DE19801848B4

DE19801848B4 - Spannungswandler mit einer selbstschwingenden Brückenschaltung

Info

Publication number: DE19801848B4
Application number: DE1998101848
Authority: DE
Inventors: Oezkan Akdogan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2018-01-21
Also published as: DE19801848A1

Abstract

Spannungswandler mit einer selbstschwingenden Brückenschaltung aus mindestens zwei in mindestens einem Brückenzweig angeordneten im Gegentakt gesteuerten Halbleiterschaltern, einem Lasttransformator und einem Steuertransformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Primärwicklung des Lasttransformators geschaltet ist und dessen Sekundärwicklungen mit Steuereingängen der Brückenschaltung verbunden sind, wobei der Steuertransformator eine weitere Wicklung aufweist, die an eine Sekundärwicklung des Lasttransformators angeschlossen ist, und wobei ein Stromsensor zur Erfassung eines Kurzschlusses und/oder einer Überlastung vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einer Schaltung zum Kurzschließen einer Sekundärwicklung eines der Steuertransformatoren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der einen Sekundärwicklung (15.3) über je eine Diode (37, 38), vorzugsweise eine Schottky-Diode, und über einen weiteren Halbleiterschalter (39) mit einer Mittelanzapfung der einen Sekundärwicklung (15.3) verbindbar sind, wobei der weitere Halbleiterschalter (39) von dem Stromsensor (35) steuerbar ist, und daß eine weitere Anzapfung der einen Sekundärwicklung (15.3) an einen Steuereingang (19) der Brückenschaltung (10, 11) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einer selbstschwingenden Brückenschaltung aus mindestens zwei in mindestens einem Brückenzweig angeordneten im Gegentakt gesteuerten Halbleiterschaltern, einem Lasttransformator und einem Steuertransformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Primärwicklung des Lasttransformators geschaltet ist und dessen Sekundärwicklungen mit Steuereingängen der Brückenschaltung verbunden sind, wobei der Steuertransformator eine weitere Wicklung aufweist, die an eine Sekundärwicklung des Lasttransformators angeschlossen ist, und wobei ein Stromsensor zur Erfassung eines Kurzschlusses und/oder einer Überlastung vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einer Schaltung zum Kurzschließen einer Sekundärwicklung eines der Steuertransformatoren verbunden ist ( GB 2 154 386 A ).

Derartige Spannungswandler sind beispielsweise bekannt aus DE 26 24 566 C2 . Die selbstschwingende Brückenschaltung wird dabei als sogenannte Halbbrücke ausgeführt, bei der zwei Halbleiterschalter, vorzugsweise Transistoren, im Gegentakt angesteuert werden. Ein weiterer nicht geschalteter Brückenzweig wird dann von zwei Kondensatoren mit parallelgeschalteten Dioden gebildet.

Bei den bekannten erfindungsgemäßen Spannungswandlern ist zwar ein sicheres Schwingen bei gutem Wirkungsgrad weitgehend unabhängig von der Art der Last – ob beispielsweise Glühlampen mit Wechselspannung oder elektronische Schaltungen mit Gleichspannung versorgt werden. Die Leistung dieser bekannten Spannungswandler ist jedoch, insbesondere durch die Belastbarkeit der Halbleiterschalter, begrenzt.

Ferner sind Wandler mit zwei geschalteten Brückenzweigen bekannt, wobei der Wandler gemäß der gattungsbildenden US 4,908,754 zwei Steuertransformatoren aufweist, deren Primärwicklungen in Reihe mit der Primärwicklung des Lasttransformators geschaltet sind. Dieser Wandler ist dazu ausgelegt, die ungeglättete Ausgangsspannung eines Vollwellengleichrichters in Spannungsimpuls umzuwandeln, wobei der Wandler nicht selbsttätig bei jeder Halbwelle anschwingt, sondern durch einen zugeführten Impuls getriggert wird, so daß durch Verschieben des Impulses der Mittelwert der Ausgangsspannung gesteuert werden kann.

