AT525014A1 - Kombinierte Sperr-Durchflusswandler mit quadratischer tiefsetzender Vorstufe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft zwei Varianten eines kombinierten Sperr-Durchflusswandlers mit quadratischer tiefsetzender Vorstufe, bestehend aus einem positiven (1) und einem negativen Eingangsanschluss (2) zur Zuführung der Eingangsspannung (U1), einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4) zur Verbindung mit der Last (R), einem aktiven Schalter (S1), einer ersten Diode (D1), einer zweiten Diode (D2), einer dritten Diode (D3) und fakultativ einer vierten Diode (D4), einer ersten (L1) und einer zweiten Spule (L2), einer magnetisch gekoppelten Spule (T) mit einer ersten (N11) und einer zweiten Wicklung (N12), einem ersten (C1), einem zweiten (C2) und fakultativ einem dritten Kondensator (C3). Der Energietransfer an die Sekundärseite erfolgt sowohl im leitenden wie im sperrenden Zustand der Taktperiode des aktiven Schalters.

Description

Die Erfindung betrifft kombinierte Sperr-Durchflusswandier mit quadratischer tiefsetzender Vorstufe, bestehend aus einem positiven {1} und einem negativen Eingangsanschluss {2} zur Zuführung der Eingangsspannung (U;), einem positiven {3} und einem negativen Ausgangsanschluss {4} zur Verbindung mit der Last {RR}, einem aktiven Schalter (Sı), einer ersten Diode {PD}, einer zweiten Diode {Da}, einer dritten Diode (D3} und fakultativ einer vierten Diode (Da), einer ersten {Li} und einer zweiten Spule {L2}, einer magnetisch gekoppelten Spule (T} mit einer ersten (Na1l und einer zweiten Wicklung (N1z}, einem ersten (C:), einem zweiten (C2) und fakultativ einem dritten Kondensator {C3}, wobei an den positiven Eingangsanschluss {1} die Kathode der zweiten Diode (D,} und der erste Anschluss der ersten Spule {L,} geschaltet sind, arı die Anode der zweiten Diode {D;} die Kathode der ersten Diode (D.) und der zweite Anschluss des ersten Kondensators (Ci) geschaltet sind, an den ersten Anschluss des ersten Kondensators {C:) der zweite Anschluss der ersten Spule {L} geschaltet

ist und die Anode der ersten Diode (D1) mit dem negativen Eingangsanschluss (2} verbunden ist,

Sperr- und Durchflusswandler ermöglichen es durch das Windungsverhältnis der Wicklungen große Spannungsübersetzungen zu erzielen. Gleichzeitig ermöglichen sie auch eine Patentialtrennung zwischen Eingang und Ausgang, Beim Sperrwandler erfolgt die Energieaufnahme aus der Quelle, wenn der aktive Schalter eingeschaltet ist; die Energie wird dabei im Magnetkreis der gekoppelten Spulen gespeichert und dann, wenn der aktive Schalter sperrt, wird diese Energie über die zweite Wicklung an den Ausgangskreis abgegeben. Bedingt durch die erforderliche Zwischenspeicherung im Magnetfeld, eignet sich das Sperrwandlerkonzept nur für Leistungen bis etwa 150 W. Größere Leistungen werden dann mit dem Durchflusswandier übertragen. Hier arbeiten die beiden gekoppelten Spulen wie bei einem Transformator. Ist der aktive Schalter eingeschaltet, so wird Energie nach dem Transformatorprinzip auch gleich an den Sekundärkreis übertragen. Wie bei einem Transformator fließt auf der Primärseite, zusätzlich zu dem für den Strom auf der Sekundärseite erforderlichen Stram, auch ein Magnetisierungsstrom., Dieser wird nach Abschalten des aktiven Schalters mit Hilfe einer dritten magnetisch verkoppelten Wicklung abgebaut. Bei dem hier

vorgeschlagenen Konzept ist jedoch keine zusätzliche Wicklung für die Entmagnetisierung notwendig.

Um die Flexibilität und das Spannungsübersetzungsverhältnis zu erweitern ist eine quadratische

Stufe mit tiefsetzendem Verhalten hinzugefügt.

