DE4432776B4

DE4432776B4 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE4432776B4
Application number: DE4432776A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Roth; Gerard Dipl.-Ing. Rilly
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2014-09-16
Also published as: DE4432776A1

Abstract

Schaltnetzteil mit einer durch einen Schalttransistor (TS) periodisch geladenen Induktivität (L), die über eine Diode (DS) an einen die Betriebsspannung (UA) liefernden Speicherkondensator (CA) angeschlossen ist, wobei parallel zu dem Schalttransistor (TS) ein Kondensator (CS) liegt und die Diode (DS) durch einen Schalter (SS) überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (SS) durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar-Transistors (TSS) gebildet ist, in dessen Emitterweg ein Emitter-Widerstand (RE) und in dessen Basisweg ein Basis-Widerstand (RB) eingeschaltet ist,wobei der Kollektor des Bipolar-Transistors (TSS) mit der Kathode der Diode (D5) verbunden ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einem derartigen Schaltnetzteil, auch step up Schaltung genannt, ist der Ladekondesator am Ausgang des Netzteils an die Reihenschaltung einer Induktivität und eines periodisch betätigten Schalttransistors angeschlossen. Der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung ist über eine Diode an einen großen Speicherkondensator angeschlossen, an dem die erzeugte Betriebsspannung für eine Last steht. Bei einer solchen Schaltung würde an dem Schalttransistor und an der Induktivität jeweils beim Abschalten eine hohe Spannungsspitze auftreten, die zusätzliche Schaltverluste und Störstrahlung bedingt.
Zur Vermeidung einer derartigen Spannungsspitze ist es bekannt, parallel zu dem Schalttransistor einen Kondensator zu schalten, der eine hohe Spannungsspitze an dem Schalttransistor verhindert. Dieser Kondensator bewirkt andererseits in unerwünschter Weise, daß im Einschaltaugenblick des Schalttransistors an diesem Transistor noch eine Spannung steht, wodurch Einschaltverluste entstehen.
Zur Vermeidung dieser Einschaltverluste ist es auch bekannt, parallel zu der Diode einen zusätzlichen Schalter vorzusehen. Dieser wird während einer derartigen Zeit leitend gesteuert, daß der Kondensator mit einem Strom entgegengesetzt zur Leitrichtung der Diode entladen wird, Dann wird die Spannung an dem Schalttransistor in dessen Einschaltaugenblick praktisch null. Da dieser Schalter während einer bestimmten Zeit leitend gesteuert werden muß, ist dafür ein aktiv gesteuerter Schalter erforderlich, der von einer Steuerschaltung oder einem Prozessor definiert leitend gesteuert wird. Ein derartiger aktiver Schalter an der genannten Stelle ist aber relativ schwierig zu realisieren, weil beide Elektroden der Diode Spannungen führen, die nicht konstant sind, sondern sich ändern, also gewissermaßen "fließen". Für die Ansteuerung eines aktiven Schalters wäre dann an sich ein Übertrager erforderlich.
Ein Schaltnetzteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 05-207740 A bekannt. Aus Allen, P. E.; Holberg, D. R.: „CMOS Analog Circuit Design," Oxford University Press, New York, Oxford, 2002, 2. Auflage, Seite 124, ist eine Feldeffekttransistorschaltung bekannt, bei der ein Feldeffekttransistor eine Funktion im Sinne einer Diode aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Schalter parallel zu Diode derart zu realisieren, daß kein aktiv gesteuerter Schalter erforderlich ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung wird der Schalter dadurch realisiert, daß für die Diode die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar-Transistors verwendet wird, in dessen Emitterweg ein Emitter-Widerstand und in dessen Basisweg ein Basiswiderstand liegt. Bei dieser Lösung können die gewünschte leitende Phase des Schalters und der Strom durch die Bemessung der beiden Widerstände besonders gut eingestellt werden. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform liegt parallel zu dem Basis-Widerstand die Kollektor/Emitter-Strecke eines Hilfs-Transistors, dessen Basis über einen Widerstand an den Emitter des Bipolar-Transistors angeschlossen ist. Diese Schaltung ermöglicht ein besonders genaues Abschalten des Schalttransistors, indem der Emitter-Strom des Schalttransistors selbst über den Hilfstransistor zum Abschalten herangezogen wird. Bei dieser Lösung ist vorzugsweise die Basis des Hilfstransistors über einen Kondensator mit der an den Speicherkondensator angeschlossenen Elektrode der Diode verbunden. Der Kondensator bewirkt, daß auch bei einer Spannungsspitze an dem Speicherkondensator der genannte Bipolar-Transistor gesperrt bleibt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen
1 den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung,
2 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach 1,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4, 5 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise,
6, 7 zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung und
8 eine Weiterbildung der Schaltung nach 7.
1 zeigt eine als Schaltnetzteil arbeitende sogenannte stepup-Abschaltung. Dargestellt sind die Netzspannung U1, der Netzgleichrichter BR, der Ladekondensator CN mit der Spannung UN, die Induktivität L, der Schalttransistor TS, die Diode DS, der Speicherkondensator CA mit der Spannung UA, die Last R2 und der den Schalttransistor TS in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung UA steuernde Prozessor P. CN ist so klein bemessen, daß UN eine pulsierende Gleichspannung ist. CA ist als reiner Speicherkondensator so groß bemessen, daß die Spannung UA im wesentlichen eine reine Gleichspannung ist. Der Kondensator CS dient dazu, hohe Impulsspannungen in der Spannung US zu unterdrücken. CS würde andererseits eine Restspannung im Einschaltaugenblick von TS bewirken, die zu nennenswerten Einschaltverlusten führt. Daher ist parallel zu der Diode DS der Schalter SS vorgesehen.
Die Funktion dieses Schalters wird anhand der 2 erläutert. iD ist der gesamte durch die Parallelschaltung von DS und SS fließende Strom, iDS der Strom durch die Diode DS und iSS der Strom durch den Schalter SS. Nach dem Abschalten von TS fließt zunächst der Strom iDS durch die Diode DS zur Aufladung von CA. Wenn dieser Strom auf null abgeklungen ist, wird der Schalter SS leitend und erzeugt während der Zeit tSS den Strom iSS. Dieser Strom entlädt CS in erwünschter Weise derart, daß beim Wiedereinschalten von TS im Zeitpunkt t3 die Spannung US praktisch null ist und somit Einschaltverluste an TS weitestgehend vermieden werden.
3 zeigt einen Auszug aus der Schaltung nach 1. Der zusätzliche Schalter SS ist nicht mehr vorhanden. Stattdessen ist als Diode DS eine träge Diode mit einer langen Erholzeit verwendet, die einen Reverse-Strom iSS zwischen t2 und t3 ermöglicht. Die Eigenschaft einer derartigen Diode, nach ihrer leitenden Zeit kurzzeitig einen Strom in Sperrichtung durchzulassen, wird also in vorteilhafter Weise zur Realisierung des Stromes iSS gemäß 1 ausgenutzt.
5 zeigt wieder die Spannung US. Der Strom iSS bewirkt, daß im Einschaltzeitpunkt von TS, also wenn US auf null abfällt, der Kondensator CS entladen ist und keine nennenswerten Einschaltverluste auftreten.
In 6 ist die Diode DS durch den Feldeffekttransistor TFT realisiert. Dabei wird die sogenannte Body-Diode eines P-Kanal-Feldeffekttransistors FET zur Realisierung des Reverse-Stromes iSS ausgenutzt.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Schalter SS gemäß 1 durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar-Transistors TSS ausgebildet ist, in dessen Emitterweg ein Emitterwiderstand RE liegt. TSS stellt eine Basis/Emitter-Diode mit dem Widerstand RE dar und eine Basis/Kollektor-Diode mit einem Basis-Widerstand RB in dessen Basisweg dar. Der Widerstand RB steuert die Basis/Kollektor-Diode von TSS leitend.
RB induziert eine Ladung in der Basis, die den Strom auf null abfallen läßt. TSS wird leitend durch die induzierten Ladungsträger, wodurch der gewünschte Reverse-Strom oder Rückwärtsstrom iSS ermöglicht wird. Wenn die Basis von Ladungsträgern ausgeräumt ist, wird TSS gesperrt, und der Strom iSS wird wieder null. Durch die Widerstände RE und RB lassen sich die gewünschte Zeitdauer des Stromes iSS sowie dessen Amplitude besonders genau einstellen.
8 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung nach 7. Zusätzlich ist der Hilfs-Transistor TSH mit dem Widerstand RB, dem Widerstand RC und dem Kondensator CB vorgesehen. Mit RE wird der Strom iSS über TSS gemessen und mit diesem Strom über RC und TSH dieser Strom besonders schnell abgeschaltet. Der Kondensator CB sorgt dafür, daß bei Spannungspitzen SP an dem Speicherkondensator CA der Transistor TSS gesperrt bleibt.
Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel hatten die in den Figuren dargestellten Bauteile folgende Werte:

