DE69111738T2 - Verlustfreier Dämpfungskreis. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dämpfungskreis, der dazu benutzt wird, die Belastung eines Schalttransistors zu reduzieren und die Cesamtwirksamkeit (den Wirkungsgrad) einer Schaltbetrieb-Stromversorgung zu erhöhen.
• Computersysteme werden immer kleiner und komplexer. Es werden Gleichstromwandler und Schaltbetrieb-Stromversorgungen benutzt, jin die Computersysteme mit Strom zu versorgen, da hohe Frequenzen kleinere und leichtere Stromversorgungs-Transformatoren und Filter-Bestandteile erfordern. Im allgemeinen wandelt eine Schaltbetrieb-Stromversorgung eine Wechselspannung in eine Gleichstrom-Quellenspannung, die mit einer Klemme der Primär- Induktivität eines Transformators verbunden ist. Die andere Klemme der Primär-Induktivität wird mit einem Schalttransistor verbunden, der einen leitenden Rückweg für den Rücklauf der Gleichstrom-Quellenspannung schafft. Der Schalttransistor steuert den Strom durch die Primär-Induktivität des Transformators. Wenn der Schalttransistor eingeschaltet wird, wird die Schaltstrecke geschlossen, so daß Strom von der Quellen- Gleichspannung durch die Primär-lnduktivität des Transformators und durch den Schalttransistor und zurück zum Rücklauf der Gleichstrom-Quellenspannung fließen kann. Wenn der Schalttransistor abgeschaltet wird, wird die Schaltstrecke geöffnet, so daß sie den Stromfluß durch den Schalttransistor und die Primär-Induktivität des Transformators unterbricht. Energie aus dem Stromfluß wird durch den Transformator auf die Sekundär- Induktivität zu der Ausgangsschaltung übertragen, welche für eine geregelte Quellenspannung am Ausgang der Stromversorgung sorgt. Eine Impulslängen-Modulationsschaltung (pulse width modulator PWM) überwacht die Ausgangsspannung durch eine Rückkoppelschaltung und erzeugt das Beaufschlagungssignal, das an die Steuerklemme des Schalttransistors angelegt wird, um ihn im erforderlichen Maße an- und abzuschalten. Das Beauf schlagungssignal ist eine Rechteckwelle, deren Frequenz durch einen internen Oszillator der PWM bestimmt wird. Wenn das Signal hoch wird, schaltet der Schalttransistor ein und läßt Strom fließen, sind wenn das Signal niedrig wird, schaltet der Schalttransistor ab. Die Zeitdauer vom Ein- bis zum Abschalten in jedem Zyklus wird als lmpulsla-nge bezeichnet. Wenn der Ausgangsspannungspegel abzufallen beginnt, erhöht die PWM-Schaltung die Länge der Einzelimpulse und schaltet dadurch den Schalttransistor in einen bestimmten Zyklus länger ein, so daß mehr Strom zu der Ausgangsschaltung übertragen werden kann, wodurch sich gegebenenfalls die Ausgangsspannung erhöht, so daß sie auf den richtigen Pegel zurückgeführt wird.
• Der Schalttransistor erfährt beim Schalten eine Belastung, da die Transformator-Induktivitäten sich jeder Stromänderung widersetzen. Wenn der Transistor abschaltet, steigt der Widerstand über dem Leitweg durch den Transistor rasch an, bis der Leitweg im wesentlichen unterbrochen wird. Wenn der Leitweg durch den Transistor unterbrochen wird, muß der Strom durch die Primär-Induktivität von dem Schalttransistor weg abgeleitet und beseitigt werden, bevor der nächste Zyklus beginnt. Eine Dämpfungsschaltung leitet den Strom von dem Schalttransistor ab und absorbiert diese außerordentliche Energie. Der Dämpfungskreis nach dem Stand der Technik leitet diesen Strom durch einen Widerstand ab, der die Energie in unerwünschte Wärme wandelt. Diese Wärmeenergie muß rasch abgeführt werden, um die Stromversorgung nicht überhitzen zu lassen. Die Widerstände und die Bestandteile, die nach dem Stand der Technik zum Ableiten der Wärmeenergie benutzt werden, verbrauchen wertvollen Raum und erhöhen die Kosten der Stromversorgung. Weiter geht die in wärme umgewandelte Energie verloren, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert wird.