Beim Betrieb von Spannungswandlern der bekannten Art sind jedoch Überlastungen durch eine zu hohe Stromentnahme nicht auszuschließen, die selbst bei nur kurzzeitigem Auftreten zu Beschädigungen oder Zerstörung des Spannungswandlers führen können. Es ist daher beispielsweise durch GB 2 154 386 A eine Schutzschaltung bekanntgeworden, bei der eine direkt mit der Basis-Emitterstrecke eines der Leistungstransistoren verbundene Sekundärwicklung eines Steuertransformators eines Halbbrückenwandlers im Überlastungsfall kurzgeschlossen wird. Dabei sind relativ hohe Ströme bei geringen Spannungen zu schalten, beispielsweise 0,3A bei 0,6V. Dies erfordert zwei Transistoren mit relativ hohem zulässigen Strom und birgt die Gefahr, daß der Leistungstransistor im Kurzschluß- und Überlastungsfall nicht schlagartig abgeschaltet wird, wodurch der Leistungstransistor zerstört werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abschaltung in sehr kurzer Zeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Enden der einen Sekundärwicklung über je eine Diode, vorzugsweise eine Schottky-Diode, und über einen weiteren Halbleiterschalter mit einer Mittelanzapfung der einen Sekundärwicklung verbindbar sind, wobei der weitere Halbleiterschalter von dem Stromsensor steuerbar ist, und daß eine weitere Anzapfung der einen Sekundärwicklung an einen Steuereingang der Brückenschaltung angeschlossen ist.

Der erfindungsgemäße Spannungswandler läßt sich mit Erfolg für verschiedene Anwendungsgebiete einsetzen, beispielsweise als Netzgerät für Computer. Dabei macht sich in vorteilhafter Weise der kostengünstige und raumsparende Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungswandlers bemerkbar, wobei die wenigen erforderlichen Bauteile überwiegend aufgrund ihrer Massenproduktion preiswerte Standardbauteile sind.

Da die Transistoren im erfindungsgemäßen Spannungswandler im nahezu verlustlosen Zustand geschaltet werden, besitzt der erfindungsgemäße Spannungswandler einen sehr hohen Wirkungsgrad, der im allgemeinen weit über 90% liegt. Somit treten keine wärmetechnischen Probleme auf, so daß bei kleinen Leistungen auf Kühlkörper ganz verzichtet werden kann.

Ferner können durch die verhältnismäßig geringe Netzrückwirkung eingangsseitige Filter sowohl billiger als auch kleiner ausgeführt werden. Schließlich kommt der erfindungsgemäße Spannungswandler durch die Kompaktheit und die geringe Netzrückwirkung den mit der Zeit strenger werdenden Vorschriften bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit entgegen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der zweite Brückenzweig mindestens zwei im Gegentakt über einen weiteren Steuertransformator gesteuerten Halbleiterschalter aufweist, dessen Primärwicklung mit der Primärwicklung des Lasttransformators in Reihe geschaltet ist und der eine weitere Wicklung aufweist, die in Reihe mit der weiteren Wicklung des Steuertransformators und der einen Sekundärwicklung des Lasttransformators geschaltet ist.

Bei einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist vorgesehen, daß die weiteren Wicklungen der Steuertransformatoren über einen Widerstand an die eine Sekundärwicklung des Lasttransformators angeschlossen sind. Diese Maßnahme dient zur Begrenzung der Wirksamkeit der weiteren Wicklung, so daß bei höheren Belastungen die Rückkoppelung wie bei den bekannten Spannungswandlern erfolgt. Dabei wird durch den Widerstand zwar eine zusätzliche Verlustleistung umgesetzt, was bei vielen Anwendungsfällen wegen des geringen Preises des Widerstandes in Kauf genommen werden kann.