CA
CS
CN
CB
L
DS Typ BY255 in 3
RE 1 Ohm
RB 100 Ohm
RC 1 kOhm
TSS Typ BUT50A
TSH Typ BC337

Claims

Schaltnetzteil mit einer durch einen Schalttransistor (TS) periodisch geladenen Induktivität (L), die über eine Diode (DS) an einen die Betriebsspannung (UA) liefernden Speicherkondensator (CA) angeschlossen ist, wobei parallel zu dem Schalttransistor (TS) ein Kondensator (CS) liegt und die Diode (DS) durch einen Schalter (SS) überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (SS) durch die Kollektor/Emitter-Strecke eines Bipolar-Transistors (TSS) gebildet ist, in dessen Emitterweg ein Emitter-Widerstand (RE) und in dessen Basisweg ein Basis-Widerstand (RB) eingeschaltet ist,wobei der Kollektor des Bipolar-Transistors (TSS) mit der Kathode der Diode (D5) verbunden ist.
Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Basis-Widerstand (RB) die Kollektor/Emitter-Strecke eines Hilfs-Transistors (TSH) liegt, dessen Basis über einen Widerstand (RC) an den Emitter des Bipolar-Transistors (TSS) angeschlossen ist.
Netzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des Hilfs-Transistors (TSH) über einen Kondensator (CB) mit der an den Speicherkondensator (CA) angeschlossenen Elektrode der Diode (DS) verbunden ist.