Die beiden vorgeschlagenen Wandlerstrukturen werden nun an Hand von Figuren beschrieben, Fig. 1 stellt Variante 1 und Fig. 5 die Variante 2 dar, Die Figuren Fig, 2 bis Fig. 4 und Fig. 6 bis Fig. 8 stellen

die wichtigsten Moden der beiden Varianten dar.

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als MOSFET gezeichnet.

Die Funktion der Schaltungen wird nun für die beiden Varlanten zum leichteren Verständnis getrennt besprochen. Dabei werden eingeschwungener Betrieb und Ideale Bauteile vorausgesetzt. Die Kondensatoren sind entsprechend groß, sodass die Spannung an Ihnen während einer Taktperiode

als praktisch konstant angenommen werden kann.

Um die Funktion der Schaltung gemäß Fig, 1 Varlante 1 zu beschreiben, werden nun die einzelnen Moden der Schaltung betrachtet, Fig, 2 stellt Modus M1 dar, Der aktive Schalter (S:) ist eingeschaltet, Damit liegt die Differenz von Eingangsspannung (U) und Spannung am ersten Kondensator {C:} an der ersten Spule (L:} und der Strom durch diese nimmt Zu. Mit dem Einschalten des aktiven Schalters {S1) schaltet auch die erste Diode (D1) ein. Dadurch Hegt die Spannung des ersten Kondensatars (Ci) an. der primären Wicklung {Nu} und erzeugt auf der sekundären Wicklung (N) eine Spannung, die

entsprechend dem Windungsverhältnis transformiert ist, gemäß

Dadurch schaltet die dritte Diode (D3) ein und die Sekundärspannung Hegt nun an der zweiten Spule (1) und der Strom durch diese steigt an. Dieser Sekundärstrom verursacht nun auf der Primärseite einen entsprechenden Strom (gemäß dem Windungsverhältnis um den Faktor N1/Nu verändert), der ebenfalls durch den Transistor fließt. Die Energie wird teilweise aus dem ersten Kondensator {(C;} entnommen (die Spannung ar Ci nimmt daher praktisch etwas ab}. Die Last wird in diesem Modus

vom Kondensator C, versorgt,

Wird nun von der Steuervorrichtung der aktive Schalter (Si) abgeschaltet, so beginnt Modüs MZ

{Fig. 3), Der Strom durch die erste Spule {L;) kommutiert nun in die zweite Diode (Dy). Damit legt eine negative Spannung (die Spannung an Ci) an der Spule und der Strom sinkt. Gleichzeitig schaltet die erste Diode (D,} aus und es kann auch kein Stram mehr in der Primärwicklung fließen. Der Magnetisierungsstrom kann sich aber über die Sekundärwicklung (Nı2} abbauen. Dazu schaltet die vierte Diode (Di) ein. Der Magnetisierungsstrom baut sich nun über den Stromkreis Sekundärwicklung (N), zweiter Kondensator (C,) und vierter Diode (Da«} ab. Weiters schaltet.die dritte Diode (D3) ein und es baut sich der Strom in der zweiten Spule (ar dieser legt nun die negative

Ausgangsspannung U} über dem Stromkreis: zweite Spule (L,}, zweiter Kondensator {C,}), dritte

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dort versorgt,

Erreichen die Ströme durch die Sekundärwicklung (N) und durch die zweite Spule (12) null, so schalten die dritte (D3) und die vierte Diade (Da} aus. Es beginnt nun der Modus M3 gemäß Fig, 4. Die erste Spule {L{} baut ihre Magnetisierung weiter ab, und der zweite Kondensator (C,) versorgt die

Last,

Erreicht der Strom in der ersten Spule (L;) auch den Wert null, so schaltet auch die zweite Diode {D;}

aus. Dies ist Modus M4. Die Last wird weiter durch den zweiten Kondensator (C,) versorgt,

Es sel auch angemerkt, dass es nach weitere Möglichkeiten gibt. So kann z.B. auch der Strom in der ersten Spule {L;} schon var dem in der zweiten Spule {L;} zu lücken beginnen, oder dass der aktive Schalter (Sı) noch bevor die gekoppelten Spulen {T} oder die zweite Spule (L,) entmagnetisiert haben

wieder eingeschaltet wird.

