DE69302461T2

DE69302461T2 - Spannungssteuerschaltungen

Info

Publication number: DE69302461T2
Application number: DE69302461T
Authority: DE
Inventors: Allen Frank Rozman
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-12-15
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: EP0602835A1; JPH06217547A; DE69302461D1; EP0602835B1; US5541828A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spannungsregelschaltungen.
Die am 25. November 1992 eingereichte, gleichzeitig anhängige US-Anmeldung von Jacobs et al., Aktenzeichen 07/981,638, die EP-A-599 554 entspricht, beschreibt einen Gleichspannungswandler, der zum Antreiben eines Transformators ein Paar durch einen Klemmkondensator miteinander verbundene FET-Schalter verwendet. Ein Impulsbreitenmodulator (Pulse Width Modulator = PWM), der in einer Rückkopplungsschleife enthalten ist, veranlaßt die FET-Schalter dazu, wechselweise zu leiten und nur dann zu schalten, wenn an den FET-Schaltern eine niedrige Spannung oder möglicherweise eine Nullspannung anliegt. Das Ergebnis des Schaltens bei Nullspannung ist eine Energieumwandlung mit hohem Wirkungsgrad, und die Verwendung der externen Kapazität erlaubt es dem Schaltungskonstrukteur, die Rate, mit der die Drain-Source-Spannung von beiden FETs sich verändert, zu reduzieren und somit die Höhe der von der Schaltung unerwünschterweise erzeug ten geleiteten oder abgestrahlten Hochfrequenzstörung durch elektromagnetische Wellen (electromagnetic wave interference = EMI) zu reduzieren. Die Anmeldung erörtert ebenfalls, wie Welligkeit von Ausgangsspannung reduziert werden kann.
Wandler, die einen Klemmkondensator verwenden, um auf diese Weise die Energieübertragung zu optimieren, sind im allgemeinen als "Klemmschaltungen" bekannt. Die am 16. Dezember 1992 eingereichte, gleichzeitig anhängige US-Anmeldung von Boylan et al., Aktenzeichen 07/992,274, die EP-A-602 834 entspricht, enthält eine Analyse der Rückkopplungsschleife von Klemmschaltungen und beschreibt, wie die Spannung vom Klemmkondensator der Rückkopplungsschaltung zugeführt werden kann, um Schaltungsinstabilitäten zu vermeiden und beim Schaltungsaufbau eine größere Flexibilität zu ermöglichen.
Gleichspannungswandler werden normalerweise als Netzteile mit konstanter Gleichspannung verwendet. Es ist erkannt worden, daß es wünschenswert ist, einen Gleichspannungswandler zu haben, der eine Anzahl verschiedener Ausgangsspannungen an eine Anzahl verschiedener unabhängiger Lasten liefern kann. Es besteht weiterhin ein Bedarf für eine derartige Schaltung, die die Vorteile der Klemmschaltungen aufweist, einen relativ einfachen Aufbau hat und somit relativ preiswert ist, und die einer Anzahl unabhängiger Lasten, die elektrisch voneinander entkoppelt sein können, stabile Spannungspegel liefert. Durch die elektrische Entkopplung können Rauschstörungen, Impedanzveränderungen und dergleichen bei der einen Last nicht die zu einer anderen Last übertragene Leistung beeinträchtigen.
