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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zum Zuführen von
Gleichspannung zu einem elektronischen Gerät, und ein Regelverfahren für dieses.
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In
den zurückliegenden
Jahren ergab sich zusätzlich
zu den Erfordernissen eines geringeren Preises und einer kleineren
Bauform Bedarf an hohem Leistungsvermögen und Energieeinsparung für elektronische
Geräte
für Endverbraucher
und für
die Industrie. In Übereinstimmung
mit derartigen Erfordernissen besteht außerdem ein Bedarf an einem Schaltnetzteil
zum Zuführen
von Gleichspannung zu dem elektronischen Gerät kleinerer Bauform, stabilerer
Leistungsabgabe und höheren
Wirkungsgrads.
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Nunmehr
wird ein herkömmliches
Schaltnetzteil unter Bezug auf 4 erläutert, die
ein Äquivalentschaltungsdiagramm
eines herkömmlichen Schaltnetzteils
zeigt.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst dieses herkömmliche Schaltnetzteil einen
Vollbrückenstromrichter,
und eine Gleichstromquelle 51 ist mit den Eingangsanschlüssen 52a und 52b des
Schaltnetzteils verbunden. Im Einzelnen ist eine positive Elektrode der
Gleichstromquelle 51 mit dem Eingangsanschluss 52a verbunden
und eine negative Elektrode der Gleichstromquelle 51 ist
mit dem Eingangsanschluss 52b verbunden. Die Gleichstromquelle 51 führt eine
vorbestimmte Eingangsspannung Vin Eingangsanschlüssen 52a und 52b zu.
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Das
herkömmliche
Schaltnetzteil umfasst ein erstes Schaltelement 53, ein
zweites Schaltelement 54, das zu dem ersten Schaltelement 53 in
Reihe geschaltet ist, ein drittes Schaltelement 55, ein
viertes Schaltelement 56, das zu dem dritten Schaltelement 55 in
Reihe geschaltet ist, und eine Regelschaltung 57, die dazu
genutzt wird, die ersten bis vierten Schaltelemente 53–56 zu
regeln.
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Ein
Ende von sowohl dem ersten wie dem dritten Schaltelement 53 und 55 ist
mit dem Eingangsanschluss 52a verbunden, und ein Ende von sowohl
dem zweiten wie dem vierten Schaltelement 54 und 56 ist
mit dem Eingangsanschluss 52b verbunden. Jedes der ersten
bis vierten Schaltelemente 53–56 umfasst eine parasitäre Kapazität, die zu
dem entsprechenden Element parallel geschaltet ist. Das heißt, wie
in 4 gezeigt, wächst
die erste parasitäre
Kapazität 58 über dem
ersten Schaltelement 53 parallel und die zweite parasitäre Kapazität 59 wächst über dem
zweiten Schaltelement 54 parallel. In ähnlicher Weise wächst die
dritte parasitäre
Kapazität 60 über dem
dritten Schaltelement 56 parallel und die vierte parasitäre Kapazität 61 wächst über dem
vierten Schaltelement 56 parallel.
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Die
Regelschaltung 57 empfängt
eine Gleichstromausgangsspannung Vout, die an beiden Enden eines
(nachfolgend erläuterten)
Glättungskondensators 66 erzeugt
wird, und sie regelt ein Verhältnis
der EIN-Schaltperiode und der AUS-Schaltperiode von jedem der ersten
bis vierten Schaltelemente 53–56, um die Ausgangsspannung
Vout zu stabilisieren. Im Einzelnen gibt die Regelschaltung 57 Regelsignale
g1 und g2 an die jeweiligen ersten und zweiten Schaltelemente 53 und 54 derart
aus, dass jedes der ersten und zweiten Schaltelemente 53 und 54 abwechselnd
den EIN-Schaltzustand und den AUS-Schaltzu stand wiederholt. Die
Regelschaltung 57 gibt außerdem ein Regelsignal g3 an
das dritte Schaltelement 55 derart aus, dass das dritte
Schaltelemente 55 den EIN-Schaltzustand und den AUS-Schaltzustand
mit demselben Zeitverlauf bzw. Takt bzw. zum selben Zeitpunkt wiederholt
wie das zweite Schaltelement 54. Ferner gibt die Regelschaltung 57 das
Regelsignal g4 an das vierte Schaltelement 56 derart aus,
dass das vierte Schaltelement 56 den EIN-Schaltzustand
und den AUS-Schaltzustand wiederholt mit demselben Zeitverlauf bzw.
Takt bzw. zum selben Zeitpunkt wie das erste Schaltelement 53.
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Das
herkömmliche
Schaltnetzteil ist mit einem Transformator 62 versehen,
der den vorstehend genannten Vollbrückenstromrichter zusätzlich zu
den ersten bis vierten Schaltelementen 53–56 umfasst. Der
Transformator 62 umfasst eine Primärwicklung 62a und
erste und zweite Sekundärwicklungen 62b und 62c.
Die Primärwicklung 62a ist
mit der Primärseite
des Vollbrückenstromrichters
verbunden. Das heißt,
ein Ende der Primärwicklung 62a ist
mit einem Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten Schaltelementen 53 und 54 verbunden,
und das andere Ende der Primärwicklung 62a ist
mit einem Verbindungspunkt zwischen den dritten und vierten Schaltelementen 55 und 56 verbunden.
Die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 62b und 62c sind in
Reihe zueinander geschaltet. Für
die Primärwicklung 62a und
die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 62b und 62c ist
ein Wicklungsverhältnis
von n:1:1 gewählt.
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Erste
und zweite Gleichrichtungsdioden 63 und 64 sind
mit beiden Enden der in Reihe geschalteten ersten und zweiten Sekundärwicklungen 62b und 62c verbunden.
Ein Induktanzelement 65 und ein Glättungskondensator 66 sind
mit einem Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten Gleichrichtungsdi oden 63 und 64 in
dieser Abfolge in Reihe geschaltet. Eine Last 68 ist über beide
Enden des Glättungskondensators 66 über jeweilige
Ausgangsanschlüsse 67a und 67b in
Verbindung gebracht. Insbesondere ist eine Anode der ersten Gleichrichtungsdiode 63 mit
einem Ende der ersten Sekundärwicklung 62b verbunden,
und eine Anode der zweiten Gleichrichtungsdiode 64 ist
mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung 62c verbunden.
Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 63 und 64 sind
miteinander verbunden, und am Verbindungspunkt zwischen diesen Kathoden
ist ein Ende des Induktanzelements 65 angeschlossen.
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Das
andere Ende des Induktanzelements 65 ist mit einem Ende
des Glättungskondensators 66 verbunden.
Ein Ende des Glättungskondensators 66 ist
mit einem Ausgangsanschluss 67a verbunden, und das andere
Ende ist mit einem Ausgangsanschluss 67b verbunden. Die
ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 63 und 64 richten
dadurch eine induzierte Spannung gleich, die in den ersten und zweiten
Sekundärwicklungen 62b und 62c erzeugt
wird. Der Glättungskondensator 66 richtet
die gleichgerichtete induzierte Spannung gleich und gibt eine geglättete induzierte
Spannung an die Last 68 über die Ausgangsanschlüsse 67a und 67b als
Ausgangsspannung Vout aus. Da der Glättungskondensator 66 mit
einer elektrostatischen Kapazität
ausgerüstet
ist, die ausreicht, die induzierte Spannung von dem Induktanzelement 65 gleichzurichten,
gibt sie die geglättete
Spannung aus Ausgangsspannung Vout aus.
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Die
Arbeitsweise dieses herkömmlichen Schaltnetzteils
wird unter Bezug auf 4 bis 5 erläutert.
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5 zeigt
ein Wellenformdiagramm einer Impulswellenform von jedem Regelsignal
und Spannungs- und Stromwellenformen bei einer Betriebsbedingung
des herkömmlichen
Schaltnetzteils, das in 4 gezeigt ist. In (a) bis (j)
von 5 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen. In
(a) bis (j) in 5 sind die jeweiligen Wellenformen
mit ihren jeweiligen Zeit- bzw. Taktpositionen (durch vertikale
gebrochene Linien dargestellt) in Übereinstimmung miteinander
aufgetragen.
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In
(a) bis (d) von 5 zeigen die Impulswellenformen
die Regelsignale g1 – g4
an. Eine Spannung V51 in (e) von 5 zeigt
die Wellenform einer Spannung an, die an das zweite Schaltelement 54 angelegt
ist. Eine Spannung V52 in (f) von 5 zeigt
die Wellenform einer Spannung an, die an das vierte Schaltelement 56 angelegt
ist. Eine Spannung V5t in (g) von 5 zeigt
die Wellenform einer an die Primärwicklung 62a angelegten
Spannung an. Ein Strom I5t in (h) von 5 zeigt
die Wellenform eines Stroms an, der in der Primärwicklung 62a fließt. Ein Strom
I51 in (i) von 5 zeigt die Wellenform eines Stroms
an, der in einer Parallelschaltung aus dem ersten Schaltelement 53 und
der ersten parasitären Kapazität 58 fließt. Ein
Strom I52 in (j) von 5 zeigt die Wellenform eines
Stroms an, der in einer Parallelschaltung aus dem zweiten Schaltelement 55 und
der zweiten parasitären
Kapazität 59 fließt.
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Die
Regelschaltung 57 gibt die Regelsignale g1 und g4 an die
jeweiligen ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 zu
einem Zeitpunkt T50 in 5 aus, so dass sich die ersten
und vierten Schaltelemente 53 und 56 gleichzeitig
im EIN-Schaltzustand befinden.