Der Ablauf der Modi M1, M2, M3 ist aber der am leichtesten zu steuernde und die Gefahr einer Sättigung der magnetischen Bauelemente wird dabei vermieden, das heißt aber nicht, dass man die

Schaltung nicht auch anders betreiben kann, Das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis im kantinuferlichen Betrieb lässt sich gemäß

a U, . Nas da Ze

bestimmen. Man erkennt die Funktion eines quadratischen Tiefsetzstellers die noch über das

Windungsverhältnis angepasst werden kann.

Im diskontinulerlichen Betrieb wird die Formel natürlich nicht so einfach. Es gehen nun zusätzlich die

Schaltfrequenz f, die Last {R} und die Größe.der Primärwicklung (Leu) und der Wert der zweiten Spule (L) ein. Der Wert der ersten Spule (1) geht hier nicht ein, denn man wird die erste Spule (Li) auch in

diesem Fall besser im kontinuierlichen Modus betreiben. Es ergibt sich

U,

MM = = Kacai dd} JR

3

mit dem Faktor Kocm, In dem die Parameter des Konverters zusammengefasst sind. Dieser ergibt sich

ZU

DEM TEA \

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entsprechend dem Windungsverhältnis wieder die Spannung

; u Na {7 Az as { x ZA, x Aa 1 N A

Die dritte Diode (D3) sperrt und die Spannung

MM : Ep Fit or Un SA U a ei

Vi

legt nun an der zweiten Spule {L,) und führt zu einem Stromanstieg (wenn die Kondensatoren ausreichend groß dimensioniert sind, deren Spannung sich also während der Periodendauer Kaum ändert, ist auch dieser Anstieg near). Der Strom in der Primärwicklung steigt nun um den Faktor

Nu /Na transformiert an.

Modus M2 {Fig 7) beginnt mit dem Ausschalten des aktiven Schalters {S;}. Dadurch schaltet die zweite Diode {DD} ein und übernimmt den Strom der ersten Spule (L;). Die Spannung an der ersten Spule {L,) ist nun die negative Spannung des ersten Kondensators {C.) und der Strom in der ersten Spule {L;} sinkt. Gleichzeitig schaltet die erste Diode (D+) aus und unterbricht somit den Stromfluss in der Primärwicklung (Nu). Damit wird auch der Energietränsfer nach dem Durchflusswandlerprinzip gestoppt. Die Magnetisierungsenergie der gekoppelten Spulen {T} wird nun gemäß dem Sperrwaridlerprinzip übertragen; Die dritte Diode (D:) schaltet ein, der Magnetisierungsstrom baut sich über den zweiten Kondensator (C,), die dritte Diode (D3} und die Sekundärwicklung (Nız} ab. Gleichzeitig läuft sich der Strom der zweiten Spule (L;) über die dritte Diode {D3;} und den dritten

Kondensator (Ci) frei,

Es ist dabel sinnvoll, die Induktivität der zweiten Spule (L2}) und die Induktivität (Lu) der Sekundärwicklung {Nı2) gleich groß zu wählen, damit beide Spulen gleichzeitig entmagnetisiert werden, In diesem Modus werden sowohl der zweite (C,) wie der dritte Kondensator (Ci)

nachgeladen,

Wenn der Strom durch die dritte Diode (Da) null wird, schaltet diese aus, Damit beginnt Modus M3

{Fig. 8}. Die Last wird jetzt nur vom dritten Kondensator (C3} versorgt und die erste Spule {1,} läuft

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so betreiben, dass die erste Spule {L:) im kontinuierlichen Betrieb bleibt, Das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis im kontinuferlichen Betrieb lässt sich gemäß

U Na Id bestimmen und zeigt das gleiche Ergebnis wie Variante 1. Man erkennt die Funktion eines

quadratischen Tiefsetzstellers, die noch über das Windungsverhältnis angepasst werden kann.

Im diskantinulerlichen Betrieb wird die Formel natürlich nicht so einfach, Es gehen nun zusätzlich die Schaltfrequenz f, die Last (R} und die Größe der Primärwicklung (Leu) und der Wert der zweiten Spule {L,} ein. Der Wert von (Li) gebt hier nicht ein, denn man wird die erste Spule auch In diesem Fall besser im könfinulerlichen. Modus ([ader im Grenzbetrieb} betreiben, Es ergibt sich auch wieder

dasselbe Spannungsübersetzungsverhältnis wie bei Variante 1.