EP-A-474 471 richtet sich darauf, die Spannungsbeanspruchung am Netzschalter eines Wandlers durch kapazitive Rückstellung des Transformatorkerns zu reduzieren. Als solche lehrt sie die Verwendung von Schaltvorrichtungen im Sekundärkreis (Sättigungsdrossel, aktive Schaltvorrichtung), um den Sekundärkreis zu entkoppeln und beim Schalten des Netzschalters eine Totzeit bereitzustellen, um Stromentladung in die Sekundärwicklung des Transformators zu verhindern. Die Schaltvorrichtung in der Sekundärwicklung leitet, wenn die Spannung des Netzschalters einen Nullpegel erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Eine beispielhafte erfindungsgemäße Spannungsregelschaltung umfaßt einen Transformator mit mindestens einer ersten Primärwicklung und mindestens ersten und zweiten Sekundärwicklungen, wobei die Wicklungsrichtung der zweiten Sekundärwicklung der Wicklungsrichtung der ersten Sekundärwicklung entgegengesetzt ist. Ein Eingang ist an die Primärwicklung angekoppelt, eine erste und zweite Schaltvorrichtung sind jeweils an die Primärwicklung des Transformators angekoppelt, und ein Klemmkondensator ist an den Transformator und an mindestens einen der ersten und zweiten Schalter angekoppelt. Jede der Sekundärwicklungen ist über eine Gleichrichterschaltung und ein Ausgangsfilter an einen getrennten Ausgang angekoppelt. Mittel mit einer einzelnen Rückkopplungsschaltung, die an einem Ende an einen der Ausgangsfilter und am anderen Ende an Steueranschlüsse der ersten und zweiten Schalter angekoppelt ist, veranlassen die ersten und zweiten Schalter, wechselweise Strom zu leiten.
Wie unten beschrieben wird, sind beide Ausgänge in der Lage, an verschiedene unabhängige Lasten verschiedene konstante Spannungen zu liefern, obwohl die erfindungsgemäße Schaltung nur eine Rückkopplungsschaltung aufweist. Die Größe der von jedem der Ausgänge gelieferten Spannung hängt von dem Verhältnis der Anzahl von Windungen der ersten und zweiten Sekundärwicklungen ab. Wie später noch deutlich wird, können nicht nur zwei, sondern jede beliebige Anzahl von Ausgangsspannungen von der Schaltung abgegriffen werden, indem der Transformator mit einer entsprechenden Anzahl von Sekundärwicklungen ausgestattet wird. Unabhangig von der Anzahl der abgegriffenen Ausgangsspannungen wird nur eine einzelne Rückkopplungsschaltung bzw. eine einzelne Rückkopplungsschleife verwendet, wodurch der Aufbau des Gleichspannungswandlers relativ unkompliziert bleibt. Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung besser verstanden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

