Schalt-Leistuπgs-Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandlerschaltung mit einem Übertrager, der eine Primärwicklung sowie zumindest eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung in Serie mit einem ersten gesteuerten Schalter an einer Em- gangsgle chspannung liegt und der Sekundärwicklung ein Gleichrichter und ein Ladekondensator nachgeschaltet sind, sowie mit einem Primärkondensator, dem Energie über eine Diode zufύhrbar und über einen zweiten, zum ersten Schalter im Gegentakt gesteuerten Schalter wieder abgebbar ist.

Bei Wandlern, insbesondere bei Sperrwandlern, tritt das Prob¬ lem auf, daß die Streuenergie des Übertragers in den Schalt¬ pausen des gesteuerten Schalters zu hohen Spannungen an die¬ sem Schalter führen kann, sodaß diese Energie in geeigneter Weise abgeführt werden muß, um eine Zerstörung des Schalters, z.B. eines MOS-FET-Transistors, zu verhindern.

Bei kleinen Leistungen der Wandler wird die Streuenergie über eine Diode einem Widerstand zugeführt und in diesem vernich¬ tet. Bei höheren Leistungen versucht man hingegen die Streu- energie zumindest zum Teil zu verwenden.

Der Artikel "Design Tricks, Techniques and Tribulations at High Conversion Frequencies" von B. Larsten, in PCI- Proceedmgs, May 1987, p.187-200 beschreibt die schon lange bekannte Verwendung von Abmagnetisierungswicklungen zur Rück¬ führung der Streuenergie eoenso, wie Schaltungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit zwei im Gegentakt gesteuer¬ ten Schaltern.

Die Verwendung von eigenen Abmagnetisierungswicklungen ist als ziemlich aufwendig zu bezeichnen und erhöht nicht nur den Preis des Übertragers sondern aucn dessen Baugröße.

Die Verwendung von zwei gesteuerten Schaltern ist in Fig. 2 des obgenannten Artikels gezeigt, wobei der erste gesteuerte Schalter von einer Serienschaltung aus einem zweiten ge¬ steuerten Schalter und einem Primärkondensator überbrückt ist. Parallel zum zweiten gesteuerten Schalter liegt eine Diode. D e Ansteuerung der beiden Schalter erfolgt im Gegen¬ takt, wobei zwischen den AnSteuerimpulsen kurze Schaltpausen eingehalten werden, die unter anderem die Schaltverluste ver¬ ringern. Über den zweiten gesteuerten Schalter kann die vor- übergehend in dem Primärkondensator gespeicherte Streuenergie periodisch an die Primärwicklung des Übertragers rückgeführt werden.

Eine ähnliche Schaltung ist der EP-A-0 404 191 zu entnehmen, doch liegt dort die Serienschaltung aus Primarkondensator und zweiten gesteuerten Schalter parallel zur Primärwicklung. Die Funktion der Schaltung gleicht jener der zuvor beschriebenen Schaltung.

Wenngleich die bekannten und oben genannten Schaltungen den Vorteil aufweisen, daß die Streuenergie nicht einfach ver¬ nichtet, sondern zumindest zum Teil in den Primärkreis rück- geliefert wird, treten an dem ersten gesteuerten Schalter nach wie vor Spannungen auf, die höher als die Ξingangsspan- nung sind, so daß man Schalttransistoren mit honer Sperrspan¬ nung verwenden muß. Solche Transistoren sind in Hinblick auf die Verluste im leitenden Zustand nicht zweckmäßig, da Tran¬ sistoren mit höheren Sperrspannungen im allgemeinen auch einen höheren Durchlaßwiderstand aufweisen.