Die Eingangsspannung Vin wird an die Primärwicklung 62a folglich
derart angelegt, dass die induzierte Spannung (Vin/n) in der ersten
Sekundärwicklung 62b erzeugt
wird. Hierdurch befindet sich die erste Gleichrichtungsdiode 63 im
leitenden Zustand und die zweite Gleichrich tungsdiode 64 befindet
sich in einem nicht leitenden Zustand. Das Induktanzelement 65 empfängt eine
Spannung (Vin/n – Vout),
weil die Ausgangsspannung Vout bereits in dem Induktanzelement 65 von
dem Glättungskondensator 66 angelegt
ist. Andererseits bildet der Strom I51 in (i) von 5 die
Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 62 und
einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente
handelt, so dass ein Erregungsstrom des Induktanzelements 65 in
den Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 62 fließt und das
erste Schaltungselement 53 durchsetzt.
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Folglich
gibt die Regelschaltung 57 die Regelsignale g1 und g4 an
die jeweiligen ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 zu
einem Zeitpunkt T51 aus, so dass sich die ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 gleichzeitig
im AUS-Schaltzustand
befinden. Da zu diesem Zeitpunkt eine Erregungsenergie des Transformators 62 eine
kontinuierliche Charakteristik besitzt, wird ein Sekundärstrom des
Transformators 62 in zwei Pfade unterteilt; einen in der
ersten Sekundärwicklung 62b und
den anderen in der zweiten Sekundärwicklung 62c. Folglich befinden
sich die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 63 und 64 in
leitendem Zustand, so dass die induzierte Spannung der ersten und
zweiten Sekundärwicklungen 62b und 62c auf
null fällt.
Die Ausgangsspannung Vout wird an das Induktanzelement 65 umgekehrt
angelegt.
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Daraufhin
gibt die Regelschaltung 57 die Regelsignale g2 und g3 an
die jeweiligen zweiten und dritten Schaltelemente 54 und 55 zum
Zeitpunkt T52 aus, so dass sich die zweiten und dritten Schaltelemente 54 und 55 gleichzeitig
im EIN-Schaltzustand befinden.
Folglich wird eine Spannung (–Vin)
dadurch an die Primärwicklung 62a derart
angelegt, dass die induzierte Spannung (Vin/n) in der zweiten Sekundärwicklung 62c erzeugt
wird. Hierdurch befindet sich die erste Gleichrichtungsdiode 63 im
nicht leitenden Zustand und die zweite Gleichrichtungsdiode 64 befindet
sich im leitenden Zustand. Das Induktanzelement 65 empfängt die
Spannung (Vin/n – Vout),
weil die Ausgangsspannung Vout bereits an das Induktanzelement 65 von
dem Glättungskondensator 66 angelegt
ist.
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Andererseits
stellt ein Strom die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 62 mit
einem gewandelten Komponentenstrom dar, wobei es sich um die Komponente
derart handelt, dass ein Erregungsstrom des Induktanzelements 65 in
einen Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 62 fließt und die
zweiten und dritten Schaltungselemente 54 und 55 durchsetzt.
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Hierdurch
gibt die Regelschaltung 57 die Regelsignale g2 und g3 an
die jeweiligen zweiten und dritten Schaltelemente 54 und 55 zu
einem Zeitpunkt T53 aus, so dass sich die zweiten und dritten Schaltelemente 55 und 55 gleichzeitig
im AUS-Schaltzustand
befinden. Da zu diesem Zeitpunkt eine Erregungsenergie des Transformators 62 die
kontinuierliche Charakteristik aufweist, wird der Sekundärstrom des
Transformators 62 in zwei Pfade unterteilt; einen in der
ersten Sekundärwicklung 62b und
den anderen in der zweiten Sekundärwicklung 62c. Folglich befinden
sich die ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 63 und 64 jeweils
im leitenden Zustand, so dass die induzierte Spannung der ersten
und zweiten Sekundärwicklungen 62b und 62c auf
null fallen. Die Ausgangsspannung Vout wird dadurch an das Induktanzelement 65 umgekehrt
angelegt.
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Daraufhin
gibt die Regelschaltung 57 die Regelsignale g1 und g4 an
die jeweiligen ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 zu
einem Zeitpunkt T55 entsprechend dem Zeitpunkt T50 aus, so dass sich
die ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 gleichzeitig
im EIN-Schaltzustand befinden. Folgich wird die Eingangsspannung
Vin an die Primärwicklung 62a angelegt,
wodurch die vorstehend angeführten
Betriebsabläufe
in dem Schaltnetzteil wiederholt werden.
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Nunmehr
wird im Einzelnen das Verhältnis der
EIN-Schaltdauer zur AUS-Schaltdauer von jedem der ersten bis vierten
Schaltelemente 53–56 in dem
herkömmlichen
Schaltnetzteil erläutert.
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Wie
in der nachfolgenden Gleichung (11) gezeigt, nimmt die EIN-Schaltperiode
Ton, in der sich jedes der Schaltelemente 53–56 im
EIN-Schaltzustand befindet, einen konstanten Wert ein. Wie außerdem in
der nachfolgenden Gleichung (12) gezeigt, nimmt die AUS-Schaltperiode
Toff, in der sich sämtliche
der Schaltelemente 53–56 im
AUS-Schaltzustand befinden, einen konstanten Wert ein. Ton = T51 – T50 =
T53 – T52 (11) Toff = T52 – T51 =
T54 – T53 (12)
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Wenn
eine Rücksetzbedingung
des Induktanzelements 65, die in der folgenden Gleichung
(13) gezeigt ist, erfüllt
ist, wird der Betrieb des Induktanzelements 65 stabilisiert. (Vin/n – Vout) × Ton = Vout × Toff (13)
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Diese
Gleichung (13) kann in die folgende Gleichung (15) unter Verwendung
einer Gleichung (14) modifiziert werden. δ =
Ton/(Ton + Toff) (14) V = δ × Vin/n (15)
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In
dem herkömmlichen
Schaltnetzteil wird das vorstehend genannte Verhältnis der EIN-Schaltperiode
und der AUS-Schaltperiode
so eingestellt, dass ein Wert "δ × Vin" ein konstanter Wert
ist. Wenn in dem herkömmlichen
Schaltnetzteil die Eingangsspannung Vin variiert wird, konnte dadurch
die Ausgangsspannung Vout stabilisiert werden, wie in den Gleichungen
(14) und (15) gezeigt.
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In
diesem herkömmlichen
Schaltnetzteil ist der Vollbrückenstromrichter,
der aus den ersten bis vierten Schaltelementen 53–56 bestand,
und der Transformator 62 verwendet, und außerdem sind
die Eingangsanschlüsse 52a und 52b dieses
Vollbrückenrichters
mit der Gleichstromquelle 51 verbunden. In dem herkömmlichen
Schaltnetzteil ist deshalb eine Spannung über der Eingangsspannung Vin
nicht an eines der ersten bis vierten Schaltelemente 53–56 angelegt.
Da außerdem
ein gut ausgeglichener Strom in den Schaltelementen 53–56 zum
Fließen gebracht
wird, wird die Strombelastung verteilt und damit kann der Stromrichter
für ein
Schaltnetzteil mit größerer elektrischer
Leistung eingesetzt werden.
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In
dem herkömmlichen
Schaltnetzteil ist es jedoch nicht möglich, Stoßstrom und Stoßspannung zu
unterdrücken,
die erzeugt werden, wenn jedes der ersten bis vierten Schaltelemente 53–56 zwischen dem
EIN-Schaltzustand und dem AUS-Schaltzustand umgeschaltet wird. In
dem herkömmlichen Schaltnetzteil
treten deshalb die Probleme auf, dass der Stoßstrom einen Energieverlust
hervorruft, den Wirkungsgrad absenkt und Geräusch erzeugt.
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Wenn
in diesem herkömmlichen
Schaltnetzteil sich im Einzelnen des erste Schaltelement 53 im EIN-Schaltzustand
befindet, beispielsweise zu dem in 5 gezeigten
Zeitpunkt T50, wird die erste parasitäre Kapazität 58 entladen und
die zweite parasitäre
Kapazität 59 wird
geladen. Folglich nimmt der Strom I51 einen Spitzenstromwert ein,
bei dem es sich um einen Stoßstrom
(Transientenstrom) handelt, wie in (j) von 5 gezeigt.
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Wenn
sich das zweite Schaltelement 54 im EIN-Schaltzustand beispielsweise
zum Zeitpunkt T52, der in 5 gezeigt
ist, befindet, wird die erste parasitäre Kapazität 58 geladen und die
zweite parasitäre
Kapazität 59 wird
entladen. Folglich enthielt der Strom I52 den Spitzenspannungsstrom,
wie in (j) von 5 gezeigt.
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Wenn
sich das dritte Schaltelement 55 in derselben Weise im
EIN-Schaltzustand befindet (beispielsweise zum Zeitpunkt T52), wird
die dritte parasitäre
Kapazität 60 entladen
und die vierte parasitäre Kapazität 61 wird
geladen. Ein in dem dritten Schaltelement 55 fließender Strom
nimmt dadurch den Spitzenspannungsstromwert ein. Wenn sich das vierte
Schaltelement 56 in dem EIN-Schaltzustand befindet (beispielsweise
zum Zeitpunkt T50), wird die dritte parasitäre Kapazität 60 entladen und
die vierte parasitäre
Kapazität 61 wird
geladen. Ein in dem dritten Schaltelement 55 fließender Strom
nimmt dadurch den Spitzenspannungsstromwert ein. Wenn sich das vierte
Schaltelement 56 in dem EIN-Schaltzustand befindet (beispielsweise
zum Zeitpunkt T50), wird die dritte parasitäre Kapazität 60 geladen und die
vierte parasitäre
Kapazität 61 wird
entladen. Folglich nimmt ein in dem vierten Schaltelement 56 fließender Strom den
Spitzenspannungsstromwert ein.