FIG. 1 ist ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;
FIG. 2 ist ein Schaltschema, das eine mögliche Abwandlung des Wandlers von FIG. 1 veranschaulicht; und
FIG. 3 ist ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers zum Erzeugen einer größeren Anzahl von Ausgangsspannungen.

Ausführliche Beschreibung

Nun bezugnehmend auf FIG. 1 wird schematisch ein Gleichspannungswandler zum Liefern von im wesentlichen konstanten Ausgangsgleichspannungen Vout1 und Vout2 als Reaktion auf eine Eingangsgleichspannung Vin und unabhängig von Veränderungen der Eingangsspannung oder Veränderungen der Eigenschaften der Lasten, mit denen die Ausgänge verbunden sein können, gezeigt. Die Schaltung arbeitet durch wechselweises Leiten von Strom durch einen ersten Schalter 11 und durch einen zweiten Schalter 12. Die Schalter werden von einer einen Spannungsschleifenregler 13 und einen Impulsbreitenmodulator (PWM) 15 enthaltenden Rückkopplungsschaltung gesteuert. Die an die Steueranschlüsse der Schalter angelegte Spannung veranlaßt Schalter 11, während eines Bruchteils jeder als das Tastverhältnis D bekannten Stromwechselperiode zu leiten, wohingegen der Schalter 12 während des größten Teils des verbleibenden Intervalls der Periode (1-D) leitet. Zwischen den Leitungsintervallen kann eine kurze Totzeit liegen, um ein Schalten bei niedriger Spannung oder möglicherweise bei Nullspannung zu erreichen, d.h. Schalten während einer Zeit, in der ein Spannungsabfall von Null an dem Schalter vorliegt.
Bei den Schaltern 11 und 12 handelt es sich in der Regel um Leistungs-FET und insbesondere um MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor = Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Die Steueranschlüsse derartiger Vorrichtungen werden von ihren Gateelektroden gebildet. Somit ist das durch PWM 15 an Schalter 11 angelegte Gatesteuersignal ein Impuls mit einer Zeitdauer D, während das an Schalter 12 angelegte Gatesteuersignal ein Impuls mit der Zeitdauer (1-D) minus dem Totzeitintervall ist.
Der wechselweise durch die Schalter 11 und 12 fließende Strom treibt die Primärwicklung 17 eines Leistungstransformators 18 derart, daß wünschenswerterweise die Sättigung des Transformatorkerns vermieden wird. Wie durch die Punkte angezeigt, die herkömmliche Symbole für die Wicklungsrichtung sind, hat der Transformator getrennte Sekundärwicklungen 20 und 21, die in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind. Die Sekundärwicklung 20 ist durch eine die Gleichrichtdioden 23 und 24 umfassende Gleichrichterschaltung an ein eine Ausgangsdrossel 25 und einen Ausgangskondensator 26 umfassendes Ausgangsfilter angekoppelt; die Sekundärwicklung 21 ist durch eine die Gleichrichtdioden 27 und 28 umfassende Gleichrichterschaltung an ein eine Ausgangsdrosselspule 30 und einen Ausgangskondensator 31 umfassendes Ausgangsfilter angekoppelt. Wie gezeigt, liefern getrennte Ausgänge der zwei Ausgangsfilter die konstanten Spannungen Vout1 und Vout2 an getrennte Lasten. Die beiden Dioden jeder Gleichrichterschaltung leiten den Strom wechselweise, so daß die Schaltung eine Einweggleichrichterschaltung darstellt. Der Ausgang der Sekundärwicklung 20 ist mit einer einen Spannungsschleifenregler 13 und den PWM 15 umfassenden Rückkopplungsschaltung verbunden. Die Ausgangsspannung Vout1 treibt die Spannungsschleifenregelung, um das Tastverhältnis, mit dem Schalter 11 und 12 geschaltet werden, zu variieren und so eine geregelte Ausgangsspannung Vout1 bereitzustellen, wie sie bei Schaltungen dieser Art üblich ist.