Bei αen bekannten Schaltungen fuhrt die Zwischenspeicnerung eines Großteils αer Energie im Luftspalc vor allem bei hone- ren Scnaltfrequenzen zu beachtlichen zusätzlichen Verlusten so daß auch der Wunsch Desteht, weniger Energie im Luftspalt zwiscnenzuspeichern.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschal¬ tung anzugeben, die eine Verbesserung der bekannten Schal¬ tungen im Sinne der Verminderung der zuvor beschriebenen Nachteile darstellt.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die Serienschaltung aus Prim rkondensator, Primärwicklung, und erster gesteuerter Schalter an der Eingangsgleichspannung liegt, wobei der zwei- te gesteuerte Schalter die Serienschaltung aus Prim rkonden¬ sator und Primärwicklung überbrückt, und die erste Diode pa¬ rallel zum ersten gesteuerten Schalter und eine zweite Diode parallel zum zweiten gesteuerten Schalter liegt, wobei beide Dioden bezüglich der Eingangsgleichspannung in Sperrichtung geschaltet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine verlustarme Nut¬ zung der Streuenergie, eine weitgehende Vermeidung von Tran¬ sistorschaltverlusten, eine Reduktion der Durchlaßverluste und der Schaltüberspannung sowie eine Verringerung vor allem der Hystereseverluste im Übertrager durch eine symmetrische Magnetisierung des Übertragerkerns.

Falls die Serienschaltung aus Primärwicklung und erstem ge- steuerten Schalter von einem zweiten Prim rkondensator über¬ brückt ist, ergibt sich eine günstigere, symmetrischere Stromverteilung der Schaltspitzenströme und damit eine Ver¬ ringerung von Hochfrequenzstörungen, so daß der Aufwand an Entstörmitteln geringer gehalten werden kann.

Eine Reduktion des Strom-Effektivwertes m sekundärseitigen Ladekondensator läßt sich mit zwei erfindungsgemäßen Wandler¬ schaltungen erreichen, die um 180° phasenverschoben ange¬ steuert sind und deren Sekundärwicklungen über je einen Gleichrichter an einem gemeinsamen Ladekondensator liegen.

Die Erfindung samt anderer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematischen Schaltbild, Fig. 2 die Schaltung nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen Pri¬ märkondensator, und Fig. 3 in einem Diagramm den Verlauf des Primär- und Sekun- därstromes.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einem Über¬ trager T, der eine Primärwicklung Wl und eine Sekundärwick¬ lung W2 besitzt. Die Primärwicklung Wl des Übertragers T ist mit ihrem einen Ende über einen Prim rkondensator Cl an den positiven Pol einer Emgangsgleichspannung UI gelegt, wogegen das andere Ende der Primärwicklung Wl über einen gesteuerten Schalter Sl, z.B. einen MOS-FET-Transistor, an dem negativen Pol der Emgangsgleichspannung Ul liegt. Der gesteuerte Schalter Sl ist von einer Diode Dl überbrückt, die bezüglich der Emgangsgleichspannung in Spemchtung gepolt ist. Para¬ sitäre Kapazitäten sind symbolisch mit einem Kondensator Cp stπchliert eingezeichnet, der parallel zu dem Schalter Sl liegt . Zwischen dem positiven Pol der Versorgungsspannung und enem Ende der Primärwicklung Wl, das an dem Schalter Sl liegt, ist die Parallelschaltung eines zweiten gesteuerten Schalters S2 und einer Diode D2 vorgesehen, wobei die Diode D2 im gleichen Sinne wie die Diode Dl gepolt ist.

Sekundärseitig folgt der Sekundärwicklung W2 des Übertragers

T ein Gleichrichter G, hier als Einzeldiode gezeichnet, sowie ein Ladekondensator C. Eine an die Ausgangsgleichspannung Um¬ gelegte Last ist mit L bezeicnnet und als Widerstand einge¬ zeichnet .

Im Zusammenhang mit der folgenden Funktionsbeschreibung der Schaltung nach Fig. 1 wird auf das Diagramm nach Fig. 3 Bezug genommen. Die Schalter Sl und S2 werden im Gegentakt ange¬ steuert und zwar beispielsweise mit einem Tastverhältnis von T _eιn zu T von 0,5. Vor dem Einschalten der beiden Schalter Sl bzw. S2 wird eine kurze Verzugszeit eingehalten, um ein ver¬ lustfreies Schalten der Transistoren zu ermöglichen. Dadurch kann die parasitäre Kapazität Cp durch den Magnetisierungs¬ strom umgeladen werden, bis die Paralleldiode Dl des Schal- ters Sl geflutet wird. Der Verlauf der Steuerspannungen bzw. -ströme für die Schalter Sl, S2 ist Fig. 3b zu entnehmen und mit sl und s2 bezeichnet.

