DE68906857T2

DE68906857T2 - Doppelkommutierungsleistungssperrwandler.

Info

Publication number: DE68906857T2
Application number: DE8989307946T
Authority: DE
Inventors: Alan E Brown
Original assignee: Compaq Computer Corp
Current assignee: Compaq Computer Corp
Priority date: 1988-11-04
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2009-08-05
Also published as: EP0367380A3; CA1294671C; DE68906857D1; US4870553A; EP0367380B1; EP0367380A2

Description

Diese Erfindung betrifft Leistungswandler im allgemeinen und Doppelkommutierungs-Sperrwandler im besanderen.
Moderne elektronische Systeme erfordern eine Leistungsregelung, um den Ausgang einer primären Leistungsquelle aufzubereiten. Leistungsregler liefern eine geregelte Gleichspannung aus einer primären Gleichspannungsquelle. Herkömmliche DC/DC-Wandler sind gemeinhin Gegentakt- oder Schaltregler.
Ein Sperrwandler benutzt einen Schaltregler, um Energie aus einer primären DC-Quelle zyklisch zu speichern und über einen Leistungstransformator zu einem Ausgangskreis zu übertragen. Die Primärwicklung des Leistungstransformators ist mit der primären DC-Quelle verbunden. Die Sekundärwicklung ist mit dem Ausgangskreis verbunden. Der Schaltregler öffnet und schließt abwechselnd einen Schalter, der die primäre DC- Quelle mit der Primärwicklung des Transformators verbindet. Dieser Schaltvorgang definiert einen Leistungszylus, der die primäre DC- Quelle induktiv an den Ausgangskreis koppelt.
Der Leistungszyklus des Wandlers umfaßt zwei Teile: einen primären Leitungszyklus und einen Rücklaufzyklus. Während des primären Leitungszyklusses ist der Schalter geschlossen und überträgt Energie von der primären DC-Quelle an die Primärwicklung des Leistungstransformators. Bei einem voreingestellten Leistungspegel in der Primärwicklung wird der Schalter geöffnet und der Rücklaufzyklus gestartet. Während dieses Zyklusses wird Energie durch die Sekundärwicklung in einen gleichgerichteten Ausgangskreis gekoppelt.
Die in jedem Zyklus gespeicherte Energiemenge wird durch Regelung des Schaltvorgangs gesteuert. Allgemein ausgedrückt regelt eine Impulsbreiten-Modulationsschaltung (PWM) den Schaltvorgang durch Verändern der Impulsbreite oder der "Ein-Zeit des Schalters. Oft wird in Verbindung mit der PWM-Schaltung eine Gegenkopplung der Ausgangsspannung verwendet, um die Ausgangsspannung zu regeln.
Ein Doppelkommutierungs-Sperrwandler benutzt zwei Schalter in Reihe und an entgegengesetzten Enden der Primärwicklung des Transformators.
Die Schalter sind typischerweise Hochspannungs-Transistoren, die von einem Tortreibertransformator, der direkt mit der PWM-Schaltung verbunden ist, getrieben werden. Die über den Tortreibertransformator arbeitende PWM-Schaltung bringt die Gates der Transistorschalter in den "Ein-Zustand, wodurch während des primären Leitungszyklusses Energie in der Primärwicklung gespeichert wird. Die Gates der Transistorschalter werden anschließend während des Rücklaufzyklusses in den "Aus-Zustand gebracht.
US-A-4594649 eröffnet einen Leistungssperrwandler zum Entwickeln einer geregelten Ausgabe von DC-Leistung von einer DC-Quelle. Der Wandler hat einen Leistungstransformator mit einer Primär- und Sekundärwicklung; einen ersten auf ein erstes elektrisches Signal ansprechenden Schalter, der in Reihe mit einem ersten Ende der Primärwicklung zum periodischen Verbinden der Primärwicklung mit der Quelle geschaltet ist; einen zweiten auf ein zweites elektriscnes Signal ansprechenden Schalter, der in Reihe mit einem zweiten Ende der Primärwicklung geschaltet ist, wobei beide Schalter geschlossen sind, wenn die Quelle den Transformator erregt; eine Ladungspumpenschaltung, die eine erste von den Sekundärwicklungen zum Schließen des ersten Schalters bei Beendigung der Energieübertragung einschließt; eine Ausgangsschaltung, die in der Lage ist, als Reaktion auf die Energieübertragung und einschließlich einer dritten der Sekundärwicklungen eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen; einen Impulsbreiten-Modulationssteuerkreis, der mit dem Rest der Schaltung zu synchronisieren ist, um den zweiten Schalter zu öffnen und zu schließen; und eine Steuereinrichtung zum Öffnen des zweiten Schalters, um eine Energieübertragung von der Primärwicklung einzuleiten.