Ein in Reihe mit Schalter 12 geschalteter Klemmkondensator 28 lädt sich auf eine eingeschwungene Spannung von Vin/(1-D) auf. Diese Klemmkondensatorspannung ist dann während des Abschnitts (1-D) des Schaltintervalls in Reihe mit der Primärwicklung 17 des Transformators 18 verbunden, um in der Magnetisierungsinduktivität des Transformators gespeicherte Energie an den Ausgang der Schaltung zu übertragen. Das Anlegen der Eingangsspannung Vin während des Abschnitts D des Schaltzyklus stellt zusammen mit der während des Abschnitts (1-D) des Zyklus angelegten Kondensatorspannung minus Vin ein Mittel dar, um während beider Abschnitte des Schaltzyklus Energie an die Ausgänge zu übertragen. Da die über einen vollständigen Zyklus an die Primärwicklung 17 angelegte mittlere Spannung Null beträgt, ist der Magnetfluß im Transformator 18 symmetrisch und eine Sättigung des Kerns wird vermieden. Eine ausführlichere Erörterung der Schaltung von FIG. 1 und ihrer Vorteile ist in der oben erwähnten Anmeldung von Jacobs et al. zu finden.
Wie in der oben erwähnten Anmeldung von Boylan et al. beschrieben wird, kann der Klemmkondensator 28 zur Modifizierung von Phase und Größe der an die Schalter 11 und 12 angelegten Energie an den PWM 15 angekoppelt werden, um die Schaltung zu stabilisieren und die Schaltungsparameter optimieren zu können.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß zur Regelung beider Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 eine einzelne Rückkopplungsschleife verwendet werden kann. Die beiden Ausgangsspannungen weisen relative Werte auf, die proportional zu dem Verhältnis der Windungen der beiden Sekundärwicklungen 20 und 21 sind, so daß irgendeine von verschiedenen Kombinationen von Ausgangsspannungen erzeugt werden kann. Die Ausgänge können elektrisch entkoppelt sein, so daß Rauschen, Impedanzveränderungen und dergleichen bei der einen Last nicht die zu der anderen Last übertragene Leistung beeinträchtigen. Da dies zutrifft, bietet die Schaltung von FIG. 1 gegenüber der Verwendung von getrennten Wandlern zur Bereitstellung der beiden getrennten Span nungen Vout1 und Vout2 offensichtliche wirtschaftliche Vorteile und bietet im Hinblick auf den elektrischen Aufbau gegenüber einer Schaltung mit einem einzigen, zwischen zwei Lasten aufgeteilten Ausgang beträchtliche Vorteile.
Die folgende Erörterung soll demonstrieren, weshalb von einem einzelnen Wandler unter Verwendung einer einzelnen Rückkopplungsschleife zwei unabhängige span-nungsgeregelte Ausgänge erzeugt werden können. Die Schaltung von FIG. 1 ist mit dem Ziel konstruiert, die Sättigung des Transformatorkerns zu vermeiden, indem die Spannungen des Transformators nach jedem Schaltzyklus "rückgesetzt" werden. Somit ist, wie im Stand der Technik verstanden wird, das Produkt aus der während des Abschnitts D des Zyklus an der Ausgangsdrossel 25 anliegen den Spannung und der Dauer des Abschnitts D des Zyklus gleich der während des Abschnitts (1-D) an der Ausgangsdrossel anliegenden Spannung mal der Dauer des Abschnitts (1-D). Dies ist als "Voltsekundenbilanz" bekannt, und die Gleichung für eine derartige Voltsekundenbilanz der an die Sekundärwicklung 20 angekoppelten Ausgangsdrossel 25 lautet:
[Vin ns1/np - Vout1] D = Vout1 (1-D) (1)
wobei ns1 die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 20 ist.
Das Auflösen der Gleichung nach Vout1 ergibt: n:l
Vout1 = D Vin ns1/np (2)
wobei np die Anzahl der Windungen der Primärwicklung 17 ist.
Die Gleichung für die Voltsekundenbilanz an der an die Wicklung 21 angekoppelten Drosselspule 30 lautet:
[[Vin/(1-D) -Vin] [ns2/np]-Vout2] (1-D) = Vout2 D (3)
wobei ns2 die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 21 ist.
Das Auflösen der Gleichung nach Vout2 ergibt:
Vout2 = D Vin ns2/np (4)
Deshalb gilt:
Vout1 = Vout2 ns1/ns2 (5)
