DE3020745A1

DE3020745A1 - Fremdgesteuerter gleichspannungswandler zur umformung einer eingangsgleichspannung in eine ausgangsgleichspannung

Info

Publication number: DE3020745A1
Application number: DE19803020745
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing.(grad.) 7154 Althütte Lechler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1980-05-31
Filing date: 1980-05-31
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE3020745C2

Description

Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler zur Umformung
einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung Die Erfindung betrifft einen fremdgesteuerten Gleichspant nungswandler zur Umformung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit vier durch eine Steuereinheit leitend gesteuerten elektronischen Schaltern in Brükkenschaltung, wobei die Primärwicklung eines den Ausgangskreis speisenden Transformators die erste Diagonale der Brückenschaltung bildet und wobei die andere Diagonale über Speicherinduktivitäten mit der Eingangsgleichspannung verbunden istb Gleichspannungswandler in Brückenschaltung werden verwendet, um die Sperrspannung an den elektronischen Schaltern gering zu halten. Bei Brücken-Gegentaktwandlern werden jeweils zwei diagonal gegenüberliegende elektronische Schalter der Brücke gleichzeitig eingeschaltet. Die Sperrspannung an den elektronischen Schaltern ist nur halb so groß, als bei Gleichspannungswandlern mit nur jeweils einem eingeschalteten elektronischen Schalter zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Aus der deutschen Patentanmeldung P 29 01 761 ist ein GegentaRtdurchflußwandler in Brückenschaltung bekannt. Ein in Serie zur Eingangsspannungsquelle geschalteter induktiver Energiespeicher ist mit dem Mittelabgriff eines Transformators verbunden. Mit Hilfe von vier elektronischen Schaltern, die abwechselnd paarweise leitend geschaltet werden, erreicht man einen kontinuierlichen Ausgangsstrom bei rem lativ kleiner Verlustleistung. Dieser Gegentaktdurchfluß wandler liefert kein konstantes TastverhAltnis der Ausgangsspannung über dem Regelbereich bei Pulsbreitenmodulation.
Aus der US"PS 3r925,715 ist ein geregelter Gleichspannungswandler bekannt mit einer angezapften Drossel in Serie zur Eingangsspannungsquelle. Auch während der Drosselladezeit wird Energie an den Ausgangskreis abgegeben und damit der Ausgangsstrom relativ brummfrei gemacht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler eingangs genannter Art anzugeben, der ein gutes Lastsprungverhalten aufweist, wobei der Aufwand an Siebmitteln gering sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gleichermaßen durch Anspruch 1 oder 2 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 bleibt das Tastverhältnis der zwei Gegentaktanteile der Ausgangsspannung 1:1 über dem gesamten Regelbereich, dadurch sind die Transformatorverluste und die Ausgangsbrummspannung minimal.
Bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nach AP-spruch 2 kann die Brummspannung auf Kosten des Regelbereiches reduziert werden.
Anhand der Zeichnungen werden die erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler nun näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers nach Anspruch- 1, Figur 2 das Steuerschema der elektronischen Schalter sowie Strom- und Spannungsverläufe des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 1, Figur 3 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2, Figur 4 das übertragungsschema des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2, Figur 5 den Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers nach Anspruch 2 und Figur 6 die Steuertaktsignale der elektronischen Schalter nach Anspruch 2 nebst Stromverläufen über die Schaltstrecken der elektronischen Schalter.
Beim Gleichspannungswandler nach Figur 1 wird an die Eingangsklemmen die Eingangsspannung Ue gelegt. Parallel zu den Eingangsklemmen liegt ein Eingangssiebkondensator C1 und ein Diagonalzweig der Brückenschaltung. Für beide Nebenzweige der Brücke ist je eine Speicherdrossel L1, bzw.