Impulsschaltungen zur Ansteuerung der beiden Schalter bzw. Transistoren Sl und S2 sind dem Fachmann bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben. Die Ansteuerungsschal- tung ist auch mit einer entsprechenden Regelschaltung verbun¬ den, um die Ausgangsgleichspannung den entsprechenden Be¬ dürfnissen entsprechend auszuregeln. Derartige Regelschal- tungen sind gleichfalls Stand der Technik und können gleich¬ falls der Literatur entnommen werden.

Während des abwechselnden Schaltens der beiden Schalter bzw. Transistoren Sl und S2 nimmt der Prim rkondensator Cl die halbe Eingangsgleichspannung an, somit die Spannung Ul/2. Die Ausgangsgleichspannung am Kondensator C beträgt sodann

_U2 - H. ϊL- ^U L

2 2 2ü

wobei wl und w2 die Primär- bzw. Sekundärwmdungszahlen des Übertragers T bedeuten und ü sein Übersetzungsverhältnis. Im Leerlauffall steigt der Magnetisierungsstrom linear in der ersten Halbwelle und fällt in der zweiten Halbwelle linear ab, was auch bedeutet, daß der Transformator symmetrisch mag- netisiert wird. Dieser dreieckförmige Stromverlauf des Pri-

ärstromes, der im Leerlauffall gleich dem Magnetisierungs¬ strom Im ist, kann Fig. 3a entnommen werden.

Wird der Ausgangs- bzw. Sekundärkreis durch eine Last L bela¬ stet, so überlagert sich dem Magnetisierungsstrom ein sinus-

U2 förmiger Laststrom, der von der Differenzspannung UI ge¬ il trieben wird und bezüglich seiner Amplitude und Frequenz durch den Wert des Primärkondensators Cl und die Streuinduk¬ tivität des Übertragers bestimmt ist.

Ein nichtgezeigter Ausgangsspannungsregler verändert das

Tastverhältnis, bis die gewünschte Ausgangsspannung stabil

U2 eingestellt ist. Dazu muß die Differen∑spannung UI die

U stationären Verluste liefern sowie bei dynamischen Vorgängen Stromänderungen in der Strominduktivität erzeugen.

Der resultierende Stromverlauf ergibt sich gleichfalls aus Fig. 3a, und aus Fig. 3c geht der Verlauf des Sekundärstroms des Übertragers T hervor. Energetisch betrachtet wird in der ersten Halbwelle im Übertrager Energie induktiv und im Kon¬ densator Cl Energie kapazitiv gespeichert und in der zweiten Halbwelle über die Streuinduktivität des Übertragers an die Last abgegeben. Die sich gegenüber dem Leerlauf ergebende Nullpunktverschiebung ist in Fig. 3a angedeutet.

Gegenüber bekannten, eingangs erörterten Sperrwandlerschal¬ tungen kann die erfindungsgemäße Schaltung so ausgelegt wer¬ den, daß nur etwa die Hälfte der Energiespeicherung im Luft¬ spalt des Transformators erfolgt, wodurch sich auch die Hy- stereseverluste verringern lassen.

Die in Fig. 2 gezeigte Variante der erfindungsgemäßen Schal¬ tung unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 lediglich durch die Verwendung eines zweiten Kondensators C2, welcher paral- lel zur Serienschaltung aus Primärwicklung Wl und gesteuertem

Schalter Sl liegt. Man kann leicht zeigen, daß durch Verwen¬ dung dieses zweiten Primärkondensators C2, der vorzugsweise gleich groß dimensioniert ist wie der erste Primärkondensator Cl, eine Symmetrierung der Ströme ermöglicht wird und damit an den Eingangsklemmen nur halb so große Umladeströme auftre¬ ten, was zu einer entsprechenden Verminderung von Hochfre¬ quenzstörungen führt. Die im Eingangskreis notwendigen, hier nicht gezeigten Sieb- bzw. Entstörmittel können daher ent¬ sprechend weniger aufwendig gestaltet werden.

Eine Verbesserung der Welligkeit auf der Sekundärseite und damit eine Verringerung des Ladestroms durch den Ladekonden¬ sator C läßt sich erreichen, wenn man zwei erfindungsgemäße Schaltungen verwendet, die um 180° phasenverschoben ange- steuert werden und die beiden Sekundärwicklungen der entspre¬ chenden Übertrager über je eine Diode auf einen gemeinsamen Ladekondensator wirken läß .