Bekanntlich treten in Konvertern, die im diskontinuterlichen Mode betrieben werden, hochfrequente Schwingungen an den Schaltern, bedingt durch deren parasitäre Kapazitäten, auf. Will man diese Schwingungen aus Entstärungsgründen unterdrücken, so bjeten sich zwei Möglichkeiten an. Einerseits kann man die erste Wicklung (Nu) der geköppelten Spulen {T} während des Modus M3 kurzschließen, oder man erweitert die zweite Spule {L,} mit einer zweiten Wicklung (dabei genügt ein dünner Drahit, weil der dort feßende Strom nur einen geringen Effektivwert hat), und schließt diese

zweite Wicklung während M3 kurz,

Bei der ersten Varlante schaltet man zum Beispiel zu einem MOSFET, dessen Saurce mit dem ersten Anschluss der ersten Wicklung (N1;}) der gekoppelten Spulen {T} verbunden Ist und eine weitere Diode, deren Anode mit dem zweiten Anschluss der ersten Wicklung {Nu} der geköppelten Spulen {T} verbunden ist, in Serie, Die in Serie geschaltete Diode verhindert ein Leitendwerden der Bodydiode

des MOSFETsS.

Bei der zweiten Variante benötigt man keine potentialfreie Ansteuerung. Die beiden Wicklungsenden werden jeweils an einen positiven Anschluss eines aktiven Schalters geschaltet. Diese zwei Hülfsschalter werden mit ihren negativen Anschlüssen zusammengeschaltet, Dies ist dann auch gleichzeitig das Massepotential des Eingangs, Alle aktiven Schalter können daher einfach gegen

Masse angesteuert werden.

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Ausgangsanschluss (3} geschaltet ist.

Der aktive Schalter kann auch mittels Entlastungsnetzwerk geschützt werden, Die Entlastung dient auch zur Verringerung der Überspannung am Schalter, bedingt durch die Streuinduktivität der

gekoppelten Spulen {T}.

Um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität zu vermeiden wird man parallel zu den

Eingangsanschlüssen (1, 2} einen Kondensator (oder eine Kombination von Kondensatoren) schalten,

Um störende Schwingungen an den Halbleitern zu vermeiden kann man parallel zur ersten Wicklung (Ni) der geköppelten Spulen (T} die Serienschaltung einer weiteren Diode und eines weiteren aktiven Schalters schalten, wobei.der negative Anschluss des weiteren aktiven Schalters an den

ersten Anschluss der ersten Wicklung (N4i) der gekoppelten Spulen (T) geschaltet ist und die Anode

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geschaltet ist,

Man kann diese Schwingungen auch dadurch vermeiden, dass mit der Wicklung der zweiten Spule {L2} eine zweite Wicklung magnetisch geköppelt vorhanden ist, wobei der erste Anschluss dieser zweiten Wicklung an die Serienschaltung einer weiteren Diode und eines weiteren aktiven Schalters geschältet ist, wobei der negative Anschluss des weiteren aktiven Schalters an den zweiten Anschluss dieser zweiten Wicklung geschaltet ist und an den positiven {3} oder den negativen

Ausgangsanschluss {4} geschaltet ist.

Eine alternative Variante besteht darin, dass mit der Wicklung der zweiten Spule (L,) eine zweite magnetisch gekoppelte Wicklung vorhanden ist, wobei die Anschlüsse dieser zweiten Wicklung jeweils an die pasitiven Anschlüsse weiterer aktiver Schalter geschaltet sind, deren negative Anschlüsse zusammen geschaltet entweder an den positiven {3} oder den negativen

Ausgangsanschluss (4}, oder an negativen Eingangsanschluss (2) geschaltet sind,

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Claims (8)