Bei bekannten Wandlern, wie dem Obigen, können Sprünge in der primären DC-Quelle oder der Ausgangslast der Wandlerschaltung unerwünschte Belastungen auferlegen. Zum Beispiel kann ein Spannungsstoß in der Eingangsspannung übermaßige Energie während des primären Leitungszyklusses an die Primärwicklung übertragen. Während des anschließenden Rücklaufzyklusses kann dann die PWM-Schaltung die Transistorschalter in den "Ein"-Zustand bringen bevor die Energieübertragung an die Sekundärwicklung beendet ist. Dieser Zustand erlegt den Transistorschaltern und dem Leistungstransformator hohe Belastungsströme auf, was zu möglichen Bauteilausfällen führen kann. Dieser Zustand tritt auf, weil die PWM-Schaltung gegenüber dem genauen Zustand der Energieübertragung bei dem Leistungstransformator blind ist. Daher ist es wünschenswert, den Zustand der Energieübertragung an den Transformatorwicklungen zu überwachen, um wirksamere Schaltvorgänge zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung überwindet die oben erwähnten und andere Nachteile der herkömmlichen Technik durch Bereitstellen eines Leistungssperrwandlers gekennzeichnet durch:
einen Stromüberwacher zum Überwachen des Stroms in der Primärwicklung
eine Steuereinheit mit einer Steuerlogik, die auf einen vorgewählten Strompegel in der Primärwicklung anspricht, zum Öffnen des zweiten Schalters, um eine Energieübertragung von der Primärwicklung einzuleiten; und
eine zweite Strompumpenschaltung, einschließlich einer zweiten der Sekundärwicklungen, zum Schließen des zweiten Schalters, wenn die Energieübertragung beendet ist.
Während des primären Leitungszyklusses überwacht eine Stromfühlereinrichtung den Primärwicklungsstrom und informiert bei einem vorbestimmten Strompegel eine Steuerlogikschaltung. Diese schaltet dann den zweiten Schalter aus und zwingt den Leistungstransformator in die Rücklaufbetriebsart.
Wenn die gespeicherte Energie in der Primärwicklung erschöpft ist, pumpt die Ladungspumpenschaltung die aus dem Rücklaufzyklus gespeicherte Ladung in die Schalter. Die Schalter schalten ein und bringen den Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler zurück zu dem primären Leitungszyklus. Der gesamte Leistungszyklus ist nun vollständig und kann erneut beginnen.
Die vorerwähnten und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus einer Beschreibung der bevorzugten Ausführung ersichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
Die Zeichnungen veranschaulichen die bevorzugte Ausführung der Erfindung. Gleiche Elemente tragen darin die gleichen Verweisnummern. Inhalt der Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt einen Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler in Form eines Blockschaltbilds;
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des in der bevorzugten Ausführung der eröffneten Erfindung verwendeten Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandlers;
Fig. 3 zeigt ein Kurvendiagramm des in Fig. 2 gezeigten Schaltbilds;
Fig. 4 stellt eine alternative Gleichrichter- und Filterschaltung dar, die es dem Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler ermöglicht, mit verschiedenen Versorgungsspannungen zu arbeiten.
Fig. 5 zeigt einen bekannten Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler.
Fig. 5 zeigt einen bekannten Rücklauf-Leistungsregler 10. Eine PWM- Schaltung 200 stellt eine Tastverhältnisschaltung für einen Tortreibertransformator T21 bereit. Eine Fehlerverstärker-Rückkopplungseingangsleitung 202 zeigt der PWM-Schaltung die Abweichung der Ausgangsspannung des Leistungsreglers 10 von einer Referenz (nicht dargestellt) an. Der Strom durch eine Primärwicklung 204 des Tortreibertransformators T21 erzeugt einen Fluß, der auf ein Paar von Sekundärwicklungen 206 und 208 gekoppelt wird. Flußumkehr bei den Sekundärwicklungen 206 und 208 treibt die Gates eines Schalterpaares, das von den Transistoren Q11 und Q21 dargestellt wird. Wenn die Transistoren Q11 und Q21 leiten, baut sich ein Flug in einer Primärwicklung 210 eines Transformators T11 auf. Ein nachfolgender Impuls an den Tortreibertransformator T21 öffnet die Schalter Q11 und Q21, um den Rücklaufzyklus bei dem Transformator T11 einzuleiten. Eine Diode CR31 richtet die an der Sekundärwicklung 212 des Transformators T11 aufgebaute Spannung gleich, wobei diese durch von dem Kondensator C11 gefiltert wird. Ein Widerstand RL stellt die Last dar. Ein Stromfühlerwiderstand R11 liefert ein Signal an die PWM-Schaltung, das den Primärstrom bei Transformator T11 anzeigt. Leitung 202 und R11 zeigen dem PWM 200 an, wenn ein primärer Leitungszyklus zu beenden ist und gespeicherte Energie an die Sekundärwicklung 212 übertragen werden kann.
Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild einen Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20. Eine 110 VAC Leitung 22 liefert Eingangsleistung an eine Gleichrichter- und Filterschaltung 24. Diese liefert eine Hochspannungs-DC-Versorgung an den Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20.
Ein Leiter 26 verbindet die positive Seite der Hochspannungs-DC-Versorgung mit einer Seite eines ersten Hochspannungsschalters 28. Ein zweiter Hochspannungsschalter 32 ist über einen Leiter 33 mit der negativen Seite der Hochspannungs-DC-Versorgung verbunden. Die Primärwicklung eines Leistungstransformators 30 ist in Reihe zwischen den ersten Hochspannungsschalter 28 und den zweiten Hochspannungsschalter 32 geschaltet.
Während des primären Leitungszyklusses empfängt der Leistungstransformator 30 Strom über Hochspannungsschalter 28 und 32. Ein Stromüberwacher 34 mißt den durch die Hochspannungsschalter 32 und 28 und die Primärwicklung des Transformators 30 fließenden Strom. Der Stromüberwacher wandelt den Strom in einen Spannungspegel um und sendet den Spannungspegel an die Steuerlogikschaltung 36. Die Steuerlogikschaltung 36 beendet durch Ausschalten des zweiten Hochspannungsschalters 32 den primären Leitungszyklus, worauf ein Rücklauf- oder Leistungswandlungszyklus beginnt. Energie, die in dem Leistungstransformator 30 während des primären Leitungszyklusses gespeichert wird, wird während des Rücklaufzyklusses durch den in den Sekundärwicklungen des Leistungstransformators 30 erzeugten Strom aufgebraucht. Ein mit einer der Sekundärwicklungen verbundener Leistungsausgangsgleichrichter- und Filterkreis 38 richtet einen Hauptteil des Sekundärstroms gleich und filtert ihn.
Nach Erschöpfen des Transformatorflusses während des Rücklauf-Umwandlungszyklusses endet der Stromfluß in den Sekundärwicklungen. Die Flußerschöpfung erlaubt dem Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler, einen neuen primären Leitungszyklus zu beginnen. Diese Eigenschaft überwindet die Gefahren der Herstellung einer Verbindung mit einem aufgeladenen induktiven Kreis mit der entsprechenden Gefahr für Halbleiterbauteile.
Fig. 2 liefert eine ausführlichere Darstellung des Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandlers 20. Ein Diodenpaar CR6 und CR7 richtet die 110 VAC Netzspannung gleich. Während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung fließt Strom durch die Gleichrichterdiode CR6 und lädt einen Glättungskondensator C1 auf etwa 150 V auf. Während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung fließt Strom durch die Gleichrichterdiode CR7 und lädt einen Glättungskondensator C2 auf etwa 150 V auf. Die negative Seite des Kondensators C2 ist auf Masse gelegt. Die positive Seite des Kondensators C2 ist mit einem Leiter 40 verbunden und bleibt auf etwa 150 V. Die negative Seite des Kondensators C1 ist mit dem Leiter 40 verbunden. Die positive Seite des Kondensators C1 ist mit Leiter 26 verbunden und hat ein Potential von etwa 300 V gegenüber Masse. Die Widerstände R1 und R2 entnehmen Strom aus den Kondenstoren C1 bzw. C2.
Der Leistungstransformator 30 enthält eine Primärwicklung 46, eine erste Sekundärwicklung 48, eine zweite Sekundärwicklung 50 und eine dritte Sekundärwicklung 52. Ein Punkt 54 an einem Ende von jeder Wicklung zeigt die Polarität der Wicklungen. Zur Folgerichtigkeit wird auf das Ende einer Wicklung mit einem Punkt als das erste Ende der Wicklung und auf das entgegengesetzte Ende der Wicklung als zweites Ende der Wicklung verwiesen. Ein erstes Ende 55 der Primärwicklung 46 ist über einen Anreicherungs-MOSFET-Transistor Q1 mit der 300 V Versorgung verbunden. Ein zweites Ende 57 der Primärwicklung 46 ist über einen zweiten Anreicherungs-MOSFET-Transistor Q2 und einen Widerstand R5 mit Masse verbunden. Die Transistoren Q1 und Q2 sind die Hochspannungsschalter 28 bzw. 32 von Fig. 1.
