T. de PUISSANCE" zur Tagung "ELECTRONIQUE DE PUISSANCE DU FUTUR, TOULOUSE, 10-12 Octobre 90" beschrieben.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines primärgetakteten Spannungswandlers der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem bei möglichst geringem schaltungstechni­ schem Aufwand eine möglichst verlustarme Spannungssymmetrierung für die Transistor-Leistungsschalter erzielt wird.

Dieses Problem wird durch einen primärgetakteten Spannungswand­ ler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Zuord­ nung jeweils einer eigenen Primärwicklung der Transformatorein­ heit zu jedem primärseitigen, einen entsprechenden Eingangs­ spannungsanteil verarbeitenden Teilsystem und deren Kopplung über die Sekundärseite gewährleisten eine selbsttätige, gleich­ mäßige, dynamische und praktisch verlustfreie Spannungsauftei­ lung auf diese Teilsysteme. Denn sobald die Spannungsaufteilung im Betrieb von einer gleichmäßigen, symmetrischen Aufteilung abweicht, steigt die Energieabgabe desjenigen Transformator­ teils, dessen Primärwicklung in einem Teilsystem mit einem er­ höhten Spannungswert liegt, an, während die Energieabgabe eines anderen Transformatorteils, dessen Primärwicklung einem Teilsy­ stem mit erniedrigter Spannung zugeordnet ist, abnimmt. Als Folge davon sinkt die Spannung im Teilsystem mit der erhöhten Spannung wieder ab, während diejenige des Teilsystems mit der erniedrigten Spannung wieder ansteigt, wodurch sich wieder eine symmetrische Spannungsaufteilung einstellt.

Die gegenseitige Kopplung der Primärwicklungen über die Sekun­ därseite kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise in einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 durch di­ rekte Kopplung an eine gemeinsame Sekundärwicklung der Trans­ formatoreinheit oder gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 dadurch, daß für jede Primärwicklung eine eigene Sekundärwick­ lung vorgesehen ist, wobei diese Sekundärwicklungen dann ge­ meinsam im Sekundärkreis liegen und auf einen gemeinsamen Last­ ausgang geschaltet sind.

Gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprü­ chen 4 und 5 kann der Spannungswandler als Vollbrücken- oder als Halbbrückenanordnung aufgebaut sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines primärgetakteten Spannungswand­ lers in einer Vollbrückenanordnung mit zwei primär­ seitigen Teilsystemen,

Fig. 2 ein Schaltbild eines primärgetakteten Spannungswand­ lers in einer Halbbrückenanordnung mit zwei primär­ seitigen Teilsystemen und einer einzigen Transforma­ tor-Sekundärwicklung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines primärgetakteten Spannungswand­ lers in einer Halbbrückenanordnung mit zwei primär­ seitigen Teilsystemen und zwei zugeordneten Transfor­ mator-Sekundärwicklungen.

Der in Fig. 1 dargestellte Wandler zur Transformation einer Eingangsgleichspannung (Ue) in eine Ausgangsgleichspannung (Ua) beinhaltet eine Transformatoreinheit, die aus zwei Primärwick­ lungen (TP1, TP2), einer Sekundärwicklung (TS) sowie einem die Primärwicklungen (TP1, TP2) mit der Sekundärwicklung (TS) mag­ netisch koppelnden Eisenkern (TE) besteht. Die beiden Primär­ wicklungen (TP1, TP2) sind dabei von identischem Aufbau. Die Sekundärwicklung (TS) befindet sich in einem Sekundärkreis (2) des Wandlers, an dessen Ausgang eine Last zur Speisung mit der Ausgangsspannung (Ua) anschließbar ist, wobei eine übliche Gleichrichterstufe (5) vorgeschaltet ist.