1. Kombinierter Sperr-Durchflusswandier mit quadratischer tiefsetzender Vorstufe, bestehend aus. einem positiven (1} und einem negativen Eingangsanschluss {2} zur Zuführung der Eingangsspannung {U}, einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4} zur Verbindung mit der Last {R}, einem aktiven Schalter {S;}, einer ersten Diode (DJ), einer zweiten Diode (D2}, einer dritten Diode {Dz} und fakultativ einer vierten Diode (Da), einer ersten {L;} und einer zweiten Spule {L;}, einer magnetisch gekappelten Spule {T} mit einer ersten {N4,) und einer zweiten Wicklung (N), einem ersten {C), einem zweiten (C2} und fakultativ einem dritten Kondensator {C2), wobei an den positiven Eingangsanschluss {1} die Kathode der zweiten Diode {Da} und der erste Anschluss der ersten Spule {L;}) geschaltet sind, an die Anode der zweiten Diode {D:)} die Kathode der ersten Diode (Di) und der zweite Anschluss des ersten Kandensators (C;) geschaltet sind, an den ersten Anschluss des ersten Kondensators {C:) der zweite Anschluss der ersten Spule {L,) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (Di) mit dem negativen Eingangsanschluss {2} verbunden ft dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Anschluss der ersten Spule {L1} der erste Anschluss der ersten Wicklung {N.1) der gekoppelten Spule (T} geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung (N;1) der gekappelten Spule (T} an den positiven Anschluss des aktiven Schalters (S;) geschaltet ist und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Sı} die Anode der ersten Diode (D;} geschaltet ist, an den zweite Anschluss der zweiten Wicklung {N12) der gekoappelten Spule {T} der zweite Anschluss der zweiten Spule {L;), der erste Anschluss des zweiten Kandensators (C,) und der positive Ausgangsanschluss (3) geschaltet sind, an den ersten Anschluss der zweiten Wicklung (N) der gekappelten Spule (T) die Anode der dritten Diode (D3) und die Kathode der vierten Diode {Da} geschaltet sind, an die Kathade der dritten Diode (Ds) der erste Anschluss der zweiten Spule {LA} geschaltet ist und an die Anode der vierten Diode (Da), der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2} und der negative Ausgangsänschluss (4) geschaltet sind (Fig, 1), oder dass an den zweiten Anschluss.der ersten Spule (L;} der erste Anschluss der ersten Wicklung (Nu) der gekoöppelten Spule {T} geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung (Ni) der gekoppelten Spule {T} an den positiven Anschluss des aktiven Schalters {Si} geschaltet ist und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S;} die Anode der ersten Diode {D-,) geschaltet ist, ar den zweiten Anschluss der zweiten Wicklung (N) der gekoppelten Spule {T} der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C;) geschaltet ist, der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (Ca) an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2} und die Anode der dritten Diode (D}k) geschaltet ist, der erste Anschluss der zweiten Spule (L:} an den

zweiten Anschluss des zweiten Kondensators {C2} und den negativen Ausgangsanschluss (4)

8

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2. Konverter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter mit einem Entlastungsnetzwerk geschützt ist.

3. Konverter gemäß den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Eingangsanschlüssen {1, 2} ein Kondensator oder eine Kambination von Kondensatoren geschaltet ist/sind,

4. Konverter gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Wicklung (Na) der gekappelten Spulen {T} die Serlenschaltung einer weiteren Diode und eines weiteren aktiven Schalters geschaltet. ist, wobei der negative Anschluss des weiteren aktiven Schalters an den ersten Anschluss der ersten Wicklung {N41) der gekoppelten Spulen {T} geschaltet ist und die Anade der weiteren Diode an den zweiten Anschluss der ersten Wicklung (Nu) der gekopnpelten Spulen (T} geschaltet ist,

5. Konverter gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wicklung der zweiten Spule (L;}) eine zweite Wicklung magnetisch gekoppelt vorhanden ist, wobei der erste Anschluss dieser zweiten Wicklung any die Serienschaltung einer weiteren Diode und eines weiteren aktiven Schalters geschaltet ist, wobei der negative Anschluss des weiteren aktiven Schalters an den zweiten Anschluss dieser zweiten Wicklung geschaltet ist und an den positiven {3} oder den negativen Ausgangsanschluss (4) geschaltet ist.

6. Konverter gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wicklung der zweiten Spule (L,} eine zweite magnetisch gekoppelte Wicklung vorhanden ist, wobel die Anschlüsse dieser zweiten Wicklung jeweils an die positiven Anschlüsse weiterer aktiver Schalter geschaltet sind, deren negative Anschlüsse zusammen geschaltet entweder an den positiven {3} oder den negativen Ausgangsanschluss (4), oder an negativen

Eingangsanschluss {2} geschaltet.sind.

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