Ein erstes Ende der ersten Sekundärwicklung 48 ist mit einem Kondensator C3 verbunden. Ein zweites Ende der ersten Sekundärwicklung ist mit der Source S von Transistor Q1 verbunden. Strom aus der 300 VDC Versorgung fließt durch einen Widerstand R3, um das Gate von Transistor Q1 zu Anfang aufzuladen. Danach wird das Gate von Q1 durch eine Schaltung gesteuert, die aus der ersten Sekundärwicklung 48, dem Kondensator C3 und einer Zenerdiade CR1 besteht.
Ein erstes Ende der zweiten Sekundärwicklung 50 ist mit einem Kondensator C4 verbunden. Ein zweites Ende der zweiten Sekundärwicklung ist mit der Source S von Transistor Q2 verbunden. Strom aus der 150 VAC Versorgung fließt durch einen Widerstand R4, um das Gate von Transistor Q2 zu Anfang aufzuladen. Danach wird das Gate von Q2 durch eine Schaltung gesteuert, die aus der zweiten Sekundärwicklung 50, dem Kondensator C4 und einer Zenerdiode CR2 besteht.
Die dritte Sekundärwicklung 52 des Transformators treibt während des Rücklaufzyklusses des Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandlers 20 Strom durch den Ausgangskreis 38. Eine Diode CR5 richtet den Ausgangsstrom gleich, der dann durch den Kondensator C5 gefiltert wird. Ein Widerstand RL stellt eine an den Leistungsausgangskreis angeschlossene Last dar.
Ein Widerstand R5 ist zwischen die Source von Transistor Q2 und Masse geschaltet. Der Widerstand R5 dient als der Stromüberwacher 34 von Fig. 1 und erzeugt eine Spannung, die dem Stromfluß durch die Primärwicklung 46 des Leistungstransformators 30 proportional ist.
Während des primären Leitungszyklusses werden die Transistoren Q1 und Q2 eingeschaltet. Zu Anfang werden die Gates der Transistoren Q1 und Q2 in positiver Richtung über die Widerstände R3 bzw. R4 aufgeladen. Wenn Q1 und Q2 zu leiten beginnen, induziert der durch die Transformatorprimärwicklung 46 fließende Strom Spannung in den Sekundärwicklungen 48, 50 und 52. Die Kondensatoren C3 und C4 übertragen diese induzierte Spannung an die Gates der Transistoren Q1 bzw. Q2. Dies erhöht die positive Ladung an den Gates und bringt die Transistoren Q1 und Q2 schnell zum vollen Leiten.
Die Zenerdioden CR1 und CR2 begrenzen die Gate-Source-Spannung der Transistoren auf etwa 15 V und bieten Überspannungsschutz zwischen Gate und Source jedes Transistors.
Wenn der Strom durch die Primärwicklung 46 zunimmt, wird über dem Widerstand R5 eine Spannung entwickelt, die repräsentativ für den Strom ist. Die Steuerlogikschaltung 36 überwacht diese Spannung. Bei einem vorbestimmten Spannungspegel schaltet die Steuerlogikschaltung 36 einen MOSFET-Transistor Q3 ein, der das Gate von Transistor Q2 nach Masse entlädt. Der Transistor Q2 schaltet aus und unterbricht den Stromweg durch die Transformatorprimärwicklung 46. Es tritt eine Flußumkehr ein, die eine Spannung von entgegengesetzter Polarität über den Wicklungen des Leistungstransformators 30 induziert. Die Kondensatoren C3 und C4 koppeln diese Spannungsumkehr an die Gates der Transistoren Q1 bzw. Q2. Die Gates der Transistoren Q1 und Q2 entladen sich schnell auf einen Diodenschwellwert-Spannungsabfall unterhalb ihrer betreffenden Sources, schalten Transistor Q1 aus und gewährleisten, dar Transistor Q2 aus bleibt. Zenerdiode CR1, die in Flußrichtung vorgespannt ist, bewahrt einen Diodenschwellwert-Spannungsabfall über dem Gate von Transistor Q1. Zenerdiode CR2, die in Flußrichtung vorgespannt ist, bewahrt einen Diodenschwellwert-Spannungsabfall über dem Gate von Transistor Q2. Klemmdioden CR3 und CR4 schützen die Transistoren Q1 bzw. Q2 vor Überschwingspannung, die auftreten kann, wenn der Primärstrom in dem Leistungstransformator 30 unterbrochen wird.
Das Abschalten der Transistoren Q1 und Q2 zwingt den Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20 in den Rücklaufzyklus.