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Wenn
in diesem herkömmlichen
Schaltnetzteil andererseits jedes der ersten bis vierten Schaltelemente 53–56 den
AUS-Schaltzustand
einnimmt, wird die Stoßspannung
durch eine Leckageinduktanz in dem Transformator 62 und
die parasitäre
Induktanz der Leitungsdrähte
und dergleichen erzeugt. Wie in (g) von 5 gezeigt,
wird beispielsweise dann, nachdem sich die ersten und vierten Schaltelemente 53 und 56 zum
Zeitpunkt T51 im AUS-Schaltzustand befinden, die Stoßspannung
erzeugt, so dass die Spannung V5t, die an die Primärwicklung 62a angelegt
war, verändert
wird. In derselben Weise wird, nachdem sich die zweiten und dritten
Schaltelemente 54 und 55 zum Zeitpunkt T53 im
AUS-Schaltzustand befinden, die Stoßspannung erzeugt, so dass
die Spannung V5t, die an die Primärwicklung 62a angelegt
ist, verändert
wird.
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Die
EP 0625820A2 offenbart einen Gleichsstromrichter, aufweisend einen
Transformator mit primären
und sekundären
Wicklungen und zwei Paare regelbare Halbleiterschaltelemente, die
in Brückenkonfiguration
geschaltet sind. Jedes Paar umfasst zwei in Reihe geschaltete regelbare
Halbleiterschaltelemente. Die Paare sind zu einer Eingangsgleichstromquelle
parallel geschaltet. Der Gleichstromrichter umfasst außerdem eine
Regelschaltung, die die regelbaren Halbleiterschaltelemente derart
treibt, dass die beiden regelbaren Halbleiterschaltelemente des
ersten Paars abwechselnd und nicht überlappend eingeschaltet werden,
während
das zweite Paar der regelbaren Halbleiterschaltelemente entsprechend
ein- und ausgeschaltet wird, jedoch zu Zeitpunkten, die relativ
zu den Schaltmomenten des ersten Paars zeitlich verzögert sind,
um eine steuerbare Verzögerungszeit
zwischen null und der halben Periodendauer der Schaltungsfrequenz,
wodurch die Spannung über
der Last geregelt werden kann. Die Steuerschaltung erzeugt ein Rückkopplungssignal proportional
zu der Differenz zwischen einem gewünschten und einem tatsächlichen
Wert der regelbaren Spannung Die Steuerschaltung ermittelt die Verzögerungszeit
auf Grundlage der zeitintegrierten Differenz zwischen dem Rückkopplungssignal
proportional zu dem Strom in der Primärwicklung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schaltnetzteil
zu schaffen, das geeignet ist, die vorstehend genannten Probleme
des herkömmlichen
Schaltnetzteils zu überwinden
und das mit geringeren Kosten erstellt werden kann und eine lange
Lebensdauer besitzt.
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Im
die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, umfasst das erfindungsgemäße Schaltnetzteil:
Erste
und zweite Schalteinheiten, die in Bezug aufeinander und mit einer
Gleichstromquelle in Reihe geschaltet sind,
dritte und vierte
Schalteinheiten, die in Bezug aufeinander und mit der Gleichstromquelle
in Reihe geschaltet sind,
einen Transformator mit einer Primärwicklung,
die zwischen einen Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten
Schalteinheiten und einen Verbindungspunkt zwischen den dritten
und vierten Schalteinheiten geschaltet ist und Energie speichert
zum Entladen einer parasitären
Kapazität
der ersten bis vierten Schalteinheiten, und
eine Regeleinheit,
die den Betrieb von jeder der ersten bis vierten Schalteinheiten
derart regelt, dass sich die ersten und zweiten Schalteinheiten
komplementär
in einem EIN-Schaltzustand
befinden nach einer ersten vorbestimmten Todzeitperiode, in der
die ersten und zweiten Schalteinheiten beide sich in einem AUS-Schaltzustand
befinden,
wobei sich die dritten und vierten Schalteinheiten komplementär in einem
EIN-Schaltzustand befinden nach einer zweiten vorbestimmten Todzeitperiode,
in der die dritten und vierten Schalteinheiten sich beide im AUS-Schaltzustand
befinden, und die ersten bis vierten Schalteinheiten so geregelt
werden, dass sie die Primärwicklung
kurzschließen,
die in den Perioden zwischen der ersten Todzeit und der zweiten Todzeit
kurzgeschlossen ist, und die in den Transformator gespeicherte Energie
in der Kurzschlusszeitperiode gehalten ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass
die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils geregelt wird
durch Einstellen des Verhältnisses
der EIN-Schaltperiode zur AUS-Schaltperiode
von jeder der ersten und dritten Schalteinheiten, so dass die EIN-Schalt-
und AUS-Schalt-Zustandswahlzeitpunkte
der ersten Schalteinheit um einen halben Schaltzyklus verschoben
sind ausgehend von den EIN-Schaltzustand-
und AUS-Schaltzustand-Wahlzeitpunkten der dritten Schalteinheit.
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Mit
einer derartigen Konfiguration ist das erfindungsgemäße Schaltnetzteil
in der Lage, die Erzeugung von sowohl Stoßstrom wie Stoßspannung zu
unterdrücken
sowie Energieverlust, um dadurch den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern.
Außerdem
ist das erfindungsgemäße Schaltnetzteil
in der Lage, die Erzeugung von Geräuschen zu unterbinden, wodurch
ein Schaltnetzteil mit geringem Geräusch problemlos bereitgestellt
werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Äquivalenzschaltungsdiagramm
einer Konfiguration eines Schaltnetzteils gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
ein Wellenformdiagramm unter Darstellung einer Impulswellenform
von jedem Regelsignal und Spannungs- und Stromwellenformen in dem
Betriebszustand des in 1 gezeigten Schaltnetzteils.
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3 zeigt
ein Wellenformdiagramm unter Darstellung einer Impulswellenform
von jedem Regelsignal und Spannungs- und Stromwellenformen unter
der Betriebsbedingung eines Schaltnetzteils gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Äquivalenzschaltungsdiagramm
einer Konfiguration eines herkömmlichen Schaltnetzteils.
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5 zeigt
ein Wellenformdiagramm unter Darstellung einer Impulswellenform
von jedem Regelsignal und Spannungs- und Stromwellenformen unter
einer Betriebsbedingung des in 4 gezeigten
herkömmlichen
Schaltnetzteils.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung für
ein Schaltnetzteil und ein Regelverfahren für dieses werden unter Bezug
auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. In der nachfolgenden
Erläuterung
ist das Schaltnetzteil so konfiguriert, das es den Vollbrückenstromrichter
umfasst, um den Vergleich mit dem herkömmlichen Schaltnetzteil zu
erleichtern.
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«Erste Ausführungsform»
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1 zeigt
ein Äquivalenzschaltungsdiagramm
einer Konfiguration einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst das Schaltnetzteils dieser
Ausführungsform
eine Gleichstromquelle 1 zum Zuführen einer Eingangsspannung
VIN, Eingangsanschlüsse 2a und 2b,
die mit einer positiven Elektrode bzw. einer negativen Elektrode
der Gleichstromquelle 1 verbunden sind, und erste, zweite,
dritte und vierte Schalteinheiten 3, 4, 5 und 6,
die in Brückenschaltung
geschaltet sind. Das Schaltnetzteil dieser Ausführungsform weist außerdem einen Transformator 7 auf,
der eine Primärwicklung 7a umfasst
sowie erste und zweite Sekundärwicklungen 7b und 7c,
eine Gleichrichterglättungsschaltung 8,
die mit den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c zum
Glätten
einer induzierten Spannung verbunden ist, die in den ersten und
zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c erzeugt
wird, und eine Regelschaltung 9 zum Steuern jeder der ersten
bis vierten Schalteinheiten 3–6.
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Die
ersten und zweiten Schalteinheiten 3 und 4 sind
zueinander in Reihe geschaltet. Die ersten und zweiten Schalteinheiten 3 und 4 sind über die
Eingangsanschlüsse 2a und 2b in
Verbindung gebracht. In ähnlicher
Weise sind die dritten und vierten Schalteinheiten 5 und 6 zueinander
in Reihe geschaltet. Die dritten und vierten Schalteinheiten 5 und 6 sind über die
Eingangsanschlüsse 2a und 2b in
Verbindung gebracht.
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Die
erste Schalteinheit 3 umfasst ein erstes Schaltelement 3a,
das durch ein Steuersignal G1 betätigt wird, das von der Regelschaltung 9 ausgegeben
wird, und eine erste Diode 3b, die zu dem ersten Schaltelement 3a derart
parallel geschaltet ist, dass sie in der umgekehrten Richtung für die Gleich stromquelle 1 eingestellt
ist. Die erste Schalteinheit 3 umfasst außerdem eine
erste parasitäre
Kapazität 3c, die
sowohl auf dem ersten Schaltelement 3a wie der ersten Diode 3b parasitär ist. Diese
erste parasitäre Kapazität 3c wächst über dem
ersten Schaltelement 3a und der ersten Diode 3b parallel.
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Die
zweite Schalteinheit 4 umfasst ein zweites Schaltelement 4a,
das durch ein Steuersignal G2 betätigt wird, das von der Regelschaltung 9 ausgegeben
wird, und eine zweite Diode 4b, die zu dem zweiten Schaltelement 4a derart
parallel geschaltet ist, dass sie in der umgekehrten Richtung für die Gleichstromquelle 1 eingestellt
ist. Außerdem
enthält
die zweite Schalteinheit 4 eine zweite parasitäre Kapazität 4c,
die sowohl auf dem zweiten Schaltelement 4a wie der zweiten
Diode 4b parasitär
ist. Diese zweite parasitäre
Kapazität 4c wächst über dem
zweiten Schaltelement 4a und der zweiten Diode 4b parallel.