Die Primärseite (1) des Wandlers ist aus zwei identischen Teil­ systemen (3, 4) aufgebaut, die über einen gemeinsamen Leitungs­ zweig (11) miteinander verbunden seriell zwischen die Eingangs­ klemmen geschaltet sind. Jedem Teilsystem (3, 4) ist eine der Primärwicklungen (TP1, TP2) zugeordnet, wobei für jede Primär­ wicklung (TP1, TP2) eine Vollbrücken-Schalteranordnung aus je­ weils vier Transistor-Leistungsschaltern (S11, S12, S13, S14; S21, S22, S23, S24) vorgesehen ist. Die je vier Schalter (S11 bis S14; S21 bis S24) sind in einer derartigen Vollbrückenanordnung so positioniert, daß jeder Primärwicklungsanschluß über einen der Schalter wahlweise mit dem niedrigen bzw. hohen Eingangspo­ tential des Teilsystems (3, 4) verbindbar ist. In Betrieb wer­ den hierbei die vier Schalter (S11 bis S14; S21 bis S24) jeweils paarweise überkreuzsynchron angesteuert, z. B. gleichzeitig die Schalter (S11) und (S12), wobei die beiden Schalterpaare, z. B. (S11, S12) bzw. (S13, S14), im Gegentakt arbeiten, so daß die jeweilige Primärwicklung, z. B. (TP1), in alternierender Rich­ tung mit Strom beaufschlagt wird.

Zur Ansteuerung der Transistor-Leistungsschalter (S11 bis S24), die vorliegend durch IGBTs realisiert sind, wobei alternativ auch MOSFETs oder MCTs verwendbar sind, dient eine Steuerein­ heit (6) herkömmlichen und daher hier nicht näher beschriebenen Aufbaus. Die Steuereinheit (6) stellt ausgangsseitig vier Steu­ ersignale (7, 8, 9, 10) zur Verfügung, von denen jeweils eines einen zugehörigen Schalter des einen Teilsystems sowie den ent­ sprechenden Schalter des anderen Teilsystems ansteuert, z. B. das Signal (7) die Schalter (S11) und (S21). Jede Schalterbetä­ tigung besteht daher aus einem simultanen Schaltvorgang für zwei diagonal gegenüberliegende Schalter, z. B. (S11) und (S12), im einen Teilsystem (3) sowie für das entsprechende Schalter­ paar, z. B. die Schalter (S21) und (S22), des anderen Teilsy­ stems (4). Über den gemeinsamen Leitungszweig (11) werden mit dieser Schalteransteuerung die Transformator-Primärwicklungen (TP1, TP2) jeweils elektrisch in Reihe zwischen die Eingangs­ spannung (Ue) geschaltet, und zwar mit abwechselnder Stromrich­ tung, während sie über den gemeinsamen Transformatorkern (TE) magnetisch parallel mit der Sekundärwicklung (TS) gekoppelt sind. Die Zerlegung der Primärseite (1) in die beiden Teilsy­ steme (3, 4) bewirkt, daß sich die Spannungsbelastung für die Leistungsschalter (S11 bis S24) gegenüber einer herkömmlichen, einem der beiden Teilsysteme (3, 4) entsprechenden Vollbrücken­ anordnung etwa halbiert, da jedes Teilsystem (3, 4) anschluß­ seitig jeweils zwischen einer Eingangsklemme und dem gemeinsa­ men, mittigen Leitungszweig (11) liegt und so jeweils nur mit der halben Eingangsspannung belastet ist. Um den mittleren Lei­ tungszweig (11) auch bei abgeschaltetem Leistungsteil, d. h. bei fehlendem Energieübertrag in den Sekundärkreis (2), auf dem mittleren Potential Ue/2 zu halten, sind die Anschlußseiten je­ des Teilsystems (3, 4) zusätzlich parallel über einen Wider­ stand (R1; R2) und einen Kondensator (C1; C2) verbunden. Des weiteren ist jede Transistor-Schaltstrecke in üblicher Weise durch eine parallelgeschaltete Diode (D1 bis D8) gesichert.