Während des Rücklaufzyklusses wird die meiste der während des primären Leitungszyklusses gespeicherten Energie an die Leistungsausgangsschaltung 38 übertragen. Die in dem Leistungstransformator 30 gespeicherte Energie ist eine Funktion des Pegels des Primärstroms am Ende des primären Leitungszyklusses. Dieser Strom wird dann während des Rücklaufzyklusses durch den in den Sekundärwicklungen 48, 50 und 52 induzierten Strom absorbiert. Der Hauptteil dieses Stroms wird in die dritte Sekundärwicklung 52 induziert und lädt über die in Flußrichtung vorgespannte Diode CR5 den Kondensator C5 auf. Der Rest dieses Sekundärstroms wird in die erste und zweite Sekundärwicklung 48 und 50 induziert. Die erste Sekundärwicklung 48 lädt über die in Flußrichtung vorgespannte Diode CR1 den Kondensator C3 auf. Die zweite Sekundärwicklung 50 lädt über die in Flußrichtung vorgespannte Diode CR2 den Kondensator C4 auf.
Die Sekundärströme fallen als Funktion der Zeit und der gegenseitigen Induktivität der Transformatorwicklungen ab. Wenn der Sekundärstrom null erreicht, kehrt der Flug die Richtung um. Bei dieser Flußänderung tritt über allen Transformatorwicklungen eine Spannungsumkehr auf. Die Kondensatoren C3 und C4, die während des Rücklaufzyklusses Ladung aufgenommen haben, pumpen Ladung in die Gates der Transistoren Q1 bzw. Q2. Die Transistoren Q1 und Q2 schalten ein und erzwingen einen Stromaufbau in der Primärwicklung 46. Der primäre Zyklus verläuft dann unter der Kontrolle der Steuerlogikschaltung 36. Der gesamte Leistungszyklus ist nun bereit, sich zu wiederholen.
Die Steuerlogikschaltung 36 umfaßt NAND-Gatter 62, 63 und 68, einen Spannungsreferenzkreis 92, einen Spannungsvergleicher 56, den Anreicherungs-MOSFET-Transistor Q3, einen bipolaren Spannungsabtasttransistor Q4 und einen Anlaufkreis 94.
Die Steuerlogikschaltung empfängt eine geregelte DC-Versorgung von z.B. +12 V aus der 110 VAC Netzspannung.
In dem Anlaufkreis 94 ist ein erstes Ende eines Widerstands 74 mit der +12 V Versorgung verbunden. Das zweite Ende des Widerstands 74 ist mit dem ersten Ende des Kondensators 76 und der Kathode einer Diode 78 verbunden. Das zweite Ende des Kondensators 76 ist mit Masse verbunden. Beim erstmaligen Einschalten des Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandlers 20 hält der Kondensator 76 die Kathode der Diode 78 nahe bei Massepotential. Die Anode der Diode 78 hält einen Eingang 60 des NAND-Gatters 62 einen Diodenschwellwert-Spannungsabfall oberhalb Masse, die auf einer logischen null liegt. Somit wird ein Ausgang 64 des NAND-Gatters 62 auf eine logische eins herbeigeführt, das Gate des Transistors Q3 aufgeladen und der Transistor Q3 eingeschaltet. Durch Entladen des Gates von Q2 sperrt Transistor Q3 Transistor Q2, wodurch ein Stromfluß durch die Primärwindung des Leistungstransformators 30 verhindert wird.
Der Anlaufkreis 94 erlaubt der Steuerlogikschaltung 36 sich zu stabilisieren, bevor der Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20 zu arbeiten beginnt. Nach einer Zeitdauer, die durch die Zeitkonstante von Widerstand 74 und Kondensator 76 bestimmt wird, lädt sich Kondensator 76 nach der +12 V Versorgung auf, womit der Eingang 60 des NAND- Gatters 62 von dem Spannungsvergleicher 56 gesteuert werden kann.
Das erste Ende eines Widerstands 82 ist mit der +12 V Versorgung verbunden. Das zweite Ende des Widerstands 82 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 84 und dem positiven Eingang des Komparators 56 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 84 ist mit Masse verbunden. Widerstand 82 ist so gewählt, dar ein ausreichender Strom durch die Zenerdiode 84 fließen kann, um eine stabile Referenzspannung an dem positiven Eingang 88 von Komparator 56 bereitzustellen. Die Zenerspannungs-Charakteristik der Zenerdiode 84 bestimmt den Wert der Referenzspannung. Zum Ändern der Referenzspannung können Dioden mit verschiedenen Zenerwerten verwendet werden.