Demgegenüber besteht eine andere Ausgestaltung darin, daß die weiteren Wicklungen der Steuertransformatoren über eine Drosselspule an die eine Sekundärwicklung des Lasttransformators angeschlossen sind. Dem höheren Preis der Drosselspule im Vergleich zu einem Widerstand ist der Vorteil eines etwas höheren Wirkungsgrades entgegenzusetzen. Außerdem erhält bei der Verwendung einer Drosselspule die durch die zusätzliche Wicklung bewirkte Rückkoppelung eine günstigere Phasenlage.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des weitergebildeten Spannungswandlers ist vorgesehen, daß die weiteren Wicklungen, die eine Sekundärwicklung und ein dazwischen geschalteter Widerstand oder eine dazwischen geschaltete Drosselspule derart bemessen sind, daß die zum Schwingen benötigte Rückkopplung bei geringer Last im wesentlichen über die weiteren Wicklungen, bei großer Last über die Primärwicklungen erfolgt. Dabei hat es sich für die meisten Anwendungsfälle als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Übergang der Rückkopplung von den weiteren Wicklungen auf die Primärwicklungen zwischen 10% und 30% der Nennlast erfolgt.

Zur Erzielung eines bei verschiedenen Lastfällen sicheren Schwingens sind bei einem anderen bekannten Wandler ( DE 28 29 546 A1 ) sowohl eine Strom- als auch eine Spannungsrückkopplung über einen Steuertransformator vorgesehen. Dieser Wandler ist jedoch völlig symmetrisch aufgebaut, so daß Schwierigkeiten beim Anschwingen nicht auszuschließen sind.

Eine andere Weiterbildung behebt diesen Nachteil dadurch, daß zum Anschwingen nach dem Anlegen der Betriebsspannung jeweils eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer bezüglich der Betriebsspannung in Durchlaßrichtung gepolten Diode parallel zu zwei diagonal gegenüberliegenden Halbleiterschaltern angeordnet ist.