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Die
dritte Schalteinheit 5 umfasst ein drittes Schaltelement 5a,
das durch ein Steuersignal G3 betätigt wird, das von der Regelschaltung 9 ausgegeben
wird, und eine dritte Diode 5b, die zu dem dritten Schaltelement 5a derart
parallel geschaltet ist, dass sie in der umgekehrten Richtung für die Gleichstromquelle 1 eingestellt
ist. Außerdem
umfasst die dritte Schalteinheit 5 die dritte parasitäre Kapazität 5c,
die sowohl auf dem dritten Schaltelement 5a wie der dritten
Diode 5b parasitär
ist. Diese dritte parasitäre
Kapazität 5c wächst über dem
dritten Schaltelement 5a und der dritten Diode 5b parallel.
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Die
vierte Schalteinheit 6 umfasst ein viertes Schaltelement 6a,
das durch ein Steuersignal G4 betätigt wird, das von der Regelschaltung 9 ausgegeben
wird, und eine vierte Diode 6b, die zu dem vierten Schaltelement 6a derart
parallel geschaltet ist, dass sie in der umgekehrten Richtung für die Gleichstromquelle 1 eingestellt
ist bzw. liegt. Außerdem
umfasst die vierte Schalteinheit 6 die vierte parasitäre Kapazität 6c,
die sowohl auf dem vierten Schaltelement 6a wie der vierten
Diode 6b parasitär
ist. Diese vierte parasitäre
Kapazität 6c wächst über dem
vierten Schaltelement 6a und der vierten Diode 6b parallel.
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Die
ersten bis vierten Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a sollten
bevorzugt mit einem Halbleiterelement konfiguriert sein, beispielsweise
mit einem bipolaren Transistor oder einem MOSFET. In dem Fall, dass
jede der Schalteinheiten 3–6 mit dem MOSFET konfiguriert
ist, können
insbesondere die vorstehend genannten Dioden 3b, 4b, 5b oder 6b entfallen,
weil der MOSFET eine eingebaute Diode aufweist, die parallel zu
ihm in derselben Packung bzw. im selben Gehäuse geschaltet ist.
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In
dem Transformator 7 sind die Primärwicklung 7a, die
ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c mit
einem Wicklungsverhältnis
von N:1:1 gewählt.
Ein Ende der Primärwicklung 7a ist
mit einem Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten Schalteinheiten 3 und 4 verbunden,
und das andere Ende ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den
dritten und vierten Schalteinheiten 5 und 6 verbunden.
-
Die
Gleichrichterglättungseinheit 8 umfasst eine
erste Gleichrichtungsdiode 8a, die mit der ersten Sekundärwicklung 7b in
Durchlassrichtung verbunden ist, eine zweite Gleichrichtungsdiode 8b,
die mit der zweiten Sekundärwicklung 7c in
Durchlassrichtung verbunden ist, ein Induktanzelement 8c,
das mit den ersten und zweiten Gleichrichtungsdioden 8a und 8b an
seinem einen Ende verbunden ist, und einen Glättungskondensa tor 8d,
der mit dem anderen Ende des Induktanzelements 8c an seinem
einen Ende und mit dem Verbindungspunkt zwischen den ersten und
zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c an
seinem anderen Ende verbunden ist. Die Gleichrichterglättungseinheit 8 richtet
dadurch die induzierte Spannung gleich und glättet sie, die in zumindest entweder
der ersten oder zweiten Sekundärwicklung 7b oder 7c erzeugt
wird, und führt
eine Ausgangsspannung VOUT einer Last 11 zu, die mit beiden
Enden des Glättungskondensators 8d über Ausgangsanschlüsse 9a und 9b verbunden
ist.
-
Die
Regelschaltung 9 ermittelt die Ausgangsspannung VOUT, die
an beiden Enden des Glättungskondensators 8d erzeugt
wird, um dadurch den Betrieb der ersten bis vierten Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a derart
zu steuern, dass der Pegel der Ausgangsspannung VOUT fix bzw. unveränderlich ist.
Im Einzelnen gibt die Regelschaltung 9 die Regelsignale
G1 und G2 an die jeweiligen ersten und zweiten Schaltelemente 3a und 4a derart
aus, dass die ersten und zweiten Schaltelemente 3a und 4a beide sich
komplementär
in einer ersten vorbestimmten kurze Todzeitperiode in einem EIN-Schaltzustand
befinden, in dem die ersten und zweiten Schaltelemente 3a und 4a sich
in einem AUS-Schaltzustand befinden. In derselben Weise gibt die
Regelschaltung 9 die Regelsignale G3 und G4 an die jeweiligen
dritten und vierten Schaltelemente 5a und 6a derart
aus, dass die dritten und vierten Schaltelemente 5a und 6a beide
sich komplementär
in einer EIN-Schaltzustand in einer zweiten vorbestimmten kurze
Todzeitperiode befinden, in der beide, die dritten und vierten Schaltelemente 5a und 6a sich
in einem AUS-Schaltzustand befinden.
-
Die
Regelschaltung 9 regelt außerdem die ersten bis vierten
Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a derart,
dass eine Kurz schlusszeitperiode, in der die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen
ist, zwischen den ersten und zweiten Todzeitperioden stattfindet. Die
Regelschaltung 9 gibt insbesondere die Regelsignale G2
und G4 an die jeweiligen zweiten und vierten Schaltelemente 4a und 6a so
aus, dass eine Zeitperiode, in der die zweiten und vierten Schaltelemente 4a und 6a sich
im EIN-Schaltzustand befinden, zwischen den ersten und zweiten Todzeitperioden stattfindet.
Die Primärwicklung 7a ist
dadurch während
den ersten und zweiten Todzeitperioden kurzgeschlossen.
-
Mit
einer derartigen, vorstehend erläuterten Konfiguration
ist es in dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform möglich, Leckageinduktanz
und eine Erregungsinduktanz des Transformators 7 gespeicherte
Energie während
der Kurzschlusszeitperiode der Primärwicklung 7a zurückzuhalten.
In dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform können ferner die
ersten bis vierten parasitären
Kapazitäten 3c, 4c, 5c und 6c in
den ersten und zweiten Todperioden geladen und entladen werden.
Hierdurch vermag das Schaltnetzteil gemäß dieser Ausführungsform
einen Stoßstrom
zu unterbinden, der erzeugt wird, wenn jedes der ersten bis vierten
Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a sich
im EIN-Schaltzustand befindet (nachfolgend näher erläutert).
-
Jedes
der ersten bis vierten Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a ist
außerdem
mit der entsprechenden einen der ersten bis vierten Dioden 3b, 4b, 5b und 6b verbunden.
In dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform kann folglich eine
Stoßspannung
blockiert werden, die erzeugt wird, wenn jedes der ersten bis vierten
Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a sich im
AUS-Schaltzustand
befindet, und zwar effektiver. Das Schaltnetz teil dieser Ausführungsform
kann dadurch die Erzeugung von Stoßspannung unterbinden.
-
Die
Arbeitsweise des Schaltnetzteils wird nachfolgend unter Bezug auf 1 und 2 erläutert.
-
2 zeigt
ein Wellenformdiagramm einer Impulswellenform von jedem Regelsignal
und Spannungs- und Stromwellenformen unter einer Betriebsbedingung
des Schaltnetzteils, das in 1 gezeigt ist.
In (a) bis (j) von 2 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen.
In (a) bis (j) in 2 sind die jeweiligen Wellenformen
mit ihren jeweiligen Takt- bzw. Zeitverlaufspositionen oder Zeitpunkten
(durch vertikal durchbrochene Linien dargestellt) in Übereinstimmung
miteinander aufgetragen.
-
In
(a) bis (d) von 2 zeigen die Impulswellenformen
die jeweiligen Regelsignale G1 – G4
an. Eine Spannung V1 in (e) von 2 zeigt
die Wellenform einer Spannung an, die an die zweite Schalteinheit 4 angelegt
ist. Eine Spannung V2 in (f) von 2 zeigt
die Wellenform einer Spannung an, die an die vierte Schalteinheit 6 angelegt
ist. Eine Spannung Vt in (g) von 2 zeigt
die Wellenform einer Spannung an, die an die Primärwicklung 7a angelegte
ist. Ein Strom It in (h) von 2 zeigt
die Wellenform eines Stroms an, der in der Primärwicklung 7a fließt. Ein Strom
I1 in (i) von 2 zeigt die Wellenform eines Stroms
an, der in der ersten Schalteinheit 3 fließt. Ein Strom
I2 in (j) von 2 zeigt die Wellenform eines Stroms
an, der in der zweiten Schalteinheit 4 fließt.
-
Die
Regelschaltung 9 gibt das Regelsignal G1 an das erste Schaltelement 3a zu
einem Zeitpunkt T0 in 2 aus, so dass das erste Schaltelement 3a in
den EIN-Schaltzustand geschal tet wird. Da zu diesem Zeitpunkt das
vierte Schaltelement 6a sich bereits im EIN-Schaltzustand
befindet, wird die Eingangsspannung VIN an die Primärwicklung 7a von
der Gleichstromquelle 1 zugeführt. Die induzierte Spannung
(VIN/N) wird hierdurch in der ersten Sekundärwicklung 7b erzeugt,
und dadurch wird die erste Gleichrichtungsdiode 8a in einen
leitenden Zustand geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausgangsspannung
VOUT an das Induktanzelement 8c von dem Glättungskondensator 8d angelegt.
Eine Spannung (VIN/N – VOUT)
wird demnach an das Induktanzelement 8c angelegt. Daraufhin
wird ein Strom, der im Induktanzelement 8c fließt, linear
erhöht.