Der dergestalt aufgebaute Spannungswandler leistet im Lastbe­ trieb eine selbständige Spannungssymmetrierung zwischen den beiden Teilsystemen (3, 4). Denn sobald bei ausgangsseitig an­ gekoppelter, gemeinsamer Last eine Asymmetrie in der Spannungs­ verteilung auftritt, steigt die über die Primärwicklung des die momentan höhere Spannung aufweisenden Teilsystems aufgenommene und in den Sekundärkreis (2) abgegebene Energiemenge an, wäh­ rend analog hierzu die über die andere, dem Teilsystem mit der momentan niedrigeren Spannung zugeordnete Primärwicklung aufge­ nommene und in den Sekundärkreis (2) eingespeiste Energiemenge abnimmt, was dazu führt, daß die Spannung im Teilsystem mit der momentan erhöhten Spannung wieder absinkt, während gleichzeitig die Spannung in dem Teilsystem mit der momentan niedrigeren Spannung wieder ansteigt, bis wieder die symmetrische Span­ nungsaufteilung hergestellt ist. Damit entfällt bei diesem Spannungswandler die Notwendigkeit einer verlustbehafteten Spannungssymmetrierung durch Einbringung von RC- oder RCD-Lei­ tungszweigen parallel zu den Transistor-Schaltstrecken. Durch die primärseitige Systemverdopplung und die daraus folgende Serienschaltung mehrerer Transistor-Leistungsschalter eignet sich der Spannungswandler insbesondere auch zur Wandlung hoher Eingangsspannungen von je nach verwendetem Transistortyp mehre­ ren 100V sowie auch von über 1000V. Die bei diesem Aufbau mög­ liche Verwendung von IGBTs als Schalttransistoren hat bei grö­ ßeren Leistungen den weiteren Vorteil, daß die Leitverluste nur linear und nicht quadratisch mit der Frequenz zunehmen und Mo­ dule mit einer Sperrspannung von 1600V und 300A Stromtragfähig­ keit verfügbar sind.

Die beschriebene Vorgehensweise, den Wandler mit mehreren pri­ märseitigen, gemeinsam angesteuerten Teilsystemen durch für die Teilsysteme zwar potentialmäßig getrennte, im Zeitverlauf aber identische Taktimpulse zu betreiben und die in den Teilsystemen geschaltete Spannung auf separate, zugeordnete Primärwicklungen einer Transformatoreinheit zu geben, die über die Sekundärseite gekoppelt sind, führt folglich zu den vorteilhaften Eigenschaf­ ten einer Spannungshubbegrenzung in jedem Teilsystem auf die von dem einzelnen Leistungsschalter bewältigbare Spannung, ei­ ner automatischen und praktisch verlustfreien Spannungssymme­ trierung und einer hohen Flexibilität bezüglich verschiedener Eingangsspannungen. So versteht es sich, daß der Spannungswand­ ler in modifizierten Realisierungen aus mehr als zwei gleichar­ tigen Teilsystemen aufgebaut sein kann. Außerdem versteht es sich, daß bei entsprechendem Bedarf und geringerer Eingangs­ spannung die primärseitigen Teilsysteme in einfacher Weise von Serien- auf Parallelschaltung umgruppierbar sind.

In den Fig. 2 und 3 sind zwei Gleichspannungswandler in Halb­ brückenanordnung gezeigt, deren Primärseite (15) samt des zuge­ hörigen Schalteransteuerungsteils (20 bis 24) identisch aufge­ baut ist, so daß die einzelnen Elemente mit denselben Bezugs­ zeichen markiert sind. Im einzelnen besteht dieser Primärteil (15) aus zwei gestrichelt umrahmten Teilsystemen (17, 18), die über einen gemeinsamen Leitungszweig (19) seriell zwischen die Eingangsspannung (Ue) geschaltet sind. Jedem Teilsystem (17, 18) ist eine eigene Primärwicklung (TP3, TP4) einer Transforma­ toreinheit zugeordnet. Zusammen mit der jeweiligen Primärwick­ lung (TP3, TP4) bildet jedes Teilsystem (17, 18) eine Halbbrüc­ ken-Gegentaktschaltungseinheit, indem der eine Primärwicklungs­ anschluß über jeweils einen Kondensator (C3, C4; C5, C6) und der andere Primärwicklungsanschluß über jeweils einen Transistor- Leistungsschalter (S31, S32; S41, S42) mit den Endanschlüssen des zugehörigen Teilsystems (17, 18) verbunden ist, wobei diese Endanschlüsse wiederum zum einen jeweils durch den gemeinsamen Leitungszweig (19) gebildet und zum anderen mit der einen bzw. mit der anderen Eingangsanschlußklemme verbunden sind. Zur Er­ haltung der Spannungssymmetrierung bei abgeschaltetem Lei­ stungsteil ist jedem Kondensator (C3 bis C6) wiederum ein Wi­ derstand (R3 bis R6) parallelgeschaltet, wodurch letztere eine zwischen den Eingangsklemmen liegende Spannungsteileranordnung bilden. Es versteht sich, daß zur Gewährleistung der dynami­ schen Spannungssymmetrie nicht nur die Primärwicklungen (TP3, TP4) identischen Aufbau besitzen, sondern des weiteren jeweils baugleiche Elemente für die Kondensatoren (C3 bis C6) und die Widerstände (R3 bis R6) gewählt sind, was in analoger Weise auch für das Beispiel von Fig. 1 gilt. Die Schalteransteuerung erfolgt durch vier Ausgangssignale (21 bis 24) einer Steuerein­ heit (20) derart, daß die beiden Schalter (S31, S32) bzw. (S41, S42) eines Teilsystems (17, 18) jeweils im Gegentakt und die sich entsprechenden Schalter verschiedener Teilsysteme, d. h. die Schalter (S31) und (S41) bzw. die Schalter (S32) und (S42), jeweils synchron angesteuert werden.