• Beim Abschalten des Schalttransistors tritt eine Spannungsspitze über der Primär-Induktivität auf infolge der Streu- Induktanz von der Sekundär-Induktivität, wodurch eine Belastung für den Transistor entsteht, die den Transistor zerstören kann, wenn die Spannung seine Maximalspannung übersteigt. Ein Klemmkreis reduziert die Spitzenspannung der Spannungsspitze durch Klemmen der Spannung über der Primär-lnduktivität an den Quellen-Gleichspannungspegel. Eine Verlust-Klemme wandelt die Energie in dieser Spannungsspitze in Wärme, indem die Spannung an einen Widerstand angelegt wird. Diese zusätzliche Wärme ist unerwünscht und verringert weiter den Wirkungsgrad der Stromversorgung
• Ein Aufsatz von Milan M. Jovanovic: "Evaluation and Design of Megahertz-Frequency Off-Line zero-current-Switched Quasi-Resonant Converters" in IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS Band 4, Nr. 1, Januar 1989, New York, USA, Seiten 136-146, offenbart eine geschaltete Stromversorgung mit Dämpfungskreis.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltbetriebs- Stromversorgung geschaffen, welche umfaßt:
• Mittel, die eine Gleichspannungsquelle schaffen mit einer positiven Ausgangsklemme und einer negativen Ausgangsklemme; einen Transformator mit einer Primär-Induktivität, welche eine erste Klemme und eine zweite Klemme besitzt, und mit einer Sekundär-Induktivität mit einer ersten Klemme und einer zweiten Klemme;
• mit der ersten Klemme und der zweiten Klemme der Sekundär- Induktivität verbundenes Mittel zum Schaffen einer geregelten Ausgangsspannung;
• einen zwischen der ersten Klemme und der zweiten Klemme der Primär-lnduktivität angeschlossenen Kondensator;
• einen Metalloxid-Halbleiter/Feldeffekt-Transistor mit einer Drain-Klemme, einer Source-Klemme und einer Gate-Klemme;
• eine in Reihe zwischen der zweiten Klemme der Primär-Induktivirät und der Drain-Klemme des Transistors angeschlossene Induktivität; und
• an der geregelten Ausgangsspannung und der Gate-Klemme des Transistors angeschlossenes Mittel, um ein Steuersignal für das Gate des Transistors zum Ein- und Ausschalten des Transistors und zur Erzeugung eines Schaltbetriebes zu schaffen;
• dadurch gekennzeichnet:
• daß an der Source-Klemme des Transistors ein Mittel zum Überwachen des Stromes durch die Primär-Induktivität angeschlossen ist;
• daß das Steuersignal-Schaffungsmittel auch an dem Mittel zur Stromüberwachung durch die Primär-Induktivität angeschlossen ist; und
• daß die Frequenz des durch das Steuersignal-Schaffungsmittel geschaffenen Steuersignals eine festgelegte Frequenz ist.
• Der verlustfreie Dämpfungskreis nach der vorliegenden Erfindung reduziert die Belastung für den Schalttransistor und erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Schaltbetriebs-Stromversorgung. Er verringert auch bedeutsam die geleitete und abgestrahlte elektromagnetische Interferenz (EMI) und führt eine kleinere Energiemenge als der konventionelle Dämpfungskreis ab. Der Dämpfungskreis nach der vorliegenden Erfindung enthält einen Dämpfungs-Kondensator, der so angeschlossen ist, das er parallel zu der Primär-Induktivität des Transformators liegt, und eine getrennt gewickelte Dämpfungs-Induktivität in Reihe zwischen der Primär-Induktivität und dem Schalttransistor. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, fließt Strom durch die Primär-Induktivität und die Dämpfungs-Induktivität und der Kondensator lädt sich auf die über der Primär-Induktivität liegende Spannung auf. Wenn der Transistor abzuschalten beginnt, nimmt der Strom rasch ab, was die Spannung über der Primär-Induktivität dazu bringt, ihre Polarität umzudrehen. Der Kondensator widersetzt sich dieser plötzlichen Spannungsändejung und muß sich auf die entgegengesetzte Polarität aufladen, wodurch die Änderungsrate der Spannung über der Primär-Induktivität begrenzt wird. Das begrenzt wiederum die Anstiegsrate der Spannung beim Schalttransistor, wodurch die abgestrahlten Emissionen reduziert werden. Weiter hält der Dämpfungs-Kondensator diese Ladung, bis der nächste Zyklus beginnt und der rransistor wieder einschaltet, so daß die Ladung in die Primär-Induktivität "abgelassen" und so im Transformator gespeichert wird. Der größte Teil dieser Energie geht deshalb nicht als Wärme verloren, sondern wird an den Ausgang der Stromversorgung übertragen, wodurch deren Wirkungsgrad erhöht wird. Der Dämpfungs-Kondensator trägt auch zu den Schaltverlusten des Transistors bei, ohne selbst viel Leistung abzubauen.
• Die Dämpfungs-Induktivität absorbiert Umlaufleistung, sobald der Transistor vollständig abgeschaltet ist, wodurch geleitete Emissionen reduziert werden. Der Anteil der in der Reihen- Induktivität abgebauten Leistung ist relativ gering, und so wird wenig Wärme abgeführt. Wenn der Schalttransistor sich wieder einzuschalten beginnt, stellt die Dämpfungs-Induktivität anfangs eine hohe Impedanz dar, da kein Strom durch sie hindurchfließt. Diese Impedanz erhöht die Zeitdauer, die der Transistor zum Einschalten braucht, wodurch wiederum EMI reduziert wird, bis die Reihen-Induktivität in Sättigung geht. Die Dämpfungs-Induktivität verhindert auch, daß der Transistor die Dämpfungs-Kapazität zum Rücklauf der Gleich-Quellenspannung kurzschließt, wenn der Transistor eingeschaltet wird.
• Der verlustlose Klemmkreis besteht aus einer Diode und einer auf den gleichen Kern gewickelten jedoch außer Phase mit der Primär-Induktivität des Transformators gekoppelten Induktivitäte Die Diode und die gekoppelte Induktivität sind in Reihe zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Rücklauf geschaltet. Während der Transistor eingeschaltet ist, spannt die über die gekoppelte Induktivität induzierte Spannung die Diode in Sperr- Richtung vor und verhindert einen Stromfluß durch den Klemmkreis. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, kehrt sich die Polarität der gekoppelten Induktivität um, wodurch die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und Strom durch den Klemmkreis fließen kann. Die Spannung über der gekoppelten Induktivität wird an die Quellen-Gleichspannung minus Durchlaßspannung der Diode geklemmt. Die Primär-Induktivität wird in gleicher Weise an die Quellen-Gleichspannung geklemmt, da die Induktivitäten gekoppelt sind. Von der Streu-Induktivität von der Sekundärseite erzeugte etwaige Spannung wird verringert und die Energie wird durch die Quellen-Gleichspannungsversorgung absorbiert. Diese Energie wird deswegen nicht in einen Widerstand abgeleitet und in unerwünschte Wärme gewandelt, sondern zur Wiederverwendung zur Gleichstromquelle zurückgeführt. Das erhöht den Wirkungsgrad der Stromversorgung, da Energie gespart und nicht als Wärme abgeführt wird.
• Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen in Betracht gezogen wird, in welchen:
• Fig 1 ein Schema-Schaltbild einer Schaltbetriebs-Stromversorgung ist mit Benutzung eines Rücklaufwandlers und der Dämpfungsschaltung nach der vorliegenden Erfindung; und
• Fig. 2 ein schematisches Schaltbild ist, das den Dämpfungskreis nach dem Stand der Technik wie auch einen verlustbehafteten Klemmkreis zeigt.
• Fig. 1 ist ein Schemaschaltbild einer Schaltbetriebs-Stromversorgung mit Benutzung eines Rücklaufwandlers und der Dämpfungsschaltung nach der vorliegenden Erfindung. Eine Wechselstromquelle 20 ist an einem Eingangs-EMI-Filter 22 angeschlossen, dessen Ausgänge über einen Vollwellen-Brückengleichrichter 24 angeschlossen sind. Die positive Seite des Ausgangs des Vollwellen-Gleichrichters wird als VDC bezeichnet und bringt die Quellen-Gleichspannung der Schaltbetriebs-Stromversorgung, und die negative oder Rücklaufseite des Ausgangs der Brücke 24 wird als GEMEINSAMER STROMANSCHLUSS bezeichnet. Ein Kondensator 26 ist ein Filterkondensator für die Gleichspannungsquelle VDC und ist zwischen VDC und GEMEINSAMER STROMANSCHLUSS angeschlossen. Die mit Punkt versehene Endklemme 30 einer Primär-Induktivität 32 eines Transformators 34 ist mit vDC verbunden und die gegenüberliegende Klemme 36 der Primär-Induktivität 32 ist mit einer Seite einer Dämpfungskreisspule 38 verbunden. Die andere Seite der Dämpfungskreisspule 38 ist mit der Eingangsklemme 40 des Schalttransistors 42 verbunden, und die Ausgangsklemme 44 des Transistors 42 ist an einer Seite des Stromerfassungs- Widerstandes 48 angeschlossen. Die andere Seite des Stromerfassungs-Widerstandes 48 ist mit einer als GEMEINSAME STEUERUNG bezeichneten Leitung verbunden. Vorzugsweise ist der Schalttransistor 42 ein MOSFET, um eine Vereinfachung der Steuerschaltung und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Stromversorgung zu ermöglichen.
• Wenn der Schalttransistor 42 eingeschaltet ist, fließt Strom von VDC durch die Primär-Induktivität 32, durch die Dämpfungskreisspule 38, durch den Schalttransistor 42 und schließlich durch den Stromerfassungs-Widerstand 48 zu GEMEINSAME STEUE- RUNG. Die Energie dieses Stromflusses durch die Primär-Induktivität 32 wird während der Zeit, in der der Transistor 42 eingeschaltet ist, im Kern 50 des Transformators 34 gespeichert. Wenn Strom durch die Primär-Induktivität 32 fließt, wird die darüber liegende Spannung an der mit Punkt versehenen Klemme positiv erfaßt und, da die Primär-Induktivität 32 und eine Koppel-Induktivität 54 um den gleichen Kern 50 des Transformators 34 gewickelt sind, tritt eine Spannung über der Koppel-Induktivität 54 auf, die an deren mit Punkt versehener Klemme 52 positiv erfaßt wird. Die mit Punkt versehene Klemme 52 der Koppel-Induktivität 54 ist an der Katode einer Diode 58 angeschlossen und die andere Klemme 56 der Koppel-Induktivität 54 ist an VDC angeschlossen. Die Anode der Diode 58 ist an GEMEINSAMER STROMANSCHLUSS angeschlossen. Da die über der Koppel-Induktivität 54 auftretende Spannung an deren mit Punkt versehenen Klemme 52 positiv erfaßt wird, ist die Diode 58 in Sperr-Richtung vorgespannt, so daß kein Strom durch die Koppel- Induktivität 54 fließt, während der Transistor 42 an ist. In gleichartiger Weise erscheinen proportionale Spannungen über den sekundären Induktivitäten 60 und 62 des Transformators 34, die an den jeweiligen mit Punkt versehenen Klemmen 64 bzw. 66 positiv erfaßt werden.
• Die gegenüberliegende Klemme 68 der sekundären Induktivität 60 ist an der Anode einer Diode 72 und die gegenüberliegende Klemme 70 der sekundären Induktivität 62 an der Anode einer Diode 74 angeschlossen. Die Katoden der Dioden 72 und 74 sind zusammengeschlossen und dieses Signal ist die als VOUT bezeichnete Ausgangsspannung. Ein Kondensator 76 ist parallel zur Diode 72 geschaltet und ein Kondensator 78 parallel zur Diode 74, und diese Kondensatoren 76 und 78 schaffen EMI-Reduzierung. Die mit Punkt versehene Klemme 64 der Induktivität 60 und die mit Punkt versehene Klemme 66 der Induktivität 62 sind miteinander verbunden, und dieses Signal wird als GEMEINSAMER AUSGANG bezeichnet. Ein Ausgangsfilter 80 ist zwischen VOUT und GEMEIN- SAMER AUSGANG angeschlossen und sorgt für eine Filterung der Ausgangsspannung der Stromversorgung.