-
Bei
dem Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, handelt
es sich um die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 7 und
einem gewandelten Komponentenstrom, bei dem es sich um die Komponente
handelt, wie etwa dass ein Strom, der in der ersten Sekundärwicklung 7b fließt, in den Strom
gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Folglich
wird der vorstehend genannte Strom nicht linear erhöht, wie
in (h) von 2 gezeigt. Die Erregungsenergie
wird dadurch sowohl im Transformator 7 wie im Induktanzelement 8c gespeichert.
Zu diesem Zeitpunkt schaltet die Regelschaltung 9 sowohl
das zweite wie das dritte Schaltelement 4a und 5a ab
und das vierte Schaltelement 6a ein. Da die zweiten und
dritten Dioden 5b und 6b relativ zur Gleichstromquelle 1 umgekehrt
angeschlossen sind, wird die Eingangsspannung VIN für die zweiten
und dritten Dioden 5b und 6b entgegengesetzt vorgespannt.
Die zweiten und dritten Dioden 5b und 6b schalten
deshalb in einen nicht leitenden Zustand, wodurch die zweiten und
dritten Schalteinheiten 4 und 5 den Schaltungsbetrieb
in keiner Weise beeinträchtigen.
-
Die
Regelschaltung 9 gibt daraufhin das Regelsignal G1 an das
erste Schaltelement 3a zu einem Zeitpunkt T1 aus, so dass
das erste Schaltelement 3a in den AUS-Schaltzustand geschaltet
wird. Zu diesem Zeitpunkt fließt
der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, weiterhin
unbeeinträchtigt
kontinuierlich durch die Leckageinduktanz des Transformators 7.
Die erste parasitäre
Kapazität 3c wird
dadurch geladen und die zweite parasitäre Kapazität 4c wird entladen.
Die Spannung V1, die an die zweite Schalteinheit 4 angelegt
ist, wird dadurch allmählich
reduziert, um null zum Zeitpunkt T2 zu erreichen, und die zweite
Diode 4b wird in den leitenden Zustand geschaltet. Wenn
die zweite Diode 4b zu diesem Zeitpunkt T2 den leitenden
Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal
G2 an das zweite Schaltelement 4a derart aus, dass das
zweite Schaltelement 4a in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird. Das heißt, die
Regelschaltung 9 schaltet das zweite Schaltelement 4a zum
Zeitpunkt T2 ein nach der ersten Todzeitperiode, die zum Zeitpunkt
T1 gestartet wird. Wenn die Regelschaltung 9 das zweite Schaltelement 4a zu
diesem Zeitpunkt T2 einschaltet, tritt keine Schaltungsänderung
auf, unabhängig davon,
ob der Strom I2, der in der zweiten Schalteinheit 4 fließt, in der
zweiten Diode 4b oder im zweiten Schaltelement 4a fließt.
-
Das
vierte Schaltelement 6a befindet sich zu diesem Zeitpunkt
T2 bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn die zweite Diode 4b in
den leitenden Zustand schaltet und das zweite Schaltelement 4a in
den EIN-Schaltzustand schaltet, durchsetzt der Strom It, der in
der Primärwicklung 7a fließt, deshalb
das vierte Schaltelement 6a und die zweite Diode 4b bzw.
das zweite Schaltelement 4a. Hierdurch wird die Primärwicklung 7a so
kurzgeschlossen, dass sie sowohl in der Leckageinduktanz wie in
der Erregungsinduktanz des Transformators 7 gespeicherte
Energie gehalten wird.
-
Wenn
die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen
wird, fallen die in den ersten und zweiten Wicklungen 7b und 7c induzierten
Spannungen auf null und die an das Induktanzelement 8c angelegte
Spannung wird zu einer inversen Ausgangsspannung VOUT relativ zu
dem Glättungskondensator 8d.
Hierdurch wird ein Strom unterteilt und zum Fließen in die ersten und zweiten
Sekundärwicklungen 7b und 7c veranlasst,
um die Erregungsenergie kontinuierlich zu halten. Sowohl die erste
wie die zweite Gleichrichtungsdiode 8a und 8b werden
dadurch in den leitenden Zustand geschaltet.
-
Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G4 an das vierte
Schaltelement 6a zu einem Zeitpunkt T3 aus, so dass das
vierte Schaltelement 6a in den AUS-Schaltzustand geschaltet
wird. Hierdurch wird die dritte parasitäre Kapazität 5c entladen und
die vierte parasitäre
Kapazität 6c wird
geladen durch die im Transformator 7 gehaltene Energie.
Die an die vierte Schalteinheit 6 angelegte Spannung V2
wird dadurch allmählich
erhöht,
um die Eingangsspannung VIN zu einem Zeitpunkt T4 zu erreichen,
und die dritte Diode 5b wird in den leitenden Zustand geschaltet.
Wenn diese dritte Diode 5b zum Zeitpunkt T4 den leitenden
Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal
G3 an das dritte Schaltelement 5a derart aus, dass das
dritte Schaltelement 5a in den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Das heißt, die
Regelschaltung 9 schaltet das dritte Schaltelement 5a zum
Zeitpunkt T4 ein, nachdem die zweite Todzeitperiode zum Zeitpunkt
T3 gestartet hat. Wenn das dritte Schaltelement 5a zu diesem
Zeitpunkt T4 in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird, tritt keine
Betriebsänderung
unabhängig
davon auf, ob der Strom, der in der dritten Schalteinheit 5 fließt, in der
dritten Diode 5b oder in dem dritten Schaltelement 5a fließt.
-
Das
zweite Schaltelement 4a befindet sich zum Zeitpunkt T4
bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn das dritte Schaltelement 5a in
den EIN-Schaltzustand geschaltet wird, durchsetzt deshalb der Strom
It, der in der Primärwicklung 7a fließt, die
zweiten und dritten Schaltelemente 4a und 5a.
Hierdurch wird eine inverse Eingangsspannung (–VIN) an die Primärwicklung 7a angelegt,
wodurch der in der Primärwicklung 7a fließende Strom
It scharf bzw. kurzfristig verringert wird. Daraufhin wird ein inverser Strom
in ausreichender Weise der Primärwicklung 7a zugeführt, woraufhin
die erste Gleichrichtungsdiode 8a in den nicht leitenden
Zustand schaltet und die induzierte Spannung (VIN/N) in der zweiten
Sekundärwicklung 7c erzeugt
wird. Folglich wird die Spannung (VIN/N – VOUT) an das Induktanzelement 8c angelegt,
und dadurch wird der in dem Induktanzelement 8c fließende Strom
linear erhöht.
Der Strom It wird dadurch linear verringert, weil der Strom It,
der in der Primärwicklung 7a fließt, die
Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 7 und einem
gewandelten Komponentenstrom einnimmt, bei dem es sich um die Komponente
handelt, demnach ein in der zweiten Sekundärwicklung 7c fließender Strom
in den Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Die
Erregungsenergie wird dadurch sowohl im Transformator 7 wie
im Induktanzelement 8c gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt
schaltet die Regelschaltung 9 die ersten und vierten Schaltelemente 3a und 6a aus
und das zweite Schaltelement 4a ein. Da die ersten und
zweiten Dioden 3b und 6b jedoch umgekehrt relativ
zur Gleichstromquelle 1 geschaltet sind, wird die Eingangsspannung
VIN an die ersten und vierten Dioden 3b und 6b in
umgekehrter Richtung vorgespannt. Die ersten und vierten Dioden 3b und 6b schalten
dadurch in den nicht leitenden Zustand, wodurch die ersten und vierten
Schalteinheiten 3 und 6 den Schaltbetrieb in keiner
Weise beeinträchtigen.
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Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G3 an das dritte
Schaltelement 5a zu einem Zeitpunkt T5 aus, so dass das
dritte Schaltelement 5a in den AUS-Schaltzustand geschaltet
wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, durch
die Leckageinduktanz des Transformators 7 kontinuierlich
weiterhin fließt. Hierdurch
wird die dritte parasitäre
Kapazität 5c geladen
und die vierte parasitäre
Kapazität 6c wird
entladen. Dadurch wird die an die vierte Schalteinheit 6 angelegte
Spannung V2 allmählich
verringert, um zum Zeitpunkt T6 null zu erreichen, und die vierte
Diode 6b wird in den leitenden Zustand geschaltet. Wenn
die vierte Diode 6b zu diesem Zeitpunkt T6 den leitenden
Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal
G4 an das vierte Schaltelement 6a aus, so dass das vierte
Schaltelement 6a in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird.
Das heißt,
die Regelschaltung 9 schaltet das vierte Schaltelement 6a zum
Zeitpunkt T6 ein nach der zweiten Todzeitperiode, die zum Zeitpunkt
T5 gestartet wurde. Wenn zu diesem Zeitpunkt T6 das vierte Schaltelement 6a in den
EIN-Schaltzustand
schaltet, findet keine Betriebsänderung
statt, unabhängig
davon, ob der Strom der in der vierten Schalteinheit 6,
in der vierte Diode 6b oder im vierten Schaltelement 6a fließt.
-
Das
zweite Schaltelement 4a befindet sich zu diesem Zeitpunkt
T6 bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn das vierte Schaltelement 6a in
den EIN-Schaltzustand schaltet, fließt deshalb der Strom It, der
in der Primärwicklung 7a fließt, in dem
zweiten Schaltelement 4a und in dem vierten Schaltelement 6a.
Hier durch wird die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen,
so dass die sowohl in der Leckageinduktanz wie in der Erregungsinduktanz
des Transformators 7 gespeicherte Energie gehalten wird.
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Wenn
die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen
wird, fallen die in den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c induzierten
Spannungen auf null, und die an das Induktanzelement 8c angelegte
Spannung nimmt die inverse Ausgangsspannung relativ zum Glättungskondensator 8d ein.