L2, vorhanden, die zwischen der positives Potential führenden Eingangsklemme und je einem Pol der den zwei Drosseln L1 und L2 benachbarten elektronischen Schalter S1 und S2 liegt. In den beiden anderen Nebenzweigen der Brükke liegen die den zwei Drosseln L1 und L2 nicht benachbarten elektronischen Schalter S3 und S4. Den anderen Diagonalzweig der Brückenschaltung bildet die Primärwicklung w1 eines den Ausgangskreis speisenden Transformators Tr1. An den Sekundärwicklungen w21, w22, ... w2n dieses Transform mators Tr1 können nach Gleichrichtung und Siebung mittels der Kondensatoren C21, C22, ... C2n die Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, ... Uan abgegriffen werden.
Parallel zu je einem der den zwei Drosseln L1 und L2 benachbarten elektronischen Schalter Si und S2 liegt jeweils eine Serienschaltung aus einer Diode D1 bzw. D2 und einer Primärwicklung w3 bzw. w4 eines weiteren Transformators Tr2. Diese Serienschaltungen sind jeweils mit einer Drossel L1 bzw. L2 verbunden. Die Sekundärwicklungen w5 und w6 des Transformators Tr2 sind an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt gegen Erdpotential geschaltet. Die anderen Wicklungsenden sind über gleichsinnig gepolte Dioden D3 und D4 katodenseitig mit der positives Potential führenden Eingangsklemme verbunden.
Das Steuerschema der elektronischen Schalter S1, 52, S3, S4 zeigt Figur 2, Zeila a. Die schraffierten Felder bedeuten, daß sich der betreffende elektronische Schalter gerade im Einschaltzustand befindet. Die'geladene Drossel L1 wird über die geschlossenen Schalter S1 und S4 während einer konstanten halben Periode T/2 an die Last entladen.
Den Entlade- bzw. Ladestrom durch die Drossel L1 zeigt Figur 2, Zeile b. Nach einem Teil der gesamten Entladezeit tE1 von L1 wird mittels der geschlossenen Schalter S2 und S4 die Drossel L2 während der Zeit tL2 aufgeladen.
Am Ende der Halbperiode T/2 schaltet S4 ab und beendet damit den Aufladevorgang von L2, siehe Figur 2, Zeile c.
Damit ist auch der Entladevorgang von L1 an die Last beendet. Schalter S1 öffnet und Schalter 53 schließt. Dadurch beginnt für Drossel L2, da Schalter S4 ebenfalls geöffnet hat, der gleiche Entladevorgang wie bei L1 an die Last während einer Halbperiode-T/2. Da Schalter S1 geöffnet ist, entlädt sich L1 weiter, jedoch über den als Räckflußtransformator arbeitenden Transformator Tr2.
Die Höhe der Amplitude der Ausgangsspannungsanteile Ua1, Ua2, ... Uan wird über die Ladezeiten tL1 und tL2 mittels der Schalter S1 und S2 gesteuert. Diese Schaltzeiten tL1 und sind variabel, da auch die Einschaltæeitpunkte von Schaller variabel, da auch sind. Die Drossel L 1wird mittels der geschlossenen Schalter S1 und S3 während der Zeit tL1 aufgeladen.
Die Lade- und Entladezeiten der beiden Drosseln L1 und L2 sind um eine Halbperiode T/2 gegeneinander versetzt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der elektronischen Schalter nach dem Schema von Figur 2, Zeile a erreicht.
Figur 2, Zeile d zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Ua1 und Ua2. Die aus Ua1 und Ua2 zusammengesetzte Rechteckweehselspannung mit dem konstanten Tastverhältnis 1:1 läßt sich über eine Tastverhältnissteuerung der Schalter S1, S2 relativ verlustlos in ihrer Amplitude verändern. Dazu wird aus der Ausgangsspannung eine Spannung oder ein Strom abgeleitet, der der Steuereinheit SE zugeführt wird. Ein in dieser Steuereinheit SE enthaltener Steuergenerator liefert in Abhängigkeit der aus der Ausgangsspannung abgeleiteten Grösse die zeitlich variablen Gegentaktsteuerimpulse für die elektronischen Schalter S1 und S2 (Pulsbreitenmodulation).