Gleichung 5 demonstriert, daß die Ausgangsspannung Vout1 gleich der mit dem Verhältnis der Windungen der Sekundärwicklungen 20 und 21 multiplizierten Ausgangsspannung Vout2 ist. Somit kann man beliebige relative Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 durch Einstellen des Windungsverhältnisses entwickeln. Die Klemmschaltung von FIG. 1 regelt von selbst alle Ausgangsspannungen über den Gesamt-Eingangsspannungsbereich durch Anlegen eines proportionalen Voltsekunden-Produktes an jede Sekundärwicklung Dieses Voltsekunden-Produkt stellt einen Mittelwert dar und wird durch die Ausgangsfilter in Gleichspannung umgewandelt. Eine weitere Eigenschaft ist, daß die Regelgleichung für die Wicklung, die während des Abschnitts (1-D) des Schaltzyklus Leistung überträgt, mit einer "Gegeninduktivitäts-abgeleiteten" Topologie anstelle einer "Sperrwandler"-Topologie zusammenhängt. Es kann gezeigt werden, daß dies den Aufbau der Rückkopplungsregelschleife vereinfacht und gewisse Leistungsparameter verbessert.
Eine weitere Ausführungsform eines Klemmwandlers wird in einer FIG. 2 gezeigt. Bei dieser Konfiguration wird der Erdpunkt für FET 35 derart gewählt, daß sein Gate, auf Erde bezogen, unter Verwendung eines allgemein erhältlichen n-Kanal-Anreicherungs-FET auf normale Weise angetrieben werden kann. Dadurch wird eine kompliziertere Gate-Steuerschaltung, die auf eine Schwebespannung bezogen ist, vermieden. Wie bei FIG. 1 sind die Ausgangsspannungen ist Vout1 und Vout2 proportional zu der Anzahl der Windungen auf den beiden Transformator-Sekundärwicklungen.
Die Ausführungsform von FIG. 3 arbeitet auf gleiche Weise wie die von FIG. 1 und weist deshalb entsprechende Bezugszahlen auf. Anstatt nur zwei Sekundärwicklungen aufzuweisen, hat die Ausführungsform in FIG. 3 jedoch eine Gruppe von Sekundärwicklungen, die in der gleichen Richtung wie die Sekundärwicklung 21 gewickelt sind, und eine weitere Gruppe von Sekundärwicklungen, die in der gleichen Richtung wie die Sekundärwicklung 20 gewickelt sind. Jede Sekundärwicklung ist auf die gleiche Weise, wie zuvor unter Bezug auf die Sekundärwicklungen 20 und 21 beschrieben, durch eine Einweggleichrichterschaltung an ein Ausgangsfilter angekoppelt. Es ist nicht notwendig, daß die Anzahl der Wicklungen irgendwie ausgeglichen oder gleich ist. So kann zum Beispiel eine Anzahl von Sekundärwicklungen in der gleichen Richtung wie die Sekundärwicklung 21 und nur eine einzige Wicklung wie die Sekundärwicklung 20 gewickelt sein. Das einzige Erfordernis besteht darin, daß mindestens zwei Sekundärwicklungen vorliegen, die zwei Ausgänge antreiben und in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind.
Wenn die Rückkopplung von dem Ausgang Vout1 entnommen wird, wird die Spannung von jedem der anderen Ausgänge VoutN definiert durch
Vout1 = VoutN ns1/nsN (6)
wobei ns1 die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 20 ist (entsprechend dem Ausgang Vout1) und nsN die Anzahl der Windungen der dem Ausgang VoutN entsprechenden Sekundärwicklung. Wenn die Rückkopplung einem anderen Ausgang entnommen würde, dann würde die Spannung dieses Ausgangs, anstelle von Vout1, den Spannungsbezug darstellen, von dem aus andere Spannungen berechnet werden.
Man beachte, daß bei einem gegebenen Vout1 die einzige Variable das Windungsverhältnis ist. Somit ist die Ausgangsspannung VoutN nicht von der Wickeirichtung der entsprechenden Sekundärwicklung abhängig. Es versteht sich somit, daß die Erfindung die Gelegenheit bietet, die Kosten für Gerät, das eine Anzahl verschiedener geregelter Spannungen liefert, wesentlich zu reduzieren. Verschiedene bekannte Modifikationen des Klemmwandlers können auf die erfindungsgemäßen Schaltungen angewendet werden. So kann zum Beispiel, wie im Stand der Technik bekannt, ein Stromschleifenregler zu der Rück kopplungsschaltung hinzugefügt werden. Vollweggleichrich ter mit angezapften oder nicht angezapften Wicklungen könnten, wie ebenfalls bekannt ist, anstelle der Eingweggleichrichter verwendet werden. Dem Fachmann sind verschiedene andere Ausführungsformen und Modifikationen möglich.