Hierdurch wird der Strom geteilt und in die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c so
fließen gelassen,
dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird. Sowohl die
erste wie die zweite Gleichrichtungsdiode 8a und 8b schalten
dadurch in den leitenden Zustand.
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Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G2 an das zweite
Schaltelement 4a zum Zeitpunkt T7 so aus, so dass das zweite
Schaltelement 4a in den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Hierdurch
wird die erste parasitäre
Kapazität 3c entladen
und die zweite parasitäre
Kapazität 4c wird
geladen durch die Energie, die im Transformator 7 gehalten
ist. Die Spannung V1, die an die zweite Schalteinheit 4 angelegt
ist, wird dadurch allmählich
größer und
erreicht die Eingangsspannung VIN zu einem Zeitpunkt T8, und die
erste Diode 3b wird in den leitenden Zustand geschaltet.
Wenn die erste Diode 3b zum Zeitpunkt T8 den leitenden
Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal
G1 an das erste Schaltelement 3a aus, so dass das erste
Schaltelement 3a in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird.
Das heißt,
die Regelschaltung 9 schaltet das erste Schaltelement 3a zum
Zeitpunkt T8 ein, nachdem die erste Todzeitperiode zum Zeitpunkt
T7 gestartet ist. Wenn das erste Schaltelement 3a zu diesem
Zeitpunkt T8 in den EIN-Schaltzustand schaltet, tritt keine Betriebsände rung
auf, unabhängig
davon, ob der Strom I1, der in der ersten Schalteinheit 3 fließt, in der
ersten Diode 3b oder im ersten Schaltelement 3a fließt.
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Das
vierte Schaltelement 6a befindet sich zum Zeitpunkt T8
bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn das erste Schaltelement 3a in
den EIN-Schaltzustand schaltet, durchsetzt deshalb der Strom It,
der in der Primärwicklung 7a fließt, das
erste Schaltelement 3a und das vierte Schaltelement 6a.
Die Eingangsspannung VIN wird deshalb an die Primärwicklung 7a derart
angelegt, dass der Strom It in der Primärwicklung 7a scharf
bzw. steil ansteigend größer wird.
Wenn daraufhin der Strom It in ausreichender Menge der Primärwicklung 7a zugeführt wird,
wird die zweite Gleichrichtungsdiode 8b in den nicht leitenden
Zustand geschaltet, wodurch die induzierte Spannung (VIN/N) in der
ersten Sekundärwicklung 7b erzeugt
wird. Die Spannung (VIN/N – VOUT)
wird deshalb an das Induktanzelement 8c derart angelegt, dass
der Strom im Induktanzelement 8c linear größer wird.
Der Strom It wird linear verringert, weil der Strom It, der in der
Primärwicklung 7a fließt, die
Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 7 und einem
gewandelten Komponentenstrom einnimmt, bei dem es sich um die Komponente
handelt, demnach ein in der ersten Sekundärwicklung 7b fließender Strom
in den Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Die
Erregungsenergie wird dadurch sowohl im Transformator 7 wie
im Induktanzelement 8c gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt schaltet
die Regelschaltung 9 die zweiten und dritten Schaltelemente 4a und 5a aus
und die ersten und vierten Schaltelement 3a und 6a ein.
Da die zweiten und dritten Dioden 4b und 5b relativ
zur Gleichstromquelle 1 umgekehrt angeschlossen sind, wird
die Eingangsspannung VIN an die zweiten und dritten Dioden 4b und 5b in
umgekehrter Richtung vorgespannt. Die zweiten und drit ten Dioden 4b und 5b schalten dadurch
in den nicht leitenden Zustand, weshalb die zweiten und dritten
Schalteinheiten 4 und 5 den Schaltkreis- bzw.
Stromkreisbetrieb nicht beeinträchtigen.
Das Schaltnetzteil gemäß dieser
Ausführungsform
wiederholt daraufhin die vorstehend angeführten Betriebsabläufe.
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Nunmehr
wird das Verhältnis
der EIN-Schaltperiode zu der AUS-Schaltperiode
von jeder der ersten und vierten Schalteinheiten 3–6 in
dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform
erläutert.
-
In
der nachfolgenden Erläuterung
wird vorausgesetzt, dass die EIN-Schaltperiode TON sowohl in der
ersten wie der zweiten Schalteinheit 3 und 5 gleich
ist. Ferner wird vorausgesetzt, dass die AUS-Schaltperiode TOFF
zwischen dem Zustand, wenn sich die erste Schalteinheit 3 im
AUS-Schaltzustand befindet, und dem Zustand, wenn sich die dritte Schalteinheit 5 im
EIN-Schaltzustand
gleich der AUS-Schaltperiode TOFF zwischen dem Zustand ist, wenn
sich die dritte Schalteinheit 5 im AUS-Schaltzustand befindet, und wenn sich
die vierte Schalteinheit 4 im EIN-Schaltzustand befindet.
Ferner wird angenommen, dass die erste Todzeitperiode (T1 – T2, T2 – T8) und
die zweite Todzeitperiode (T3 – T4,
T5 – T6) den
Betrieb der zweiten und vierten Schalteinheiten 4 und 6 in
keiner Weise beeinträchtigen,
weil diese Perioden kurz sind.
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Die
nachfolgende Gleichung (1) ergibt sich aus der Rücksetzbedingung des Induktanzelements 8c. (VIN/N – VOUT) × TON = VOUT × TOFF (1)
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Unter
Verwendung der nachstehend genannten Gleichung (2) kann die Gleichung
(1) in die Gleichung (3) wie folgt geändert werden. δ = TON/(TON + TOFF) (2) VOUT = δ × VIN/N (3)
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Wie
aus den Gleichung (2) und (3) hervorgeht, kann in dem Schaltnetzteil
dieser Ausführungsform
die Ausgangsspannung VOUT geregelt werden durch Einstellen des Verhältnisses
der EIN-Schaltperiode zu der AUS-Schaltperiode von jeder der ersten und
dritten Schalteneinheiten 3 und 5. In dem Schaltnetzteil
dieser Ausführungsform
wird die Eingangsspannung VIN in die Ausgangsspannung VOUT gewandelt,
wie in der Gleichung (3) gezeigt, unter Verwendung derselben Wandlungsgleichung
wie im Falle des herkömmlichen
Vollbrückenstromrichters.
In diesem Fall ist die Ausgangsspannung VOUT niedriger als die herkömmliche
Spannung, wenn die ersten und die zweiten Todzeitperioden in Betracht
gezogen werden. In dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform
kann jedoch eine vorbestimmte Ausgangsspannung VOUT erzielt werden
durch Vergrößern des
in der Gleichung (2) gezeigten δ-Wertes.
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In
dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform
regelt die Regelschaltung 9 außerdem derart, dass der EIN-Schaltzustand
und der AUS-Schaltzustand zum Wählen
der Zeitabläufe
bzw. Takte der ersten Schalteinheit 3 um einen halben Schaltzyklus verschoben
sind, ausgehend von den EIN-Schaltzustand- und AUS-Schaltzustand-Einstelltakten
bzw. -Zeitverläufen
der der dritten Schalteinheit 5. Insbesondere regelt die
Regelschaltung 9 die Schaltvorgänge der ersten und dritten
Schalteinheiten 3 und 5 derart, dass die Periode
zwischen T0 und T8 doppelt so groß wird wie die Periode zwischen
T0 und T4, wie in 2 gezeigt. Die Eingangsspannung
VIN wird deshalb der Primärwicklung 7a mit
gleichen Intervallen so zugeführt,
dass VIN bei der Zufuhr abwechselnd umgekehrt wird. Hierdurch kann
in dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform die induzierte Spannung
in den ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c in
gut ausgeglichener Weise erzeugt werden.
-
Wie
vorstehend erläutert,
regelt in dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform die Regelschaltung 9 die
ersten und vierten Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a derart,
dass die Kurzschlusszeitperiode, in der die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen ist,
zwischen den ersten und zweiten Kurzschlussperioden zu liegen kommt.
Dadurch kann die in der Leckageinduktanz und der Erregungsinduktanz
des Transformators 7 während
der Kurzschlusszeitperiode der Primärwicklung 7a gespeicherte
Energie gehalten werden. Ferner kann jede der ersten bis vierten
parasitären
Kapazitäten 3c, 4c, 5c und 6c durch die
Energie geladen und entladen werden, die gespeichert wurde, bevor
sich die entsprechenden Schaltelemente 3a, 4a, 5a und 6a im
EIN-Schaltzustand befanden. Das Schaltnetzteil dieser Ausführungsform
vermag deshalb die Ausbildung eines stoßartigen Kurzschlussstroms
(Stoßstroms)
zu reduzieren, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird und das
Entstehen von Geräusch
unterdrückt
wird.
-
Ferner
kann in dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform die Stoßspannung,
die durch die Leckageinduktanz des Transformators 7 hervorgerufen
wird, in wirksamer Weise blockiert werden, wenn sich die ersten
und zweiten Schaltelemente 3a und 4a im AUS-Schaltzustand
befinden durch Einschalten der zweiten und ersten Dioden 4b und 3b.
Dadurch wird verhindert, dass die Stoßspannung an die Primärwicklung 7a angelegt
wird. In ähnlicher
Weise kann in dem Schaltnetzteil dieser Ausfüh rungsform die Stoßspannung
i wirksamer Weise blockiert werden, die hervorgerufen ist durch
die Leckageinduktanz des Transformators 7, wenn sich die
dritten und vierten Schaltelemente 5a und 6a im
AUS-Schaltzustand befinden durch Einschalten der vierten und dritten
Dioden 6b und 5b. Dadurch wird verhindert, dass die
Stoßspannung
an die Primärwicklung 7a angelegt
wird. Das Schaltnetzteil in dieser Ausführungsform kann dadurch verhindern,
dass die Stoßspannung
in der Ausgangsspannung VOUT erzeugt wird.
