DE69921883T2 - Stromresonanzartiger Schaltnetzteil - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltstromversorgungsschaltung, und insbesondere ein Schaltstromversorgungsgerät, das nützlich ist, wenn eine auf einer Sekundärseite in einem Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät zu erzielende Ausgangsspannung als ein Synchrongleichrichterverfahren verwendet wird.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • In letzter Zeit haben in Zusammenhang mit der Einsparung von Energie weltweit verschiedene Schaltstromversorgungsgeräte einen höheren Wirkungsgrad bei der Rauschreduzierung gefordert.
  • Insbesondere wurde als Stromversorgungsschaltung für ein Gerät, wie beispielsweise einen Computer, ein Übertragungsgerät und dergleichen, ein DC/DC-Umsetzer gefordert, bei dem ein hoher Wirkungsgrad erhalten bleibt und Rauschen selbst bei einem niedrigen Spannungsausgang klein ist.
  • Jedoch wird im Allgemeinen, falls eine geringe Spannung ausgegeben wird, im Fall des gleichen Stromverbrauchs ein Ausgangsstrom zu einem großen Strom. Im Fall des DC/DC-Umsetzers zeigt ein Widerstandsverlust aufgrund einer Gleichrichterdiode auf einer Sekundärseite einen großen Energieverlust.
  • Deshalb wird überlegt, dass durch Verwenden eines Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgeräts, bei dem das Rauschen bei einem hohen Wirkungsgrad relativ klein ist, und einer Gleichrichterdiode, um mit einem geringen Einschaltwiderstand auf der Sekundärseite auszugeben, zum Beispiel einem MOS-Transistor, eine Ausgangsgleichspannung durch Gleichrichten mit einem synchronen Gleichrichterverfahren abgeleitet wird.
  • 4 zeigt ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsschaltung, die eine solche Kombination verwendet. Die Bezugszeichen Q1 und Q2 bezeichnen Schaltelemente, die jeweils einen seriell geschalteten MOSFET aufweisen. Ein Bezugszeichen T bezeichnet einen Trenntransformator zum Übertragen eines Schaltstroms auf einer Primärseite zu einer Sekundärseite.
  • IC bezeichnet eine Signalquelle zum abwechselnden Ein/Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q2 in einer vorbestimmten Schaltperiode und ist regelmäßig so aufgebaut, um das Variieren einer Schaltfrequenz der Schaltelemente zu ermöglichen, während eine Ausgangsspannung VO durch eine Spannungserfassungseinrichtung (nicht dargestellt) mit einer Referenzspannung verglichen wird, für eine derartige Steuerung, dass die Ausgangsspannung VO auf eine konstante Spannung gesetzt werden kann.
  • Der Ausgang der Schaltelemente Q1 und Q2 wird einer Primärwicklung L1 des Trenntransformators T und einem Resonanzkondensator C1 zugeführt. Falls die Schaltelemente Q1 und Q2 abwechselnd ein/ausgeschaltet werden, wird die Primärwicklung L1 des Transformators mit einem Strom angetrieben, um den Resonanzkondensator C1 zu laden/entladen, um auf eine Streuinduktivität des Transformators T mitzuschwingen. Wie in 5 dargestellt, wird eine Spannung V1, die an die Primärwicklung L1 angelegt wird, als V2 auf eine Sekundärwicklung L2 induziert. Im Fall des normalen DC/DC-Umsetzers wird durch ein Paar Gleichrichterdioden eine Vollweggleichrichtung durchgeführt.
  • Wenn jedoch die Ausgangsspannung niedrig ist, ist ein Verlust durch die Gleichrichterdioden bemerkenswert groß. Wie in 4 dargestellt, wird daher anstelle der Gleichrichterdiode durch die Verwendung von N-Kanal-MOS-Transistoren Q3 und Q4 eine Vollweggleichrichtung durch ein Synchronisierverfahren durchgeführt. Eine Schaltung, bei welcher die Gleichspannung VO von einem Glättungskondensator CO ausgegeben wird, ist aufgebaut.