Während des primären Leitungszyklusses erscheint die über dem Stromüberwachungswiderstand R5 erzeugte Spannung am negativen Eingang 86 des Komparators 56. Der positive Eingang 88 des Komparators 56 hat eine Referenzspannung von z.B. 2.5 V. Wenn die überwachte Spannung über dem Widerstand R5 die Komparator-Referenzspannung übersteigt, ändert sich der Ausgang 58 des Komparators 56 zu einer logischen null. Die logische null wird an den Eingang 60 des NAND-Gatters 62 übertragen. Bei Empfang der logischen null am Eingang 60 geht der Ausgang 64 des NAND-Gatters 62 auf eine logische eins. Die logische eins am Ausgang 64 des NAND-Gatters 62 lädt das Gate 66 des Anreicherungs-MOSFET-Transistors Q3 positiv auf. Transistor Q3 schaltet ein und entlädt das Gate von Transistor Q2 nach Masse und schaltet den Transistor Q2 aus. Dies beendet den primären Leitungszyklus.
Die Wirkung des Einschaltens von Transistor Q3 in Verbindung mit der folgenden Spannungsumkehr über der zweiten Transformatorsekundärwicklung 50 legt eine Sperrspannung über die Basis-Emitter-Strecke von Transistor Q4. Transistor Q4 schaltet aus und erlaubt einem Hochziehwiderstand 72, den Kollektor von Q4 auf etwa +12 V anzuheben, wodurch eine logische eins am Eingang 95 von NAND-Gatter 68 hergestellt wird. Der Eingang 96, der mit dem Ausgang von NAND-Gatter 64 verbunden ist, ist eine logische eins. Der Ausgang Von NAND-Gatter 68 ist daher eine logische null. Der Ausgang des NAND-Gatters 68 ist mit dem Eingang 97 von NAND-Gatter 63 verbunden. Der Eingang von NAND-Gatter 63, der eine logische null ist, stellt am Ausgang von NAND-Gatter 63 eine logische eins her. Der Ausgang von NAND-Gatter 63 ist mit Eingang 70 von NAND- Gatter 62 verbunden und hält Eingang 70 auf einer logischen eins.
Das Abschalten des Transistors Q2 vermindert die Spannung über dem Widerstand R5 auf null. Der negative Eingang 86 des Komparators 56 fällt somit unter die Referenzspannung. Der Ausgang 58 des Komparators 56 kehrt zu einem logischen Eins-Pegel zurück. Dieser logische Eins-Pegel wird an den Eingang 60 von NAND-Gatter 62 übertragen. Da der Eingang 70 des NAND-Gatters 62 auf eine logische eins gesetzt wurde, geht der Ausgang 64 von NAND-Gatter 62 auf eine logische null. Das Gate von Anreicherungs-MOSFET-Transistor Q3 entlädt sich und schaltet den Transistor Q3 aus. Die logische null am Ausganng 64 von NAND- Gatter 62 ist mit dem Eingang 98 von NAND-Gatter 63 verbunden. Der Ausgang von NAND-Gatter 63 wird auf eine logische eins getrieben, wodurch eine logische eins am Eingang 70 von NAND-Gate 62 hergestellt wird. Die aus den NAND-Gattern 63, 64 und 68 gebildete logische Schaltung bleibt in einem stabilen Zustand bis der Spannungsvergleicher 56 den Spitzenstrom während des nächsten primären Leitungszyklusses ermittelt.
Zu Beginn des nächsten primären Leitungszyklusses treibt die über der zweiten Sekundärwicklung induzierte Spannung Strom durch die Basis von Transistor Q4. Transistor Q4 schaltet ein und stellt eine logische null am Eingang 95 von NAND-Gatter 68 her, womit der Ausgang von NAND- Gatter 68 auf eine logische eins getrieben wird. Ein Widerstand R6 begrenzt den Basisstrom im Transistor Q4.
Fig. 3 zeigt ein Kurvendiagramm, das die Funktion des Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandlers 20 veranschaulicht. Wellenform VR5 bezieht sich auf die Spannung über dem Widerstand R5. Wellenform Q1S zeigt die Spannung an der Source von Q1 in Bezug zu Masse usw.
Beginnend bei dem Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20 in dem primären Leitungszyklus begrenzt die Zenerdiode CR1 die Gate-Source- Spannung des Transistors Q1 auf etwa 15 V, wie bei Abschnitt 100 zu sehen ist. Die Source von Transistor Q1 liegt um einen kleinen Spannungsabfall, der von dem Ein-Widerstand von Transistor Q1 bestimmt wird, unter dem 300 VDC-Pegel und ist mit Abschnitt 104 dargestellt.
Die Zenerdiode CR2 begrenzt die Gate-Source-Spannung des Transistors Q2 auf etwa 15 V und ist durch Abschnitt 102 dargestellt. Der Drain von Transistor Q2, dargestellt durch Abschnitt 106, befindet sich, abhängig von dem Spannungsabfall über Widerstand R5 und dem Ein- Widerstand von Transistor Q2, etwas über dem Massepegel.
Die über der Primärwicklung 46 aufrechterhaltene Potentialdifferenz von etwa 300 V läßt den Strom durch die Primärwicklung des Leistungstransformators 30 nahezu linear ansteigen. Der Primärstrom durch den Widerstand R5 steigt an und erzeugt die Spannung VR5, die durch Abschnitt 108 dargestellt wird.