• Während der Transistor 42 an ist, spannen die über den sekundären Induktivitäten 60 und 62 auftretenden Spannungen, die an den mit Punkt versehenen Klemmen 64 und 62 jeweils positiv erfaßt werden, die Dioden 72 bzw. 74 in Sperr-Richtung vor, so daß kein Strom durch die Induktivitäten 60 und 62 fließt. Wenn der Transistor 42 abzuschalten beginnt, erhöht sich der Widerstand zwischen seiner Eingangsklemme 40 und Ausgangsklemme 44 dramatisch, was dem Stromfluß durch die Primär-Induktivität 32 widersteht und diesen Strom rasch abnehmen läßt. Da die über einer Induktivität liegende Spannung proportional zur Änderung des durchfließenden Stromes ist, kehrt die Spannung über der Primär-Induktivität ihre Polarität um, so daß die Spannung an ihrer mit Punkt versehenen Klemme 30 negativ erfaßt wird. Die Spannung über der gekoppelten Induktivität 54 wird so auf die Spannung zwischen VDC und GEMEINSAMER STROMANSCHLUSS minus Spannungsabfall über der Diode 58 geklemmt. Da die Primär- Induktivität 32 mit der Koppel-Induktivität 54 gekoppelt ist, ist auch die Primär-Induktivität 32 an die Spannung VDC minus Spannungsabfall über der Diode 58 geklemmt. Die durch die Streu-Induktivität von den sekundären Induktivitäten 60 und 62 während des Transistor-Schaltvorgangs erzeugte Spannungsspitze wird deswegen durch die durch die Diode 58 und die Koppel- Induktivität 54 gebildete Klemmspannung reduziert. Diese Energie wird zu der VDC-Stromversorgung übertragen und dort absorbiert. Das erhöht den Wirkungsgrad der Stromversorgung, da diese Energie nicht durch Wärmeabfuhr an einem Widerstand verlorengeht, wie in der Besprechung der Fig. 2 erklärt wird. Diese Spannungsspitze würde sonst die Spannung an der Eingangsklemme 40 des Transistors 42 erhöhen und möglicherweise den maximalen Spannungswert des Transistors 42 überschreiten.
• Da die Sekundär-Induktivitäten 60 und 62 mit der Primär-Induk- tivität 32 gekoppelt sind, kehren die Spannungen über den Sekundär-Induktivitäten 60 und 62 auch ihre Polaritäten um, wenn der Schalttransistor 42 abschaltet, so daß diese an ihren jeweiligen mit Punkt versehenen Klemmen 64 bzw. 66 negativ erfaßt und die Dioden 72 und 74 in Durchlaßrichtung vorgespannt werden und ein Stromfluß durch die Sekundär-Induktivitäten 60 und 62 durch die Dioden 72 und 74 nach VOUT zugelassen wird. Deshalb wird, während der Schalttransistor 42 abgeschaltet ist, die in dem Kern 50 des Transformators 34 gespeicherte Energie zu dem Ausgang der Schaltbetriebs-Stromversorgung übertragen.
• In gleicher Weise kehrt die Spannung über der Koppel-Induktivität 54 ihre Polarität um, wenn der Schalttransistor 42 abschaltet, so daß sie an deren mit Punkt versehenen Klemme 52 negativ erfaßt wird. Die Diode 48 wird dann in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch ein Stromfluß durch sie und die Induktivität 54 zugelassen wird.
• Die Ausgangs spannung zwischen VOUT und GEMEINSAMER AUSGANG wird einem Rückkoppelkreis 82 eingegeben, der die Ausgangsspannung in einen proportionalen Strom wandelt. Der Rückkoppelkreis liefert diesen Strom zur Anode der internen lichtemittierenden Diode (LED) 86 eines Optokopplers 84. Die Katode der LED 86 ist mit der Rückleitung des Rückkoppelkreises 82 verbunden. Der Optokoppler 84 isoliert die Ausgangsschaltung von den Schaltfreguenzen einer in der Stromversorgung enthaltenen Impulslängen-Modulationssteuerung (PWM) 94 und ergibt eine Isolation gegen Erde. Die PWM 94 schafft die in einer Schaltbetriebs- Stromversorgung notwendigen Steuerfähigkeiten, die in erster Linie auf die Aktivierung des Schalttransistors 42 zum Schaffen der richtigen Ausgangsspannung bezogen sind. Die Merkmale und der Betrieb der PWM 42 werden als dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt angesehen und werden hier zur Klarstellung der vorliegenden Erfindung besprochen. Die Verwendung von alternativen PWM-Techniken und -Steuerungen werden vom Fachmann leicht erkannt und verstanden und können stattdessen bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Die Eingangs- oder Kollektorklemme 90 des internen Transistors 88 des Optokopplers 84 ist an VREF oder den Bezugsspannungsausgang der PWM 94 angeschlossen. Der Ausgang oder Emitter 92 des Transistors 88 ist an VFB oder den Spannungs-Rückkoppeleingang der PWM 94 angeschlossen. Ein Widerstand 93 ist zwischen dem Eingang VFB der PWM 94 und GEMEINSAME STEUERUNG angeschlossen. Wenn Strom durch die LED 86 fließt, aktiviert er den Transistor 88, der eine Spannung über den Widerstand 93 aufbaut, die proportional zur Ausgangsspannung VOUT ist. Die PWM 94 besitzt einen internen Komparator, der die VREF-Spannung mit der an dem VFB-Eingang der PWM 94 auftretenden proportionalen Spannung vergleicht, so daß der PWM 94 VOUT überwachen und die erforderliche Impulslänge bestimmen kann. Bei der bevorzugten Ausführung beträgt VREF 2,5 V. Ein Filterkondensator 96 ist zwischen VREF und GEMEINSA- ME STEUERUNG angeschlossen.