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Wie
vorstehend erläutert,
wird jede der ersten bis vierten parasitären Kapazitäten 3c, 4c, 5c und 6c durch
die Energie geladen und entladen, die in der Leckageinduktanz des
Transformators 7 gespeichert ist. Dadurch kann das Induktanzelement
mit der Primärwicklung 7a oder
der ersten Sekundärwicklung 7b des
Transformators 7 in Reihe geschaltet werden, wodurch die
Entladeenergie von jeder der parasitären Kapazitäten 3c, 4c, 5c und 6c vergrößert wird. Dadurch
kann der Induktanzwert des Transformators 7 verringert
werden und der Transformator kann in entgegengesetzter Richtung
erregt werden, und dadurch kann die Entladung der ersten und zweiten
parasitären
Kapazitäten 3c und 4c und
der verteilten Kapazität
des Transformators 7 gefördert werden.
-
Die
Eingangsspannung VIN ist die maximale Spannung, die an jede der
Schalteinheiten 3–6 angelegt
ist. Der Transformator 7 wird für eine Gleichspannung nicht
in einer Richtung erregt. Folglich ist ein Schaltnetzteil dieser
Ausführungsform
mit hohem Wirkungsgrad, geringem Geräusch und hoher Schaltfrequenz
realisierbar.
-
«Zweite Ausführungsform»
-
3 zeigt
ein Wellenformdiagramm einer Impulswellenform von jedem Steuersignal
und Spannungs- und Stromwellenformen unter der Betriebsbedingung
eines Schaltnetzteils in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
-
In
dem Schaltnetzteil dieser Ausführungsform
werden die ersten und dritten Schaltelemente derart gesteuert bzw.
geregelt, dass eine Zeitperiode, in der sich die ersten und dritten
Schaltelemente im EIN-Schaltzustand befinden, zwischen den ersten und
zweiten Todzeitperioden zu liegen kommt. Die übrigen Elemente und Abschnitte
sind ähnlich
wie diejenigen der ersten Ausführungsform
und werden nicht erläutert.
-
In
(a) bis (d) von 3 bezeichnen die Impulswellenformen
die Regelsignale G1 – G4.
Eine Spannung V1 in (e) von 3 bezeichnet
die Wellenform einer an die zweite Schalteinheit 4 angelegten Spannung.
Eine Spannung V2 in (f) von 3 bezeichnet
die Wellenform einer an die vierte Schalteinheit 6 angelegten
Spannung. Eine Spannung Vt in (g) von 3 bezeichnet
die Wellenform einer an die Primärwicklung 7a angelegten
Spannung. Der Strom It in (h) von 3 bezeichnet
die Wellenform eines in der Primärwicklung 7a fließenden Stroms.
Ein Strom I1 in (i) von 3 bezeichnet die Wellenform
eines Stroms, der in der ersten Schalteinheit 3 fließt. Ein Strom
I2 in (j) von 3 bezeichnet die Wellenform eines
Stroms, der in der zweiten Schalteinheit 4 fließt. In (a)
bis (j) von 2 ist auf der Abszisse die Zeit
aufgetragen. In (a) bis (j) von 2 sind die
jeweiligen Wellenformen mit ihren Zeit- bzw. Zeitverlaufspositionen
(durch vertikale durchbrochene Linien gezeigt) in Übereinstimmung
mit einander dargestellt.
-
Die
Arbeitsweise des Schaltnetzteils wird nunmehr unter Bezug auf 1 und 3 erläutert.
-
Die
Regelschaltung 9 gibt das Regelsignal G4 an das vierte
Schaltelement 6a zu einem Zeitpunkt T0' in 3 aus, so
dass das vierte Schaltelement 6a in den EIN-Schaltzustand
geschaltet wird. Da sich zu diesem Zeitpunkt das erste Schaltelement 3a bereits
im EIN-Schaltzustand befindet, wird die Eingangsspannung VIN der
Primärwicklung 7a von der
Gleichstromquelle 1 zugeführt. Hierdurch wird die induzierte
Spannung (VIN/N) in der ersten Sekundärwicklung 7b erzeugt
und dadurch wird die erste Gleichrichtungsdiode 8a in den
leitenden Zustand geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausgangsspannung
VOUT an das Induktanzelement 8c von dem Glättungskondensator 8d angelegt.
Eine Spannung (VIN/N – VOUT)
wird deshalb an das Induktanzelement 8c angelegt. Ein in
dem Induktanzelement 8c fließender Strom wird dadurch linear
erhöht.
-
Der
in der Primärwicklung 7a fließende Strom
It ist die Summe aus einem Erregungsstrom des Transformators 7 und
einem gewandelten Komponentenstrom, wobei es sich hier um die Komponente
handelt, demnach der Strom, der in der ersten Sekundärwicklung 7b fließt, in den
Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Folglich wird
der vorstehend genannte Strom linear erhöht, wie in (h) von 3 gezeigt.
Die Erregungsenergie wird dadurch sowohl im Transformator 7 wie
im Induktanzelement 8c gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt schaltet
die Regelschaltung 9 sowohl das zweite wie das dritte Schaltelement 4a und 5a aus
und die ersten und vierten Schaltelemente 3a und 6a ein.
Da die zweiten und dritten Dioden 5b und 6b relativ
zur Gleichstromquelle 1 umgekehrt bzw. entgegengesetzt
geschaltet sind, wird jedoch die Eingangs spannung VIN an die zweiten
und dritten Dioden 5b und 6b in umgekehrter Richtung
vorgespannt. Die zweiten und dritten Dioden 5b und 6b werden
dadurch in den nicht leitenden Zustand geschaltet, wodurch die zweiten
und dritten Schalteinheiten 4 und 5 den Schaltungs-
bzw. Schaltkreisbetrieb nicht beeinflussen bzw. beeinträchtigen.
-
Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G4 an das vierte
Schaltelement 6a zu einem Zeitpunkt T1' aus, so dass das vierte Schaltelement 6a in
den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Strom
It, der in der Primärwicklung 7a fließt, weiterhin,
beeinflusst durch die Leckageinduktanz des Transformators 7,
in kontinuierlicher Weise. Die vierte parasitäre Kapazität 6c wird dadurch
geladen und die dritte zweite parasitäre Kapazität 5c wird entladen.
Die an die vierte Schalteinheit 6 abgelegte Spannung V2
wird dadurch allmählich
vergrößert und
erreicht zum Zeitpunkt T2' die Eingangsspannung
VIN, und die dritte Diode 5b wird in den leitenden Zustand
geschaltet. Wenn die dritte Diode 5b zu diesem Zeitpunkt
T2' den leitenden
Zustand erreicht, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal
G3 an das dritte Schaltelement 5a aus, so dass das dritte
Schaltelement 5a in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird. Das heißt, die
Regelschaltung 9 schaltet das dritte Schaltelement 5a zum
Zeitpunkt T2' ein,
nachdem die zweite Todzeitperiode zum Zeitpunkt T1' gestartet ist. Wenn
die Regelschaltung 9 das dritte Schaltelement 5a zu
diesem Zeitpunkt T2' einschaltet,
tritt unabhängig
davon keine Betriebsänderung
auf, ob der in der dritten Schalteinheit 5 fließende Strom
in der dritten Diode 5b oder im dritten Schaltelement 5a fließt.
-
Das
erste Schaltelement 3a befindet sich zu diesem Zeitpunkt
T2' bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn
die dritte Diode 5b in den leitenden Zustand schaltet und
das dritte Schaltelement 5a in den EIN-Schaltzustand schaltet,
durchsetzt deshalb der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, das
erste Schaltelement 3a und die dritte Diode 5b oder
das dritte Schaltelement 5a. Die Primärwicklung 7a ist deshalb
kurzgeschlossen, so dass die sowohl in der Leckageinduktanz wie
in der Erregungsinduktanz des Transformators 7 gespeicherte
Energie gehalten wird.
-
Wenn
die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen
ist, fallen die in den ersten und zweiten Wicklungen 7b und 7c induzierten
Spannungen auf null, und die an das Induktanzelement 8c angelegte
Spannung wird zu einer inversen Ausgangsspannung VOUT relativ zu
dem Glättungskondensator 8d.
Dadurch wird ein Strom unterteilt und in den ersten und zweiten
Sekundärwicklungen 7b und 7c so
zum Fließen
gebracht, dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird.
Sowohl die erste wie die zweite Gleichrichtungsdiode 8a und 8b werden
dadurch in den leitenden Zustand geschaltet.
-
Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G1 an das erste
Schaltelement 3a zu einem Zeitpunkt T3' aus, so dass das erste Schaltelement 3a in
den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Die zweite parasitäre Kapazität 4c wird
hierdurch entladen und die erste parasitäre Kapazität 3c wird geladen
durch die Energie, die im Transformator 7 gehaltenen ist.
Die an die zweite Schalteinheit 3 angelegte Spannung V1
nimmt dadurch allmählich
ab und erreicht zum Zeitpunkt T4' null,
und die zweite Diode 4b wird in den leitenden Zustand geschaltet.
Wenn diese zweite Diode 4b zum Zeitpunkt T4' den leitenden Zustand
einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G2
an das zweite Schaltelement 4a derart aus, dass das zweite
Schaltelement 4a in den EIN-Schaltzustand geschaltet wird.
-
Das
heißt,
die Regelschaltung 9 schaltet das zweite Schaltelement 4a zum
Zeitpunkt T4' ein,
nachdem die zweite Todzeitperiode zum Zeitpunkt T3' gestartet ist. Wenn
das zweite Schaltelement 4a zu diesem Zeitpunkt T4' in den EIN-Schaltzustand schaltet, tritt
keinerlei Betriebsänderung
auf, unabhängig
davon, ob der in der zweiten Schalteinheit 4 fließende Strom
in der zweiten Diode 4b oder in dem zweiten Schaltelement 4a fließt.