Diese Weiterbildung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß mit den Kondensatoren ferner jeweils ein Widerstand in Reihe geschaltet ist und daß diesen Reihenschaltungen je ein Entladewiderstand parallelgeschaltet ist. Dabei begrenzen die in Reihe geschalteten Widerstände den Stromfluß beim Einschalten, während die parallelgeschalteten Widerstände die Kondensatoren nach dem Ausschalten entladen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers und
2 ein Schaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandlers.
Beiden Schaltungen ist über Eingangsklemmen 1, 2 Netzspannung zuführbar, die mit Hilfe eines Graetz-Gleichrichters 3 gleichgerichtet wird und über eine Sicherung 4 und über einen Strommeßwiderstand 5 der Brückenschaltung zuführbar ist.
Die Brückenzweige bestehen aus jeweils zwei Transistoren 10, 11 bzw. 6, 7 und diesen parallel geschalteten Dioden 12, 13 bzw. 8, 9. In der Brückendiagonale liegt eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung 14.1 eines Lasttransformators 14, der Primärwicklung 15.1 eines ersten Steuertransformators 15, der ferner über zwei Sekundärwicklungen 15.2, 15.3 verfügt und der Primärwicklung 36.1 eines zweiten Steuertransformators mit Sekundärwicklungen 36.2 und 36.3. Die Sekundärwicklungen 15.2, 15.3 sind mit je einem Widerstand 16, 17 sowie den Basisanschlüssen der Transistoren 10, 11 verbunden. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors 11 befindet sich eine Reihenschaltung aus einem Diac 22 und einem Kondensator 23, die zusammen mit einer Diode 24 und einem Widerstand 25 ein Anschwingen nach dem Einschalten bewirkt. Über einen Widerstand 21 wird der Anschwingschaltung Strom zugeführt. Die Sekundärwicklungen 36.2, 36.3 sind mit je einem Widerstand 42, 43 sowie den Basisanschlüssen der Transistoren 7, 6 verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler gemäß 1 weist der Steuertransformator 15 eine weitere Primärwicklung 15.4 auf. Diese und eine weitere Primärwicklung 36.4 des Steuertransformators 36 sind über einen Widerstand 30 mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung 14.3 des Lasttransformators 14 verbunden. Ausgangsseitig ist der Spannungswandler mit einer symmetrischen Sekundärwicklung 14.2, Gleichrichterdioden 31, 32 und einem Ladekondensator 33 versehen, von denen Gleichspannung einer Last, die schematisch als Widerstand 34 dargestellt ist, zugeführt werden kann.
Beim Einschalten des Spannungswandlers nach 1 wird der Transistor 11 über die Anlaufschaltung 21 bis 25 durchgeschaltet. Dabei fließt ein hoher Strom durch die Primärwicklungen 15.1 und 36.1 der Steuertransformatoren 15 und 36. Dieser Strom induziert in den Sekundärwicklungen 15.2 bzw. 36.2 eine Spannung, die die Transistoren 10 und 7 in den leitenden Zustand schaltet und die Transistoren 11 und 6 sperrt. Zur weiteren Unterstützung des Anschwingens ist eine aus einem Kondensator 48, zwei Widerständen 49, 51 und einer Diode 50 bestehende Schaltung vorgesehen, die im Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert wird.
Durch den ersten durch das Leitendwerden des Transistors 11 bedingten Strom wird in der zusätzlichen Sekundärwicklung 14.3 eine Spannung induziert, die über den Widerstand 30 einen Strom in den Wicklungen 15.4 und 36.4 der Steuertransformatoren 15, 36 zur Folge hat. Da die Brückenschaltung während des folgenden Betriebes nun spannungsgesteuert ist und somit erhöhte Verluste aufweist, ist der Widerstand 30 so dimensioniert, daß beim kleinstmöglichen Strom durch die Wicklungen 15.4 und 36.4 der Spannungswandler im Leerlauf noch anläuft. Bei Belastung des Spannungswandlers ist der Strom durch die Wicklungen 15.1 und 36.1 der Steuertransformatoren 15, 36 wesentlich höher als der Strom durch die Wicklungen 15.4 und 36.4, so daß dieser dann für die Steuerung der Brückenschaltung maßgebend ist. Somit entstehen unter Last die bei selbstschwingenden Spannungswandlern dieser Art üblichen geringen Verluste.
Zur Realisierung der Kurzschlußfestigkeit ist bei dem Spannungswandler ein Stromsensor 35 vorgesehen, der einen Transistor 36 in den leitenden Zustand steuert, wenn der Spannungsabfall über dem Strommeßwiderstand 5 eine vorgegebene Größe überschreitet. Die Sekundärwicklung 15.3 weist eine Mittelanzapfung auf, die mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Enden der symmetrisch ausgebildeten Wicklung 15.3 sind über je eine Schottky-Diode 37, 38 mit dem Kollektor des Transistors 36 verbunden. Wird dieser leitend, so wird die Wicklung 15.3 praktisch kurzgeschlossen, wobei dieses für jeweils eine Halbwelle über die obere und über die untere Hälfte der Wicklung 15.3 erfolgt. Eine Anzapfung der Wicklung 15.3, die so viele Windungen von der Mittelanzapfung "entfernt" ist, wie die Wicklung 15.2 Windungen aufweist, ist mit dem Basisanschluß 19 des Transistors 11 verbunden. Durch den Kurzschluß der Wicklung 15.3 unterbleibt die Ansteuerung der Transistoren 10, 11, so daß im Kurzschlußfall weder durch den Lasttransformator 14 noch durch die Transistoren 10, 11, 6, 7 Strom fließt.
Zum Anschwingen nach dem Einschalten sind bei der Schaltungsanordnung nach 2 die Transistoren 6, 11 von jeweils einer Schaltung überbrückt, die je einen Kondensator 44, 48 und eine Diode 46, 50 enthält. Beim Einschalten werden über die Dioden 46, 50 die Kondensatoren 44, 48 aufgeladen. Der dabei entstehende Stromstoß bewirkt wie bei der Schaltungsanordnung nach 1 das Anschwingen. Dabei dienen Widerstände 45, 49 zur Begrenzung des Stroms. Damit die Kondensatoren nach dem Ausschalten des Spannungswandlers wieder entladen werden, sind Entladewiderstände 47, 51 vorgesehen, die derart große Werte aufweisen – beispielsweise 1 MΩ –, daß der Wirkungsgrad des Spannungswandlers dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Claims