• Der VCC- oder Versorgungsspannungs-Eingang der PWM 94 ist mit einer Seite des Widerstandes 98 verbunden, und die andere Seite des Widerstandes 98 ist mit der Gleichstrom-Quellenspannung VDC verbunden. VDC liefert bei den Anfangs- oder Anlaßstufen der Stromversorgung Strom zu der PWM 94. Die mit Punkt versehene Klemme 104 einer weiteren Induktivität 102 des Transformators 34 ist mit GEMEINSAME STEUERUNG verbunden und die gegenüberliegende Klemme 106 der Induktivität 102 ist mit einer Seite eines Widerstandes 108 verbunden. Die andere Seite des Widerstandes 108 ist mit der Anode einer Diode 110 verbunden, und die Katode der Diode 110 ist mit dem VCC-Eingang der PWM 94 verbunden. Sobald die Stromversorgung normal zu arbeiten beginnt, liefert der Transformator 34 durch die Induktivität 102 Leistung zur PWM 94. Die Diode 110 ist ein Halbwellen- Gleichrichter, damit keine negative Spannung die PWM 94 erreicht. Ein Kondensator 112 ist zwischen der VCC und den Erdeingängen GND der PWM 94 angeschlossen, um die Versorgungsspannung für die PWM 94 zu filtern und den Ansteuerstrom für den Transistor 42 zu liefern. Der GND-Eingang der PWM 94 ist mit GEMEINSAME STEUERUNG verbunden. Die Anode einer Zenerdiode 114 ist mit dem GND-Eingang der PWM 94 verbunden, und die Katode ist mit der VCC der PWM 94 verbunden, um Hochspannungsschutz für die PWM 94 zu schaffen.
• Ein Widerstand 116 ist zwischen den Eingängen VREF und RT/CT des PWM 94 angeschlossen, und ein Kondensator 118 ist zwischen den Eingängen GND und RT/CT der PWM 94 angeschlossen. Der Widerstand 116 und der Kondensator 118 bestimmen die Frequenz der Aktivierungs-Ausgangsrechteckwelle der PWM 94. Ein Widerstand 120 ist zwischen dem Ausgang der PWM 94 und der Steuerklemme 46, bei der bevorzugten Ausführung dem Gate, des Schalttransistors 42, angeschlossen. Ein weiterer Widerstand 122 ist zwischen der Steuerklemme 46 des Transistors 42 und GEMEINSAME STEUERUNG angeschlossen, um falsche Einschalt-Impulse während des Anlauf zustandes zu verhindern. Wenn das Rechteckwellen- Ausgangsignal der PWM 94 hoch ist, wird die Spannung durch die Widerstände 120 und 122 für die Steuerklemme 46 des Transistors 42 geteilt (herabgesetzt), durch die der Transistor 42 angeschaltet wird. Wenn das Ausgangssignal der PWM tief ist, wird der Transistor 42 abgeschaltet.
• Die Anode einer Diode 136 ist mit dem Ausgang der PWM 94 und die Katode der Diode 136 mit dem VCC-Eingang der PWM 94 verbunden. Die Diode 136 schützt die PWM 94 durch Klemmen des Ausgangs der PWM 94 mit dem VCC-Eingang. Wenn auf diese Weise der Schalttransistor 42 kurzgeschlossen wird, steigt die Ausgangsspannung des PWM 94 nicht über die VCC-Eingangsspannung der PWM 94.
• Die Anode einer Diode 138 ist mit der mit Punkt versehenen Klemme 104 der Induktivität 102 verbunden und die Katode der Diode 138 mit dem Ausgang der PWM 94. Die Diode 138 schützt die PWM 94 indem sie nicht zuläßt, daß die Ausgangsspannung am Steuerausgang der PWM 94 unter den Pegel der GEMEINSAMEN STEUERUNG absinkt. Eine Zenerdiode 140 ist mit ihrer Anode an der GEMEINSAMEN STROMVERSORGUNG angeschlossen und mit ihrer Katode an der Ausgangsklemme 44 des Transistors 42, und sie wirkt auch zum Schutz der PWM 94.