  • Im Fall der Schaltung in 4 wird der Glättungskondensator CO mit einer Vollweggleichrichterspannung über die MOS-Transistoren Q3 und Q4 unter einem geringen Widerstand geladen.
  • „D" zeigt eine Parasitärdiode, die durch den MOS-Transistor Q3 und den MOS-Transistor Q4 gebildet wird.
  • Beim Einschalten wird ein Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät, in dem die Schaltelemente halbbrücken-verbunden verbunden sind, so eingestellt, um eine Nullstromschaltung auszuführen. Da das Stromversorgungsgerät eingestellt ist, um mit einem Strom beim Ausschalten mitzuschwingen, ist das Stromversorgungsgerät dadurch gekennzeichnet, dass das Rauschen im Wesentlichen klein ist und die Ausgangsspannung VO auf der Sekundärseite durch Verändern der Schaltfrequenz weit variiert werden kann. Um jedoch einen weiten Regelbereich in der gesamten Periode zu gewährleisten, gibt es auch einen Fall, bei dem das Stromversorgungsgerät einen kontinuierlichen Gleichrichterstrommodus zum Übertragen eines Stroms auf die Sekundärseite und einen diskontinuierlichen sekundärseitigen Gleichrichtermodus, für den kein Strom auf der Sekundärseite zugeführt wird, aufweist.
  • Herkömmlicherweise wird jedoch die Ausgangsspannung oder der Strom des Trenntransformators T erfasst, und es ist eine Logikschaltung zum Steuern der MOS-Transistoren Q3 und Q4 eingebaut. Zum Beispiel sind Steuerschaltungen vorgesehen, sodass Spannungen an einem Punkt „a" und einem Punkt „b" in einer Ausgangsschaltung in 4 erfasst werden, ein geeignetes Ein/Aussteuersignal erzeugt wird, und die MOS-Transistoren Q3 und Q4 in den leitenden Zustand gesetzt werden.
  • Falls jedoch eine solche Schaltung vorgesehen ist, gibt es die folgenden Probleme. Die Anzahl Bauteile ist erhöht. Wie in 5 dargestellt, ist, wenn das Gleichrichtergerät ein/ausgeschaltet wird, während die Spannung V2 an dem Ausgangspunkt erfasst wird, ein Zeitpunkt C zum tatsächlichen Erfassen der Spannung von dem Erzeugungszeitpunkt der Ausgangsspannung V2 des Trenntransformators verzögert. Da das Gleichrichtergerät ab dem Zeitpunkt C in einen leitenden Zustand gelangt und ein Strom Id fließt, ist ein Gleichrichterstrom id verzögerungsgesteuert und der Wirkungsgrad des Gleichrichtervorgangs ist gering.
  • Die Steuerspannungserfassungsverzögerung bewirkt das Timing, zu dem beide Gleichrichtervorrichtungen Q3 und Q4 eingeschaltet werden, was in dem Problem resultiert, dass ein Stromflusswinkel des Gleichrichterstroms enger ist, gegen den eine Stromübertragungsrate durch Absenken des Leistungsfaktors verringert werden sollte.
  • Außerdem sind die Dokumente Xiao Li: „Soft switched PWM DC/DC Converter with Synchronous Rectifiers", IEEE, Vol. Conf. 18, 1996, Seiten 476–484, XP 000699870, und Kazimierczuk M.K. et al.: „Series Resonant Converter with Phase-Controlled Synchronous Rectifier", IEEE, Vol. 1993, Seiten 852–856, XP 000430978, bekannt, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 reflektieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät gemäß der Erfindung ist vorgesehen, um das Problem zu lösen.