Dabei überlappen sich die Gegentaktsteuerimpulse von Schalter S1 und S2, wohingegen sich die Gegentaktsteuerimpulse von Schalter S3 und 54 nicht überlappen. Figur 2, Zeile e zeigt die Rückflußspannung Ur, die an den Sekundärwicklungen w5 und w6 des Transformators Tr2 im Gegentakt ansteht und über die Dioden D3 und D4 an die Eingangsspannungsquel le geführt wird.
Das übersetzungsverhältnis w3:w5, bzw. w4:w6, des Transformators Tr2 wird größer 1 gewählt, vorzugsweise gleich 2.
Dadurch wird die Regelsteilheit der Ausgangsspannung am größten.
In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßer Gleichspannungsandler nach Anspruch 2 dargestellt. Parallel zu den Klemmen der Eingangsspannung Ue liegt der Eingangssiebkondensator C1' und die Serienschaltung aus einer Speicherdrossel L und einem Diagonalzweig der Brückenschaltung. In den Nebenzweigen der Brücke liegen die elektronischen Schalter S1', S2', S3' und S4'. Im anderen Diagonalzweig der Brücke liegt die Primärwicklung w9 des Transformators Tr3. In Serie zu den elektronischen Schaltern S1' und S2' liegt je eine auf dem Kern des Transformators Tr3 angebrachte Gegentaktwicklung w7 bzw. w8. An der Sekundärwicklung w10 des Transformators Tr3 steht die Spannung Ua an, die nach Spannungsverdopplung dem Lastwiderstand RL zugeführt wird.
über die elektronischen Schalter S1', S4' und S2', S3' wird die Speicherdrossel L abwechselnd aufgeladen. Dabei wird der Drosselladestrom ID transformiert über w7 und w8 im Gegentakt an den Ausgangskreis abgegeben. Die Entladung von L erfolgt abwechselnd über S1', S4' und S2', S3'.
Figur 4 zeigt das Steuerschema des Gleichspannungswandlers nach Figur 3, d.h. die zeitliche Verteilung des Stromes ID auf die Schalter und Trafowicklungen. Während der Drossel ladezeit arbeitet dieser Gleichspannungswandler im Gegen takt, während der Entladezeit von L in Brückenschaltung.
Das Verhältnis der Windungen von w7/w9 - x bestimmt den Anteil der während der Drosselphase auf den Ausgangskreis übertragenen Energie. und damit die Ausgangsbrummspannung.
Vorteilhaft wählt man w7 = w8 c w9.
Den zeitlichen Verlauf der an der Sekundärwicklung w10 anstehenden Spannung Ua zeigt Figur 5. Das Tastverhältnis der beiden Gegentaktanteile ist dabei konstant.
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel der Steuersignale der elektronischen Schalter S1', S2', S3' und S4'.
Die Steuertaktsignale werden dabei so gewählt, daß die.Umschaltverluste der elektronischen Schalter minimal sind, da möglichst bei Stromminimum geschaltet wird.
Die Steuersignale werden aus einem in der Steuereinheit SE' enthaltenen Steuergenerator gewonnen. In Abhängigkeit einer aus der an R L auftretenden Lastspannung wird eine Größe abgeleitet, die den überlappungsgrad (Pulsbreitenmodulation) der Steuertaktsignale der Schalter S3' und S4' bestimmt.