• Ein Widerstand 126 ist mit ISENSE oder dem Strombegrenz-Erfassungseingang der PWM 94 verbunden, und die andere Seite des Widerstandes 126 mit einer Seite eines Widerstandes 124. Die andere Seite des Widerstandes 124 ist mit der Ausgangsklemme 44 des Transistors 42 verbunden. Ein Widerstand 132 und ein Widerstand 134 sind Stromversorgungs-Abgleichwiderstände, die parallel zwischen dem ISENSE-Eingang der PWM 94 und GEMEINSAME STEUERUNG liegen. Ein Widerstand 133 ist zwischen dem ISENSE- Eingang und dem VREF-Eingang angeschlossen. Die Widerstände 132, 133 und 134 sind auf genaue Werte so abgeglichen, daß die Spannung am ISENSE-Eingang der PWM 94 sehr präzise ist. Wenn der Transistor 42 eingeschaltet wird, fließt Strom durch den Flühlerwiderstand 48 und richtet dabei eine Spannung über den Stromfühlerwiderstand 48 ein, der am ISENSE-Eingang der PWM 94 durch den mit den Widerständen 126, 124, 132 und 134 gebildeten Spannungsteiler erfaßt wird. Die PWM 94 überwacht so den durch die Primär-Induktivität fließenden Strom am ISENSE-Eingang. denn der Strombedarf zu hoch wird, kann die PWM 94 die Impulsiänge begrenzen, um einen Schaden bei der Stromversorgung zu verhindern.
• Eine Seite eines Kondensators 128 ist mit der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 126 und 124 verbunden, und die andere Seite des Kondensators 128 mit GEMEINSAME STEUERUNG. Ein anderer Kondensator 130 ist parallel zum Fühlerwiderstand 48 angeschlossen. Der Kondensator 128 und der Kondensator 130 sind Filterkondensatoren für den ISENSE-Eingang der PWM 94.
• Ein Widerstand 100 ist zwischen der Quellen-Gleichspannung VDC und der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 126 und 124 angeschlossen. Der Widerstand 100 dient als Vorwärtseinspeiseausgleich in der Weise, daß bei einer Änderung von VDC die Stromfühler-Überwachung der PWM 94 am ISENSE-Eingang sich zur Entgegenwirkung dieser Änderungen im VDC ändert. Wenn beispielsweise die Spannung der Wechselspannungsquelle 20 kleiner als normal ist, so daß VDC entsprechend abgesenkt wird, wird auch die ISENSE-Spannung abgesenkt und die PWM 94 erhöht die Impulslänge, um diesem Niedrigspannungszustand entgegenzuwirken.
• Ein Kondensator 142 und ein Widerstand 144 sind zwischen dem VFB- und dem COMP- oder Kompensations-Eingängen der PWM 94 angeschlossen. Der Widerstand 144 und der Kondensator 142 schaffen eine Gegenkopplung für einen internen Fehlerverstärker in der PWM 94, um Ausgleich für die am VFB-Eingang der PWM 94 erfaßten Spannungs-Rückkoppelschleife zu schaffen.
• Wie vorher erklärt, schafft der ISENSE-Eingang der PWM 94 eine Strombegrenzung in der Weise, daß die PWM 94 die Impulslänge begrenzen kann, wenn zu viel Strom am Ausgang der Stromversorgung angefordert wird. Die Filterkondensatoren 130 und 128 bremsen diese Rückkoppelschleife so ab, daß bei einem Kurzschluß des Ausgangs die Stromversorgung beschädigt würde, wenn nicht eine schnellere Weise vorgesehen wäre, die PWM 94 abzuschalten. Eine Diode 146, ein NPN-Transistor 148, ein Widerstand 150, ein Widerstand 154 und ein Kondensator 152 schaffen die notwendigen Mittel zum Erfassen dieser Überstromsituation und schalten die PWM 94 rasch ab. Der OOMP-Eingang der PWM 94 ist an der Anode der Diode 146 angeschlossen und die Katode der Diode 146 ist mit dem Kollektor des Transistors 148 verbunden. Der Emitter des Transistors 148 ist mit GEMEINSAME STROMVER- SORGUNG verbunden. Der Widerstand 124 ist zwischen GEMEINSAME STROMVERSORGUNG und GEMEINSAME STEUERUNG angeschlossen und der Widerstand 150 ist zwischen GEMEINSAME STROMVERSORGUNG und der Basis des Transistors 148 angeschlossen. Eine Seite des Kondensators 152 ist mit der Basis des Transistors 148 verbunden und die andere Seite des Kondensators 152 mit GEMEINSAME STROM- VERSORGUNG. Wenn der Schalttransistor 42 an ist, fließt Strom durch den Stromfühlerwiderstand 48 und auch durch den Widerstand 154 zurück zu GEMEINSAME STROMVERSORGUNG, was das Rückkehrsignal für den Vollwellen-Gleichrichter 24 ergibt. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die über dem Widerstand 154 auftretende Spannung niedrig und so ist die Spannung über dem Kondensator 152, die an der Basis des Transistors 148 erscheint, niedrig, und der Transistor 148 wird in den Schließzustand vorgespannt. Falls der Strombedarf plötzlich ansteigt, erhöht sich die Spannung über dem Widerstand 154 und schaltet den Transistor 148 an, und das klemmt den COMP-Eingang der PWM 94 auf GEMEINSAME STROMVERSORGUNG plus die Durchlaßvorspannung der Diode 146, wodurch das Impulsausgangssignal der PWM 94 nach unten gefahren wird.