  • Das Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät mit einer Antriebsschaltung zum abwechselnden Ein/Ausschalten von Schaltelementen, die mit einer Gleichspannung halbbrücken-verbunden sind, bei welchem eine Wechselspannung von einem Knotenpunkt der Schaltelemente über einen Resonanzkondensator an eine Primärseite eines Trenntransformators angelegt ist, und mit dem das Erzielen einer vorbestimmten Wechselspannung von einer Sekundärwicklung des Trenntransformators möglich ist, ist derart aufgebaut, dass ein Paar Gleichrichtervorrichtungen, die in einem solchen Takt angesteuert werden, dass sie abwechselnd eingeschaltet werden, an einer Ausgangsseite der Sekundärwicklung vorgesehen ist, und ein Ein/Aus-Steuersignal des Paares Gleichrichtervorrichtungen von einer Signalquelle zugeführt wird, um die Schaltelemente ein/auszuschalten, und auch derart, dass das Ein/Aus-Steuersignal einer Gate-Elektrode der Gleichrichtervorrichtung über photoelektrische Umwandlungselemente und Widerstände zugeführt wird, wobei die Widerstände einen Einschalttakt mit einer geeigneten Zeitkonstante für die Gate-Kapazität einstellen.
  • Da eine Ein/Ausschaltsteuerung für die Gleichrichtervorrichtungen verriegelt zu einer Ein/Aus-Steuerung für die Schaltelemente zum Beispiel in einem Takt zum Einschalten eines Schaltelements ausgeführt wird, wird eine Gleichrichtervorrichtung notwendigerweise eingeschaltet und der Einschalttakt der Schaltausgangsspannung und der Gleichrichtervorrichtung kann perfekt korrespondieren.
  • Eine solche Steuerspannung wird einfach von der Signalquelle ausgegeben, die die Schaltelemente antreibt, sodass die Schaltung ohne Vergrößern der Anzahl Bauteile verkleinert werden kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer Stromversorgungsschaltung für ein Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät der Erfindung;
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm des Beispiels im Fall eines Drosseleingangsverfahrens in 1.
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, wenn ein Synchrongleichrichterverfahren für ein Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät verwendet wird.
  • 5 ist ein schematisches Signalformdiagramm einer Steuerspannung, die während der Synchrongleichrichtung auftritt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Stromresonanz-Schaltstromversorgungsschaltung. Wie in 1 dargestellt, bezeichnet ein Bezugszeichen E eine Stromquelle, und Q1 und Q2 bezeichnen Schaltelemente, die einen Schaltkreis der Halbbrückenverbindung bilden. Diese Elemente sind aus MOSFET-Transistoren aufgebaut.
  • Der Ausgang ist mit einem Anschluss der Stromquelle E durch die Primärwicklung L1 des Trenntransformators T und den Resonanzkondensator C1 verbunden.
  • Um den Glättungskondensator CO mit einer durch die Sekundärwicklung L2 des Trenntransformators T über die MOS-Transistoren Q3 und Q4 der Synchrongleichrichterart induzierten Induktionsspannung zu laden, ist eine Vollweggleichrichterschaltung aufgebaut.
  • Im Fall des Schaltstromversorgungsgeräts ist das Ein/Aus-Steuersignal zum Antreiben der MOS-Transistoren Q3 und Q4 so aufgebaut, dass es von der Signalquelle zum Antreiben der Schaltelemente Q1 und Q2 über Treibertransformatoren Ta und Tb an Gates der MOS-Transistoren Q3 bzw. Q4 mit den Gleichrichtervorrichtungen zugeführt wird.
  • Entsprechend einer Polarität der Ausgangsspannung der Sekundärwicklung wird zum Beispiel die Gleichrichtervorrichtung, deren Ausgangsspannung der Sekundärwicklung positiv ist, eingeschaltet.
  • Eine Funktionsweise des Schaltstromversorgungsgeräts wird nachfolgend vereinfacht beschrieben. Wenn die Stromquelle E angelegt wird, werden zum Beispiel die MOS-Transistoren so angetrieben, dass der MOS-Transistor Q1 eingeschaltet wird und der MOS-Transistor Q2 ausgeschaltet wird. Hier wird der Resonanzkondensator C1 von der Stromquelle E durch den MOS-Transistor Q1 und die Primärwicklung L1 des Transformators geladen.