Claims

1. Spannungsregelschaltung mit:

einem Transformator (18) mit mindestens einer ersten Primärwicklung (17) und mindestens ersten (20) und zweiten (21) Sekundärwicklungen;

einem an die besagte Primärwicklung angekoppelten Eingang;

ersten und zweiten Schaltvorrichtungen (11,12), die jeweils an besagte Primärwicklung des besagten Transformators angekoppelt sind;

einem an den besagten Transformator und an mindestens einen der besagten ersten und zweiten Schalter angekoppelten Klemmkondensator (28);

ersten (23,24) und zweiten (27,28) Mitteln zum Gleichrichten von Strom der ersten bzw. zweiten Sekundärwicklungen;

ersten (25,26) und zweiten (30,31) Ausgangsfiltern, die an besagte erste bzw. zweite Sekundärwicklungen des besagten Transformators angekoppelt sind;

ersten und zweiten Ausgängen, die an besagte erste bzw. zweite Ausgangsfilter angekoppelt sind; und

Mitteln mit einer einzelnen Rückkopplungsschaltung, die an einem Ende an einen der besagten Ausgangsfilter und an einem anderen Ende an Steueranschlüsse der besagten ersten und zweiten Schalter angekoppelt ist, um wechselweise Strom zu leiten;

dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsrichtung der ersten Sekundärwicklung der Wicklungsrichtung der zweiten Sekundärwicklung relativ zur Richtung der Mittel zum Gleichrichten von Strom der besagten ersten bzw. zweiten Sekundärwicklungen entgegengesetzt ist.

2. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, wobei der besagte Eingang zur Annahme von Gleichstrom-Eingangsenergie geeignet ist und jeder der besagten Ausgänge zum Abliefern von Gleichstrom-Ausgangsenergie mit einer vorbestimmten Spannung an entsprechende Lasten geeignet ist, wodurch die besagte Spannungsregelschaltung einen Gleichspannungswandler bildet.

3. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 2, wobei die Ausgangsspannung des ersten Ausgangs gleich der Ausgangsspannung des zweiten Ausgangs multipliziert mit dem Verhältnis der Anzahl von Windungen der ersten Sekundärwicklung zur Anzahl von Windungen der zweiten Sekundärwicklung ist.

4. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 3, wobei die besagte Rückkopplungsschaltung einen an ein Ausgangsfilter und einen Impulsbreitenmodulator angekoppelten Spannungsschleifenregler umfaßt, wobei der Impulsbreitenmodulator an besagte Steueranschlüsse der besagten Schalter angekoppelt ist.

5. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 4, wobei das erste Gleichrichtmittel an das erste Ausgangsfilter angekoppelte, wechselweise leitende erste und zweite Gleichrichtdioden umfaßt und das zweite Gleichrichtmittel an das zweite Ausgangsfilter angekoppelte, wechselweise leitende dritte und vierte Gleichrichtdioden umfaßt.

6. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, wobei der besagte Transformator zusätzlich zu den ersten und zweiten Sekundärwicklungen eine Mehrzahl weiterer Sekundärwicklungen aufweist und jede der weiteren Sekundärwicklungen an eine weitere Gleichrichterschaltung, ein weiteres Ausgangsfilter und weitere Ausgangsanschlüsse angekoppelt ist.

7. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 6, wobei jede der Mehrzahl von Sekundärwicklungen eine getrennte, an die damit verbundenen Ausgangsanschlüsse angekoppelte Last antreibt, wobei jede der Lasten unabhängig von anderen Lasten angetrieben wird.

8. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 6, wobei die Wicklungsrichtung einer ersten Mehrzahl von Sekundärwicklungen der Wicklungsrichtung einer zweiten Mehrzahl von Sekundärwicklungen relativ zur Richtung von mit jeder der ersten und zweiten Mehrzahl von Sekundärwicklungen verbundenen Mitteln zum Gleichrichten von Strom entgegengesetzt ist.

9. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 8, wobei die einzelne Rückkopplungsschaltung an das erste Ausgangsfilter angekoppelt ist; die Ausgangsspannung der ersten Ausgangsanschlüsse Vout1 ist; und die Spannung VoutN eines beliebigen der anderen Ausgangsanschlüsse durch folgendes Verhältnis bestimmt wird:

Vout1=VoutN ns1/nsN

wobei ns1 die Anzahl von Windungen der ersten Sekundärwicklung ist und nsN die Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung ist, die den Ausgangsanschlüssen mit der Spannung VoutN entspricht.