Spannungswandler mit einer selbstschwingenden Brückenschaltung aus mindestens zwei in mindestens einem Brückenzweig angeordneten im Gegentakt gesteuerten Halbleiterschaltern, einem Lasttransformator und einem Steuertransformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Primärwicklung des Lasttransformators geschaltet ist und dessen Sekundärwicklungen mit Steuereingängen der Brückenschaltung verbunden sind, wobei der Steuertransformator eine weitere Wicklung aufweist, die an eine Sekundärwicklung des Lasttransformators angeschlossen ist, und wobei ein Stromsensor zur Erfassung eines Kurzschlusses und/oder einer Überlastung vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einer Schaltung zum Kurzschließen einer Sekundärwicklung eines der Steuertransformatoren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der einen Sekundärwicklung (15.3) über je eine Diode (37, 38), vorzugsweise eine Schottky-Diode, und über einen weiteren Halbleiterschalter (39) mit einer Mittelanzapfung der einen Sekundärwicklung (15.3) verbindbar sind, wobei der weitere Halbleiterschalter (39) von dem Stromsensor (35) steuerbar ist, und daß eine weitere Anzapfung der einen Sekundärwicklung (15.3) an einen Steuereingang (19) der Brückenschaltung (10, 11) angeschlossen ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brückenzweig mindestens zwei im Gegentakt über einen weiteren Steuertransformator (36) gesteuerten Halbleiterschalter (6, 7) aufweist, dessen Primärwicklung (36.1) mit der Primärwicklung (14.1) des Lasttransformators (14) in Reihe geschaltet ist und der eine weitere Wicklung (36.4) aufweist, die in Reihe mit der weiteren Wicklung (15.4) des Steuertransformators (15) und der einen Sekundärwicklung (14.3) des Lasttransformators (14) geschaltet ist.
Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wicklungen (15.4, 36.4) der Steuertransformatoren (15, 36) über einen Widerstand (30) an die eine Sekundärwicklung (14.3) des Lasttransformators (14) angeschlossen sind.
Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wicklungen (15.4, 36.4) der Steuertransformatoren (15, 36) über eine Drosselspule an die eine Sekundärwicklung (14.3) des Lasttransformators (14) angeschlossen sind.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wicklungen (15.4, 36.4), die eine Sekundärwicklung (14.3) und ein dazwischen geschalteter Widerstand (30) oder eine dazwischen geschaltete Drosselspule derart bemessen sind, daß die zum Schwingen benötigte Rückkopplung bei geringer Last im wesentlichen über die weiteren Wicklungen (15.4, 36.4), bei großer Last über die Primärwicklungen (15.1, 36.1) erfolgt.
Spannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übergang der Rückkopplung von den weiteren Wicklungen auf die Primärwicklungen zwischen 10% und 30% der Nennlast erfolgt.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anschwingen nach dem Anlegen der Betriebsspannung jeweils eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (44, 48) und einer bezüglich der Betriebsspannung in Durchlaßrichtung gepolten Diode (46, 50) parallel zu zwei diagonal gegenüberliegenden Halbleiterschaltern (6, 11) angeordnet ist.
Spannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Kondensatoren (44, 48) ferner jeweils ein Widerstand (45, 49) in Reihe geschaltet ist und daß diesen Reihenschaltungen je ein Entladewiderstand (47, 51) parallelgeschaltet ist.