  • Anschließend werden entsprechend einer Resonanzperiode auf der Primärseite die MOS-Transistoren so angetrieben, dass der MOS-Transistor Q1 ausgeschaltet wird und der MOS-Transistor Q2 eingeschaltet wird. So fließt ein Resonanzstrom des Resonanzkondensators C1 zu der Primärwicklung L1 des Transformators T und ein Wechselstrom wird zu der Sekundärseite übertragen.
  • Bezüglich der Wechselspannung, die in der Sekundärwicklung L2 zusammen mit dem Ein/Aus-Takt der Schaltelemente Q1 und Q2 erzeugt wird, wird zum Beispiel die Gate-Spannung so angelegt, dass die MOS-Transistoren Q3 und Q4 für eine Zeitdauer, wenn ihre Polarität positiv ist, jeweils leitend sind. Gleichrichterströme id3 und id4 fließen zu dem Kondensator CO, wodurch eine Vollweggleichrichtung ausgeführt wird.
  • In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, wie oben erwähnt, die Polarität des Ausgangs des Trenntransformators T zusammen mit dem Ein/Aus-Takt der Schaltelemente Q1 und Q2 geändert. Deshalb wird eine Phasenverschiebung (t) zwischen der Ausgangsspannung und dem Strom, der in der Gleichrichtervorrichtung strömt, wie in 5 gezeigt, nicht bewirkt. Der Stromflusswinkel des Gleichrichterstroms ist erweitert, sodass eine Gleichspannung effizient angelegt werden kann.
  • Da der Stromflusswinkel nicht eng ist, wird der Leistungsfaktor klein gehalten. Der Wirkungsgrad des Schaltstromversorgungsgeräts ist ebenfalls erhöht, während das Rauschen effektiv unterdrückt ist.
  • „IC" ist eine IC-Schaltung für die Steuerung über den Antrieb der Schaltelemente Q1 und Q2. Die IC-Schaltung steuert normalerweise die Schaltfrequenz, um so die Ausgangsspannung VO auf einer konstanten Spannung zu halten, und erfasst einen ungewöhnlichen Temperaturanstieg des Schaltstromversorgungsgeräts, sodass sie eine Schutzfunktion zum Stoppen eines Schaltvorgangs haben kann.
  • Die Widerstände r1 und r2 haben eine Funktion zum Einstellen eines Einschalttaktes durch eine geeignete Zeitkonstante für eine Gate-Kapazität.
  • Die Ein/Aus-Steuerung der Gleichrichtervorrichtungen wird synchron mit der Ein/Aus-Steuerung der Schaltelemente ausgeführt, sodass ein Start des Fließens des Gleichrichterstroms und ein Anfangspunkt der Ausgangsspannung perfekt miteinander zusammenfallen können. Dies kann den Wirkungsgrad des Gleichrichterausgangs verbessern.
  • Wenn die Schaltperiode der Schaltelemente Q1 und Q2 geändert wird, wird die Synchrongleichrichtung ausgeführt, wobei ohne eine Phasenverschiebung für die Veränderung nachgeführt wird. Deshalb ist die Regulierung der Spannung verbessert. Da ein Antriebsimpuls der Signalquelle zum Schalten benutzt wird, kann das Schaltstromversorgungsgerät des Synchrongleichrichtertyps durch eine kleine Anzahl Bauteile aufgebaut werden.
  • Bezüglich einer Gleichrichtervorrichtung, die nicht auf den MOS-Transistor beschränkt ist, sofern eine Gleichrichtervorrichtung ein aktives Element ist, das einen weiteren Widerstand realisieren kann, kann das Element benutzt werden.