• Der Dämpfungskreis 158 nach der vorliegenden Erfindung enthält den Kondensator 156 und die Induktivität 38. Der Kondensator ist zwischen der mit Punkt versehenen Klemme 30 und der gegenüberliegenden Klemme 36 der Primär-Induktivität 32 so verbunden, daß der Kondensator 156 parallel zur Primär-Induktivität 32 sitzt. Um den Dämpfungskreis nach der vorliegenden Erfindung richtig einzuschätzen, wurde die Fig. 2 vorgesehen, die ein Schema-Schaltbild des Primärkreises einer geschalteten Stromversorgung ist, die den verlustbehafteten Dämpfungskreis und den verlustreichen Dämpfungskreis nach dem Stand der Technik benutzt. Nach Fig. 2 wurde die Quellen-Gleichspannung VDC zu Erklärungszwecken durch eine Batterie 200 ersetzt. Die positive Seite der Batterie 200 ist mit der mit Punkt versehenen Klemme 202 einer Primär-Induktivität eines Transformators 206 verbunden, und die gegenüberliegende Klemme 208 der Primär-Induktivität 204 ist mit der Drain-Klemme 210 eines MOSFET-Transistors 212 verbunden. Die Source-Klemme 214 des MOSFET-Transistors 212 ist mit dem Stromfühler-Widerstand 216 verbunden. Die andere Seite des Stromfühlers 216 ist mit der negativen Klemme der Batterie 200 verbunden.
• Der MOSFET-Transistor 212 wird eingeschaltet durch Anlegen einer hohen Spannung an die Gate-Klemme 218 des MOSFET-Transistors 212 und wird ausgeschaltet durch Anlegen einer niedrigen Spannung an die Gate-Klemme 218. Eine PWM-Schaltung, die eine PNN-Steuerung gleichartig der PWM 94 nach Fig. 1 benutzt, wird dann an das Gate 218 des Transistors 212 angeschlossen und zum Steuern der Einschalt/Ausschalt-Zyklen benutzt. Wenn der Transistor 212 eingeschaltet ist, fließt Strom durch die Primär-Induktivität 204 des Transformators 206, durch den Transistor 212 und durch den Stromfühler-Widerstand 216 in der gleichen Weise, wie anhand der Fig. 1 erklärt wurde. Wiederum wird die Energie in dem Transformator 206 gespeichert, während der Transistor 212 im Rücklaufbetrieb eingeschaltet ist. Der Klemmkreis C besteht aus einer Diode 222, einem Kondensator 224 und einem Klemm-Widerstand 226. Die Anode der Diode 222 ist mit der Drain-Klemme des MOSFET-Transistors 212 und die Katode der Diode 222 mit dem einen Ende des Kondensators 224 und dem einen Ende des Klernm-Widerstandes 226 verbunden. Die anderen Seiten des Kondensators 224 und des Klemm-Widerstandes 226 sind mit der positiven Klemme der Batterie 200 verbunden. Der verlustreiche Klemmkreis funktioniert in gleichartiger Weise wie der verlustarme Klemmkreis. Wenn der MOSFET-Transistor 212 eingeschaltet ist, fließt Strom durch die Primär-Induktivität 204, und es baut sich über ihr eine Spannung auf. Diese Spannung wird an der mit Punkt versehenen Klemme 202 positiv erfaßt, so daß die Diode 222 in Sperr-Richtung vorgespannt ist. Deswegen fließt kein Strom durch den Klemmkreis, während der MOSFET- Transistor eingeschaltet ist. Wenn der MOSFET-Transistor abschaltet, steigt die Spannung an der Drain-Klemme 210 und, wenn diese Spannung höher als die Spannung VDC wird, wird die Diode 222 in Durchlaßrichtung vorgespannt und schaltet ein, wodurch sie die Drain-Klemme 210 an den VDC-Spannungspegel klemmt. Üblicherweise tritt eine durch die Streu-Induktivität von der sekundären Induktivität 220 verursachte Spannungsspitze an der Klemme 208 der Primär-Induktivität 204 auf, wodurch der MOSFET-Transistor 212 beschädigt werden kann. Es ist einzusehen, daß die Spannungsspitze die Diode 222 in Durchlaßrichtung vorspannt und ein großer Teil dieser Energie wird dann als Wärme durch den Klemm-Widerstand 226 abgeführt.
• Der Dämpfungskreis S nach dem Stand der Technik besteht aus einem Kondensator 228, einem Dämpfungs-Widerstand 230 und einer Diode 232. Eine Seite des Kondensators 228 ist an der Drain- Klemme 210 des MOSFET-Transistors 212 und die andere Seite des Kondensators 226 an einer Seite des Widerstandes 230 und der Anode der Diode 232 angeschlossen. Die andere Seite des Dämpungs-Widerstandes 230 und die Katode der Diode 232 sind an der idositiven Klemme der Batterie 200 angeschlossen. Wenn Strom durch die Primär-Induktivität 204 fließt, wird die Diode 230 des Dämpfungskreises S abgeschaltet, so daß kein Strom durch den Dämpfungskreis S fließen kann. Wenn der MOSFET-Transistor 212 abzuschalten beginnt, kehrt sich die Polaritat der Spannung über der Primär-Induktivität 204 um, wie vorher beschrieben, wodurch die Diode 232 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und Strom durch die Primär-Induktivität 204 fließen läßt zum Ablenken von dem MOSFET-Transistor 212 durch den Kondensator 228 und durch den Dämpfungs-Widerstand 230 und die Diode 232. Es wird eingesehen werden, daß diese Energie durch den Dämpfungs-Widerstand 230 absorbiert und in Wärme gewandelt wird.