-
Das
dritte Schaltelement 5a befindet sich zum Zeitpunkt T4' bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn
das zweite Schaltelement 4a in den EIN-Schaltzustand geschaltet
wird, durchsetzt der in der Primärwicklung 7a fließende Strom
It deshalb die zweiten und dritten Schaltelemente 4a und 5a.
Die inverse Eingangsspannung (–VIN)
wird dadurch an die Primärwicklung 7a angelegt,
und dadurch wird der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, scharf bzw.
steil reduziert. Daraufhin wird der inverse Strom ausreichend der
Primärwicklung 7a zugeführt, woraufhin
die erste Gleichrichtungsdiode 8a in den nicht leitenden
Zustand schaltet und die induzierte Spannung (VIN/N) wird in der
zweiten Sekundärwicklung 7c erzeugt
wird. Die Spannung (VIN/N – VOUT)
wird hierdurch an das Induktanzelement 8c angelegt und dadurch
wird der im Induktanzelement 8c fließende Strom linear erhöht. Der
Strom It wird linear verringert, weil der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, die
Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 7 und einem
gewandelten Komponentenstrom einnimmt, bei dem es sich um die Komponente
handelt, demnach ein in der zweiten Sekundärwicklung 7c fließender Strom
in den Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Dadurch
wird die Erregungsenergie sowohl im Transformator 7 wie
im Induktanzelement 8c gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt
schaltet die Regelschaltung 9 die ersten und vierten Schaltelemente 3a und 6a aus und
das zweite Schaltelement 4a ein. Da die ersten und vierten
Dioden 3b und 6b relativ zur Gleichstromquelle 1 entgegengesetzt
bzw. umgekehrt angeschlossen sind, wird die Eingangsspannung VIN
an die ersten und vierten Dioden 3b und 6b in
umgekehrter bzw. entgegengesetzter Richtung vorgespannt. Die ersten
und vierten Dioden 3b und 6b schalten deshalb
in den leitenden Zustand, wodurch die ersten und vierten Schalteinheiten 3 und 6 den Schaltungs-
bzw. Stromkreisbetrieb nicht beeinträchtigen.
-
Daraufhin
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G2 an das zweite
Schaltelement 4a zu einem Zeitpunkt T5' derart aus, dass das zweite Schaltelement 4a in
den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Der Strom It, der in der
Primärwicklung 7a fließt, fließt deshalb
weiterhin beeinflusst durch die Leckageinduktanz des Transformators 7 in
kontinuierlicher Weise.
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Die
zweite parasitäre
Kapazität 4c wird
folglich geladen und die erste parasitäre Kapazität 3c wird entladen.
Die an die zweite Schalteinheit 4 angelegte Spannung V1
wird dadurch allmählich
vergrößert und
erreicht die Eingangsspannung VIN zu einem Zeitpunkt T6', und die erste Diode 3b schaltet
in den leitenden Zustand. Wenn die erste Diode 3b zu diesem
Zeitpunkt T6' den
leitenden Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das
Regelsignal G1 an das erste Schaltelement 3a aus, dass
das erste Schaltelement 3a in den EIN-Schaltzustand geschaltet
wird. Das heißt,
die Regelschaltung 9 schaltet das erste Schaltelement 3a zum
Zeitpunkt T6' ein,
nachdem die erste Todzeitperiode zum Zeitpunkt T5' gestartet ist. Wenn
zu diesem Zeitpunkt T6' das
erste Schaltelement 3a in den EIN-Schaltzustand schaltet, tritt keine
Betriebsänderung
auf, unabhängig
davon, ob der in der ersten Schalteinheit 3 flie ßende Strom in
der ersten Diode 3b oder in dem ersten Schaltelement 3a fließt.
-
Das
dritte Schaltelement 5a befindet sich zu diesem Zeitpunkt
T6' bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn
das erste Schaltelement 3a in den EIN-Schaltzustand schaltet,
fließt
deshalb der in der Primärwicklung 7a fließende Strom
It in dem ersten Schaltelement 3a und in dem dritten Schaltelement 5a.
Hierdurch wird die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen, so
dass die sowohl in der Leckageinduktanz wie in der Erregungsinduktanz
des Transformators 7 gespeicherte Energie gehalten wird.
-
Wenn
die Primärwicklung 7a kurzgeschlossen
ist, fallen die induzierten Spannungen, die in den ersten und zweiten
Sekundärwicklungen 7b und 7c erzeugt
werden, auf null, und die an das Induktanzelement 8c angelegte
Spannung nimmt die inverse Eingangsspannung relativ zum Glättungskondensator 8d ein.
Der Strom wird hierdurch geteilt und in die ersten und zweiten Sekundärwicklungen 7b und 7c derart
fließen
gelassen, dass die Erregungsenergie kontinuierlich gehalten wird.
Sowohl die erste wie die zweite Gleichrichtungsdiode 8a und 8b schalten
in den leitenden Zustand.
-
Darauf
gibt die Regelschaltung 9 das Regelsignal G3 an das dritte
Schaltelement 5a zum Zeitpunkt T7' derart aus, dass das dritte Schaltelement 5a in
den AUS-Schaltzustand geschaltet wird. Die vierte parasitäre Kapazität 6c wird
dadurch entladen und die dritte parasitäre Kapazität 5c wird geladen durch
die Energie, die im Transformator 7 gehalten ist. Die Spannung
V2, die an die vierte Schalteinheit 6 angelegt ist, nimmt
dadurch allmählich
ab und erreicht null zu einem Zeitpunkt T8', und die vierte Diode 6b wird
in den leitenden Zustand geschaltet. Wenn die vierte Diode 6b zum
Zeitpunkt T8' den
leitenden Zustand einnimmt, gibt die Regelschaltung 9 das
Regelsignal G4 an das vierte Schaltelement 6a derart aus,
dass das vierte Schaltelement 6a in den EIN-Schaltzustand
geschaltet wird. Das heißt,
die Regelschaltung 9 schaltet das vierte Schaltelement 6a zum
Zeitpunkt T8' ein,
nachdem die zweite Todzeitperiode zum Zeitpunkt T7' gestartet ist. Wenn
das vierte Schaltelement 6a zu diesem Zeitpunkt T8' in den EIN-Schaltzustand
schaltet, findet keine Betriebsänderung
statt, unabhängig
davon, ob der in der vierten Schalteinheit 6 fließende Strom
in der vierten Diode 6b oder in dem vierten Schaltelement 6a fließt.
-
Das
erste Schaltelement 3a befindet sich zum Zeitpunkt T8' bereits im EIN-Schaltzustand. Wenn
sich deshalb das vierte Schaltelement 6a im EIN-Schaltzustand
befindet, durchsetzt der Strom It, der in der Primärwicklung 7a fließt, das
erste Schaltelement 3a und das vierte Schaltelement 6a.
Die Eingangsspannung VIN wird dadurch an die Primärwicklung 7a derart
angelegt, dass der in der Primärwicklung 7a fließende Strom
scharf erhöht
wird. Wenn daraufhin der Strom It ausreichend der Primärwicklung 7a zugeführt wird,
wird die zweite Gleichrichtungsdiode 8b in den nicht leitenden
Zustand geschaltet und dadurch wird die induzierte Spannung (VIN/N)
in der ersten Sekundärwicklung 7b erzeugt.
Die Spannung (VIN/N – VOUT)
wird deshalb an das Induktanzelement 8c so angelegt, dass
der Strom in dem Induktanzelement 8c linear erhöht wird.
Der Strom It wird deshalb linear verringert, weil der Strom It,
der in der Primärwicklung 7a fließt, die
Summe aus dem Erregungsstrom des Transformators 7 und einem
gewandelten Komponentenstrom einnimmt, bei dem es sich um die Komponente
handelt, demnach ein in der ersten Sekundärwicklung 7b fließender Strom
in den Strom gewandelt wird, der durch die Primärwicklung 7a fließt. Die
Erregungsenergie wird dadurch so wohl im Transformator 7 wie
im Induktanzelement 8c gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt
schaltet die Regelschaltung 9 die zweiten und dritten Schaltelemente 4a und 5a aus
und die ersten und vierten Schaltelement 3a und 6a ein.
Da die zweiten und dritten Dioden 4b und 5b relativ
zur Gleichstromquelle 1 umgekehrt bzw. entgegengesetzt
geschaltet sind, wird jedoch die Eingangsspannung VIN an die zweiten
und dritten Dioden 4b und 5b entgegengesetzt bzw.
umgekehrt vorgespannt. Die zweiten und dritten Dioden 4b und 5b schalten
deshalb in den nicht leitenden Zustand und dadurch beeinflussen
die zweiten und dritten Schalteinheiten 4 und 5 den
Schaltungsbetrieb nicht. Daraufhin wiederholt das Schaltnetzteil
gemäß dieser
Ausführungsform
die vorstehend angeführten Betriebsabläufe.
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Durch
die vorstehenden Betriebsabläufe
vermag das Schaltnetzteil in dieser Ausführungsform dieselbe Wirkung
zu erzielen wie dasjenige in der ersten Ausführungsform.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die aktuell bevorzugten
Ausführungsformen erläutert wurde,
wird bemerkt, dass diese Offenbarung nicht als beschränkend anzusehen
ist. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen erschließen sich
dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die vorliegende
Erfindung wendet, nachdem dieser die vorstehend genannte Offenbarung
gelesen hat. Die anliegenden Ansprüche sind deshalb als sämtliche
Abwandlungen und Modifikationen abdeckend anzusehen, die in den
Umfang der Erfindung fallen.