Bei identischem Aufbau des Primärteils (15), wie oben beschrie­ ben, unterscheiden sich die Wandler von Fig. 2 und 3 im Aufbau der Transformatoreinheit sowie des Sekundärkreises wie folgt.

Die Transformatoreinheit des Wandlers von Fig. 2 beinhaltet analog zu dem Wandler von Fig. 1 eine einzige Sekundärwicklung (TS1) und einen diese Sekundärwicklung (TS1) mit den beiden Primärwicklungen (TP3, TP4) magnetisch koppelnden Eisenkern (TE1). Der die Sekundärwicklung (TS1) beinhaltende Sekundär­ kreis (16) besitzt den für einen Gegentaktwandler in Halbbrük­ kenschaltung typischen Aufbau mit Mittenanzapfung der Sekundär­ wicklung (TS1) und den über zwei parallele Dioden (D9, D10) zu­ sammengeführten, endseitigen Sekundärwicklungsanschlüssen, de­ ren Verbindungspunkt eine Speicherinduktivität (L) nachgeschal­ tet ist, wobei parallel zum Ausgang noch ein Glättungskondensa­ tor (C7) eingeschleift ist.

Wie aus dem beschriebenen Aufbau ersichtlich ist, ergeben sich im Betrieb dieses Halbbrücken-Spannungswandlers dieselben, durch die Aufspaltung der Primärseite (15) in zwei einander­ grenzende Teilsysteme (17, 18) erzielten Vorteile einer span­ nungsmäßigen Belastungshalbierung der Leistungsschalter (S31 bis S42) und einer automatischen, verlustfreien, dynamischen Spannungssymmetrierung für die Teilsysteme (17, 18) aufgrund der elektrisch seriellen und über die Transformatoreinheit mag­ netisch parallelen Kopplung der Transformator-Primärwicklungen (TP3, TP4), wofür auf die analogen Ausführungen zum Wandler von Fig. 1 verwiesen werden kann. Auch hier ergibt sich die automa­ tische Spannungssymmetrierung dadurch, daß Abweichungen von dieser Symmetrie durch die entsprechende vermehrte bzw. vermin­ derte Energieabgabe über die Primärwicklungen (TP3, TP4) entge­ gengewirkt wird.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Modifikation des Wandlers von Fig. 2 beinhaltet die Transformatoreinheit zwei separate Transformato­ ren, wobei jeder Primärwicklung (TP3, TP4) über einen eigenen Eisenkern (TE2, TE3) eine eigene Sekundärwicklung (TS2, TS3) zugeordnet ist. Die beiden Sekundärwicklungen (TS2, TS3) sind hierbei parallel in einen ansonsten demjenigen (16) des Wand­ lers von Fig. 2 entsprechenden Sekundärkreis (25) geschaltet, wobei er die für jede Sekundärwicklung (TS2, TS3) erforderli­ chen beiden Dioden (D11 bis D14) und diesen nachgeschaltet die gemeinsame Speicherinduktivität (L) sowie parallel zum Ausgang den Glättungskondensator (C7) beinhaltet. Durch die elektrisch parallele Ankopplung der beiden getrennten Sekundärwicklungen (TS2, TS3) an den Ausgang des Sekundärkreises (25) zum Anschluß der Last wird die gemeinsame Kopplung der beiden Primärwicklun­ gen (TP3, TP4) an den gemeinsamen Lastausgang realisiert. Auch für diesen Wandler ergeben sich im Betrieb die bezüglich der Beispiele von Fig. 1 und 2 angesprochenen erfindungsspezifischen Vorteile einer Spannungsbelastungshalbierung der Transistor- Leistungsschalter sowie einer selbsttätigen Spannungssymmetrie­ rung, indem auch der schaltungstechnische Aufbau dieses Wand­ lers aufgrund der Ankopplung der Primärwicklungen (TP3, TP4) an die gemeinsame Last dafür sorgt, daß bei Spannungsasymmetrien in den beiden Teilsystemen (17, 18) und damit an den beiden Primärwicklungen (TP3, TP4) ein vermehrter Energieübertrag über die Primärwicklung mit der höheren Spannung gegenüber demjeni­ gen über die Primärwicklung mit der niedrigeren Spannung an die gemeinsame Last erfolgt, wodurch dann die erhöhte Spannung wie­ der abfällt, während die verringerte Spannung wieder ansteigt, bis die Spannungssymmetrie wieder hergestellt ist.