  • Wie in dem Beispiel in 2 dargestellt, kann bezüglich eines Gleichrichterstroms unter dem Drosseleingangsverfahren des Ladens des Glättungskondensators mit einem Gleichrichterstrom über eine Spule Lc ein beim Schalten in der Gegenrichtung fließender Strom, der leicht erzeugt wird, wenn ein Schaltelement eines analogen Typs als Gleichrichtervorrichtung verwendet wird, beseitigt werden.
  • D.h. wenn der Modus ein diskontinuierlicher Gleichrichtermodus ist, wird der Gegenrichtungsstrom, der auftritt, falls die Spannung des Glättungskondensators höher als die Ausgangsspannung V2 ist, durch die elektromotorische Gegenkraft der Spule gestoppt. Dies kann die Wärme beim Schalten verringern.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch das Ein/Aus-Steuersignal der Gleichrichtervorrichtung wird ein Antriebsimpuls von der Signalquelle (IC) über photoelektrische Umwandlungselemente Pa und Pb mit einer Photodiode, einem Lichterfassungstransistor und dergleichen und einem geeigneten Spannungsverstärker (nicht dargestellt) an eine Gate-Elektrode der Gleichrichtervorrichtung angelegt.
  • In diesem Fall kann das Steuersignal zum Antreiben der Gleichrichtervorrichtung in einem Zustand zugeführt werden, in dem die Primärseite von der Sekundärseite ohne Übertragung über den Transformator getrennt ist.
  • Wie erwähnt, wird in einem Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät gemäß der Erfindung, insbesondere wenn eine Gleichrichtervorrichtung eines synchronen Gleichrichtertyps auf ein Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät eines Halbbrückentyps angewendet ist, ein Antriebssignal des Schaltstromversorgungsgeräts der Synchrongleichrichtervorrichtung zugeführt. Deshalb kann ein Gleichrichtervorgang ohne Notwendigkeit einer speziellen Schaltung effizient ausgeführt werden.
  • Insbesondere erlaubt eine unverzögerte Gleichrichtersteuerspannung zum Schalten, dass ein Stromflusswinkel der Gleichrichterspannung groß ist, um einen Leistungsfaktor des Schaltstromversorgungsgeräts zu verbessern.

Claims (3)

  1. Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät mit einer Antriebsschaltung zum abwechselnden Ein/Ausschalten von Schaltelementen (Q1, Q2), die mit einer Gleichspannung in Form einer Halbbrücke verbunden sind, bei welchem eine Wechselspannung von einem Knotenpunkt der Schaltelemente (Q1, Q2) über einen Resonanzkondensator (C1) an eine Primärseite (L1) eines Trenntransformators (T) angelegt wird, wodurch es ermöglicht wird, von einer Sekundärwicklung (L2) des Trenntransformators (T) eine vorbestimmte Wechselspannung zu erhalten, wobei ein Paar Gleichrichtervorrichtungen (Q3, Q4), die in einem solchen Takt angesteuert werden, dass sie abwechselnd eingeschaltet sind, an einer Ausgangsseite der Sekundärwicklung (L2) vorgesehen sind, und ein Ein/Aus-Steuersignal des Paares Gleichrichtervorrichtungen (Q3, Q4) von einer Signalquelle zugeführt wird, um die Schaltelemente (Q1, Q2) ein/auszuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein/Aus-Steuersignal einer Gate-Elektrode der Gleichrichtervorrichtungen (Q3, Q4) über photoelektrische Umwandlungselemente (Pa, Pb) und Widerstände (r1, r2) zugeführt wird, wobei die Widerstände einen Einschalttakt mit einer geeigneten Zeitkonstante für die Gate-Kapazität einstellen.
  2. Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät nach Anspruch 1, bei welchem die Schaltelemente (Q1, Q2) und die Gleichrichtervorrichtungen (Q3, Q4) Transistoren aufweisen.
  3. Stromresonanz-Schaltstromversorgungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem ein Glättungskondensator (Co) über eine Drosselspule (Lc) mit einem Gleichrichterstrom geladen wird, um die Gleichrichtervorrichtungen (Q3, Q4) durchzuschalten.
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