Ein Testpunkt TP1 ist mit dem ersten Ende der zweiten Sekundärwicklung 50 verbunden. Die Amplitude der Spannung an TP1 beträgt, wie durch Abschnitt 110 dargestellt, etwa 30 V und ist eine Funktion des Windungsverhältnisses zwischen der zweiten Sekundärwicklung 50 und der Primärwicklung 46. In Fig. 2 sind diese 30 V mit der Basis von Transistor Q4 verbunden und erfordern den Widerstand R6, um den Strom durch die Basis von Transistor Q4 zu begrenzen.
In Fig. 3 erscheint eine negative Spannung über der Diode CR5, wie durch Abschnitt 112 dargestellt wird. Die Diode CR5 ist in Sperrichtung vorgespannt und verhindert eine Stromeinleitung in den Ausgangskreis.
Wenn die Spannung VR5 den Wert der Referenzspannung, z.B. 2.5 V, erreicht, lädt die Steuerlogikschaltung 36 das Gate von Transistor Q3 auf etwa +12 V auf, wie durch Abschnitt 114 dargestellt wird. Transistor Q3 schaltet Transistor Q2 aus, wodurch der Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20 in den Rücklaufzyklus gebracht wird. Der resultierende Transformationsvorgang entlädt das Gate von Transistor Q2, begrenzt durch die in Flußrichtung vorgespannte Diode CR2, auf etwa 1 V unter Massepegel. Dieser Vorgang ist durch Linie 116 dargestellt. Das Gate von Transistor Q1 wird ähnlich auf einen negativen Wert entladen und von der in Flußrichtung vorgespannten Diode CR1 auf etwa 1 V unter Masse geclampt. Dieser Vorgang ist durch Abschnitt 118 dargestellt. Die Spannung an Testpunkt TP1 wird, dargestellt durch Abschnitt 120, etwa 18 V negativ. Der Transistor Q4 schaltet aus, wodurch die Steuerlogik bald nach dem Abfall der Spannung VR5, dargestellt durch Abschnitt 122, das Gate von Transistor Q3 entladen kann. Inzwischen wird der während des primären Leitungszyklusses erreichte Primärstrom in die Sekundärwicklungen gekoppelt. Die Diode CR5 ist in Flußrichtung auf einen Wert von kleiner 1 V vorgespannt, dargestellt durch Abschnitt 124. Die Spannung über der dritten Sekundärwicklung 52 wird auf die Primärwicklung 46 des Transformators transfomiert. Der Abschnitt 126 zeigt die Spannung der Source von Transistor Q1. Der Abschnitt 128 stellt die Spannung des Drains von Transistor Q2 dar.
Obwohl Transformator 30 drei Sekundärwicklungen hat, können weitere Sekundärwicklungen zugefügt werden, um verschiedene Leistungsausgänge mit verschiedenen Spannungs- und Stromwerten zu erzeugen.
Der Doppelkommutierungs-Leistungssperrwandler 20 kann mit in der Technik allgemein bekannten Mitteln geregelt werden. Typischerweise wird die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom mit einem Referenzwert im Ausgangskreis verglichen. Eine Abweichung zwischen dem Ausgangswert und dem Referenzwert erzeugt ein Fehlersignal. Das Fehlersignal wird verstärkt und in die Steuerlogikschaltung 36 eingeführt. Ein geeigneter Einführungspunkt wäre der negative Eingang 86 von Komparator 56. Wenn z.B. die Ausgangsspannung geregelt wird, erhöht eine Erhöhung der Ausgangsspannung die Spannung am Eingang 86 von Komparator 56. Der Komparator wird auf einen kleineren Primärstrom ansprechen. Es wird weniger Energie in dem Transformator gespeichert. Während des Rücklaufzyklusses fließt weniger Strom in den Leistungsausgangskreis, wodurch die Ausgangsspannung vermindert wird. Der Ausgangsstrom kann auf ähnliche Weise geregelt werden.
Obwohl die Hochspannungsschalter der bevorzugten Ausführung Anreicherungs-MOSFET-Transistoren sind, können andere Arten von Halbleiterschalterbautei len bei geeigneter Schaltungsänderung verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die oben beschriebene bevorzugte Ausführung hat eine 300 VDC und eine 150 VDC Versorgung. Mit der eingesetzten Brücke liefert die Schaltung 300 V und 150 V und arbeitet von einer 110 VAC Versorgung. Mit der entfernten Brücke erfordert die Schaltung etwa 220 VAC und liefert eine einzelne 300 V Versorgung. Unter Bezug auf Fig. 2 ist der Widerstand R4 das einzige Teil der Schaltung, das mit der 150 V Versorgung verbunden ist. Der Widerstand R4 kann durch Erhöhen seines Wertes mit der 300 V Versorgung verbunden werden, um einen ähnlichen Ladestrom am Gate von Transistor Q2 bereitzustellen. Andere Versorgungsspannungen können angepaßt werden, indem das Windungsverhältnis des Transformators, wie den Fachleuten bekannt ist, verändert wird.