Figur 6, Zeile a zeigt das Steuertaktsignal von S1'; Figur 6, Zeile b zeigt das Steuertaktsignal von S2'. Diese beiden Steuertaktsignale sind zueinander um 1800 phasenverschoben und überlappen sich nicht. Dabei ist ein festes Tastverhältnis von 1 gewählt. Figur 6, Zeilen c und d zeigen die sich überlappenden, ebenfalls um 1800 zueinander phasenverschobenen Steuertaktsignale variabler Pulsbreite der Schalter S3' und S4'. Figur 6, Zeile e zeigt den Strom durch die Speicherdrossel L. In Figur 6, Zeilen f bis i sind die zeitlichen Stromverläufe über die Schaltstrecken der elektronischen Schalter dargestellt. Sind die elektronischen Schalter Transistoren, so entsprechen diese Stromverläufe den Kollektorstromverläufen. Es gilt folgende Zuordnung: Zeile f - Stromverlauf Schalter S1' Zeile g - Stromverlauf Schalter S2' Zeile h - Stromverlauf Schalter S3' Zeile i - Stromverlauf Schalter S4'.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 0 Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler zur Umformung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspan nung mit vier durch eine Steuereinheit leitend ges teuer ten elektronischen Schaltern in Brückenschaltung, wobei die Primärwicklung eines den Ausgangskreis speisenden Transformators die erste Diagonale der Brückenschaltung bildet und wobei die andere Diagonale über Speichern duktivitäten mit der Eingangsgleichspannung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherinduktivi täten aus zwei magnetisch nicht gekoppelten, mittels der Ströme über je zwei elektronische Schalter (S1, S4; S2, S3) gegenphasig aufladbaren Drosseln (L1, L2) be stehen, daß die Schaltstrecken der den Drosseln (L1, L2) benachbarten elektronischen Schalter (S1, S2) durch je eine Primärwicklung (w3, w4) eines weiteren Transform tors (Tr2) überbrückt sind ffnd daß die Sekundärwicklungen (w5, w6) des weiteren Tr<.nsformators (Tr2) derart mit der Eingangsspannungsquelle (Ue) verbunden sind, daß die in den Drosseln (L1, L2) verbleibende Restenergie im Gegentakt an die Klemmen der Eingangsgleich spannung zurückgegeben wird (Figur 1).
2. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler zur Umformung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit vier durch eine Steuereinheit leitend gesteuerten elektronischen Schaltern in Brückenschaltung, wobei die Primärwicklung eines den Ausgangskreis speisenden Transformators die erste Diagonale der Brückenschaltung bildet und wobei die andere Diagonale über Speicher induktivitäten mit der Eingangsgleichspannung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherinduktivitäten aus einer mittels der elektronischen Schalter (S1', S4'; S2', S3') ladbaren Speicherdrossel (L) und zwei auf dem Kern des Transformators (Tr3) angebrachten Wicklungen (w7, w8) bestehen, die so geschaltet sind, daß sie während der Speicherdrosselladephase Energie im Gegentakt an den Ausgangskreis des Gleichspannungswandlers abgeben und daß der gemeinsame Verbindungspunkt der zwei Wicklungen (w7, w8) mit der Speicherdrossel CL) verbunden ist (Figur 3).
3.'Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei den Drosseln (L1, L2) benachbarten elektronischen Schalter (S1, S2) mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind, daß die den Drosseln (L1, L2) nicht benachbarten elektronischen Schalter (53, S4) mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich nicht überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen des in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schleßbar sind und daß ein den Drosseln (L1, L2) benachbarter und ein nichtbeachbarter elektronischer Schalter (S1, 53; 52, S4) so mit der Steuereinheit verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich teilweise überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen des in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind.
Lt. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den zwei Wicklungen (w7, w8) benachbarten elektronischen Schalter (S1', S2') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich nicht überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind, daß die den zwei Wicklungen (w7, w8) nicht benachbarten elektronischen Schalter (S3', S4') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich überlappenden Gegentaktsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind und daß ein den zwei Wicklungen (w7, w8) benachbarter und ein nichtbenachbarter elektronischer Schalter (S1', S4'; S2', S3') mit der Steuereinheit so verbunden sind, daß diese mit zeitlich sich teilweise überlappenden Gegentak.tsteuerimpulsen eines in der Steuereinheit enthaltenen Steuergenerators schließbar sind.
5. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeiten der den Drosseln (L1, L2) benachbarten elektronischen Schalter (S1, S2) wie 1:1 gewählt sind.
6. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinschaltzeiten der den zwei Wicklungen (w7, w8) benachbarten elektronischen Schalter (S1', S2') wie 1:1 gewählt sind.