Es versteht sich, daß auch für den erfindungsgemäßen Wandlertyp in Halbbrückenanordnung außer den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Beispielen weitere Varianten möglich sind, beispielsweise einen primärseitigen Aufbau mit mehr als zwei gleichartigen Teilsy­ stemen. Allen erfindungsgemäßen Wandlern ist gemeinsam, daß sie durch Unterteilung der Primärseite in mehrere Teilsysteme das Vorsehen einer spannungsbelastungsmindernden Reihenschaltung von Transistor-Leistungsschaltern, z. B. in Form von MOSFETs oder IGBTs, ermöglichen, wobei eine automatische Spannungssym­ metrierung zwischen den Teilsystemen dadurch erzielt wird, daß diesen jeweils eigene Transformator-Primärwicklungen zugeordnet werden, welche über den Sekundärkreis gekoppelt sind, an den eine gemeinsame Last angeschlossen ist.

Claims (5)

1. Primärgetakteter Spannungswandler, insbesondere für hohe Eingangsgleichspannungen, mit

• - einer Transformatoreinheit (TP1, TP2; TE; TS) mit wenig­ stens einer Sekundärwicklung (TS),
• - einem die Ausgangsspannung (Ua) bereitstellenden Sekundär­ kreis (2), in den die wenigstens eine Sekundärwicklung (TS) eingeschleift ist, und
• - einem mit der Eingangsgleichspannung (Ue) beaufschlagbaren Primärkreis (1), der seriell hintereinandergeschaltete Teilsysteme (3, 4) mit jeweils wenigstens einem Transi­ stor-Leistungsschalter (S11 bis S24) zur getakteten Strom­ führung im Primärkreis beinhaltet,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Transformatoreinheit eine der Anzahl der primärseiti­ gen Teilsysteme (3, 4) entsprechende Anzahl separater Pri­ märwicklungen (TP1, TP2) aufweist, wobei
• - jedem Teilsystem (3, 4) eine Primärwicklung (TP1, TP2) zu­ geordnet ist und die Primärwicklungen (TP1, TP2) elektrisch seriell und unter Kopplung an den gemeinsamen Sekundär­ kreis (2) magnetisch parallel angeordnet sind.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine einzige Sekundärwicklung (TS) vorgesehen ist, an die alle Primärwicklungen (TP1, TP2) gekoppelt sind.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß für jede Primärwicklung (TP3, TP4) eine eigene Sekundärwicklung (TS2, TS3) vorgesehen ist, wobei die Sekundär­ wicklungen im Sekundärkreis (25) auf einen gemeinsamen Lastaus­ gang geschaltet sind.

4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wei­ ter dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vollbrückenanordnung bildet, wobei jedes primärseitige Teilsystem (3, 4) vier Tran­ sistor-Leitungsschalter (S11, S12, S13, S14; S21, S22, S23, S24) aufweist, die paarweise synchron im Gegentakt ansteuerbar sind.

5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wei­ ter dadurch gekennzeichnet, daß er eine Halbbrückenanordnung bildet, wobei jedes primärseitige Teilsystem (17, 18) zwei im Gegentakt ansteuerbare Transistor-Leistungsschalter (S31, S32; S41, S42) aufweist.