Claims

1. Leistungssperrwandler zum Hervorbringen einer geregelten Ausgabe von Gleichstromleistung aus einer Gleichstromquelle (24). Der Leistungswandler umfaßt:

einen Leistungstransformator (30) einschließlich einer Primärwicklung (46) und Sekundärwicklungen (48,50,52);

einen ersten Schalter (Q&sub1;), der auf ein erstes elektrisches Signal anspricht, in Reihe verbunden mit einem ersten Ende der Primärwicklung zum periodischen Verbinden der Primärwicklung mit der Quelle;

einen zweiten Schalter (Q&sub2;), der auf ein zweites elektrisches Signal anspricht, in Reihe verbunden mit einem zweiten Ende der Primärwicklung, wobei beide Schalter geschlossen sind, wenn die Quelle den Transformator erregt;

einen ersten Ladungspumpenkreis (C&sub3;), einschließlich einer ersten (48) der Sekundärwicklungen, zum Schließen des ersten Schalters, wenn die Energieübertragung beendet ist;

einen Ausgabekreis, betriebsfähig als Reaktion auf die Energieübertragung und enthaltend eine dritte (52) der Sekundärwicklungen, zum Erzeugen einer Ausgangsgleichspannung; und

eine Steuereinheit (36) zum Öffnen des zweiten Schalters, um eine Energieübertragung von der Primärwicklung einzuleiten;

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Stromüberwacher (34) bereitgestellt ist, um den Strom in der Primärwicklung zu überwachen;

die Steuereinheit (36) eine Steuerlogik umfaßt, die auf einen vorgewählten Strompegel in der Primärwicklung anspricht, um den zweiten Schalter (Q&sub2;) zu öffnen; und durch

einen zweiten Ladungspumpenkreis (C&sub4;), einschließlich einer zweiten (50) der Sekundärwicklungen, zum Schließen des zweiten Schalters, wenn die Energieübertragung beendet ist.

2. Leistungswandler nach Anspruch 1, worin der Stromüberwacher (34) umfaßt

Einrichtung (R&sub5;) zum Abtasten des vorgewählten Strompegels in der Primärwicklung (46);

und worin die Steuereinheit (36) weiter umfaßt:

Einrichtung (R&sub6;) zum Abtasten einer Spannungsumkehr in der ersten oder der zweiten der Sekundärwicklungen;

eine Logikschaltung, die auf die Stromabtasteinrichtung und die Spannungsabtasteinrichtung anspricht, zum Erzeugen eines Steuersignals; und

einen Steuerschalter (Q&sub3;), der auf das Steuersignal anspricht, zum Schliefen des zweiten Schalters (Q&sub2;) über das zweite elektrische Signal.

3. Leistungswandler nach Anspruch 1 oder 2, worin der erste Schalter (Q&sub1;) und der zweite Schalter (Q&sub2;) Feldeffektransistoren sind.

4. Leistungswandler nach Anspruch 3, worin der erste Ladungspumpenkreis weiter einen Kondensator (C&sub3;) umfaßt, der mit dem Gate (G) des ersten Schalters (Q&sub1;) verbunden ist, und worin der zweite Ladungspumpenkreis weiter einen Kondensator (C&sub4;) umfaßt, der mit dem Gate (G) des zweiten Schalters (Q&sub2;) verbunden ist.

5. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin die Einrichtung zum Abtasten des vorgewählten Strompegels in der Primärwicklung ein Widerstandselement (R&sub5;) umfaßt.

6. Verfahren zum Umwandeln eines ersten Gleichspannungspegels in einen zweiten Gleichspannungspegel, umfassend die Schritte:

Bereitstellen eines ersten Gleichspannungspegels an der Primärwicklung (46) eines Rücklauftransformators (30);

Beginnen eines primären Leitungszyklusses durch Schließen eines Schalters (Q&sub1;,Q&sub2;) in Reihe mit der Primärwicklung;

Speichern von Energie in der Primärwicklung des Transformators während des primären Leitungszyklusses;

Abtasten des Stroms in der Primärwicklung des Transformators und, bei einem vorbestimmten Strompegel, Beginnen eines Rücklaufzyklusses, während dessen Energie an Sekundärwicklungen (48,50,52) des Transformators übertragen wird;

Abreichern der meisten Energie in den Sekundärwicklungen in einer Lastsekundärwicklung (52) und Anlegen des verbleibenden Teils der Energie in der Sekundärwicklung an einen Ladungspumpenkreis (C&sub3;,C&sub4;), wobei der Ladungspumpenkreis das Schliefen des Schalters (Q&sub1;,Q&sub2;) in Reihe mit der Primärwicklung steuert; und

wenn die in der Primärwicklung gespeicherte Energie im wesentlichen abgereichert ist, Schließen des Schalters, um einen anderen primären Leitungszyklus zu beginnen.

7. Geregeltes Gleichspannungsnetzteil mit einem Leistungssperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5.