• Der Dämpfungskreis 158 nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig 1 gezeigt und wird nun mit mehr Einzelheiten beschrieben, so daß die Erfindung vollständig erkannt werden kann. Mit Rückblick auf Fig. 1 wird, wenn der Schalttransistor 42 eingeschaltet wird, der Dämpfungs-Kondensator 156 sich auf die über der Primär-Induktivität 32 auf tretende, an der mit Punkt versehenen Klemme 30 positiv erfaßte Spannung aufladen. Wie vorstehend beschrieben, steigt, wenn der Schalttransistor 42 abzuschalten beginnt, sein Widerstandwert rasch an, und läßt dadurch den Strom durch die Primär-Induktivität 32 rasch abnehmen, wodurch die Spannung über der Primär-Induktivität 32 ihre Polarität umkehrt. Der Dämpfungs-Kondensator 156 widersteht dieser momentanen Spannungsänderung und muß sich auf diese entgegengesetzte Polarität aufladen. Deswegen wird ein großer Teil des Stromes von dem Schalttransistor 42 zu dem Dämpfungs-Kondensator 156 abgeleitet, was die Anstiegsrate der Spannung an der Eingangsklemme 40 des Transistors 42 begrenzt. Die elektromagnetische Störung und die davon abgestrahlten Emissionen werden deshalb verringert. Der Dämpfungs-Kondensator 156 reduziert die Belastung für den Transistor 42 durch Absorbieren eines großen Teils der Schaltverluste, die sonst durch den Schalttransistor 42 absorbiert werden müssen. Weiter hält der Dämptungs-Kondensator 156 die Ladung bis zum Beginn des nächsten Zyklus, so daß diese Ladung durch die Primär- Induktivität 32 zurückgespeist und in nutzbare Energie gewandelt wird. Es ist einzusehen, daß der Dämpfungs-Kondensator 156 sehr wenig dieser Energie in Wärme abführt, wodurch der Wirkungsgrad der Stromversorgung erhöht wird. Sobald der Transistor 42 vollständig abgeschaltet ist, absorbiert die Induktivität 38 das "Klingeln" oder die Oszillationsspannung, die sonst an der Eingangsklemme 40 des Schalttransistors 42 anliegt, so daß die geleiteten Emissionen reduziert werden. Die Größe der in der Dämpfungs-Induktivität 38 abgeführten Leistung ist ebenfalls so gering, daß sehr wenig Wärme abgeführt wird, so daß ein erhöhter Wirkungsgrad der Stromversorgung ermöglicht ist.
• Wenn der Transistor 42 wieder einzuschalten beginnt, stellt die Dämpfungs-Induktivität 38 anfangs eine hohe Impedanz dar, welche die Einschaltrate des Transistors 42 erniedrigt, bis die Induktivität 38 sättigt. Das reduziert die elektromagnetische Störung weiter. Die Dämpfungs-Induktivität 38 verhindert auch, daß der Transistor 42 den Dämpfungs-Kondensator 156 mit GEMEIN- SAME STEUERUNG kurzschließt, wenn der Transistor 42 sich wieder anzuschalten beginnt.
• Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung sind für diese darstellend und erklärend, und verschiedene Änderungen der Größe, Form, Materialien, Bestandteile, Schaltelemente, Verdrahtungs-Verbindungen, Kontakte, wie auch bei den Einzelheiten der dargestellten Schaltungen und ihres Aufbaus können riergestellt werden.

Claims (2)

1. Schaltbetriebs-Stromversorgung, welche umfaßt:

Mittel (20, 22, 24), die eine Gleichspannungsquelle schaffen mit einer positiven Ausgangsklemme (+) und einer negativen Ausgangsklemme (-);

einen Transformator (34) mit einer Primär-Induktivität (32), welche eine erste Klemme (30) und eine zweite Klemme (36) besitzt, und mit einer Sekundär-Induktivität (62) mit einer ersten Klemme (66) und einer zweiten Klemme (70);

mit der ersten Klemme und der zweiten Klemme der Sekundär- Induktivität verbundenes Mittel (80) zum Schaffen einer geregelten Ausgangsspannung (VOUT);

einen zwischen der ersten Klemme und der zweiten Klemme der Primär-Induktivität angeschlossenen Kondensator (156); einen Metalloxid-Halbleiter/Feldeffekt-Transistor (MOSFET) (42) mit einer Drain-Klemme (40), einer Source-Klemme (44) und einer Gate-Klemme (46);

eine in Reihe zwischen der zweiten Klemme (36) der Primär- Induktivität und der Drain-Klemme (40) des Transistors angeschlossene Induktivität (38); und

an der geregelten Ausgangsspannung (VOUT) und der Gate- Klemme (46) des Transistors angeschlossenes Mittel (94), um ein Steuersignal für das Gate des Transistors zum Ein- und Ausschalten des Transistors und zur Erzeugung eines Schaltbetriebes zu schaffen;

dadurch gekennzeichnet:

daß an der Source-Klemme (44) des Transistors ein Mittel (48) zum Überwachen des Stromes durch die Primär-Induktivität angeschlossen ist;

daß das Steuersignal-Schaffungsmittel (44) auch an dem Mittel (48) zum Überwachen des Stromes durch die Primär- Induktivität angeschlossen ist; und

daß die Frequenz des durch das Steuersignal-Schaffungsmittel geschaffenen Steuersignals eine festgelegte Frequenz ist.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, bei der der Transformator weiter eine außer Phase mit der Primär-Induktivität gekoppelte Induktivität (54) besitzt, welche außerphasige Induktivität eine mit der positiven Klemme (+) der Gleichspannungsquelle verbundene erste Klemme (56) besitzt und die Stromversorgung weiter umfaßt:

eine Diode (58), deren Anode mit der negativen Klemme (-) der Gleichspannungsquelle und deren Katode mit der zweiten Klemme (52) der außerphasigen Induktivität verbunden ist.