DD276221A3

DD276221A3 - Dc-dc-wandler-endstufe

Info

Publication number: DD276221A3
Application number: DD29909686A
Authority: DD
Inventors: Eduard Knappe
Original assignee: Elektrogeraete Fuerstenwalde V
Priority date: 1986-12-30
Filing date: 1986-12-30
Publication date: 1990-02-21
Also published as: DE3728318A1

Abstract

Die DC-DC-Wandler-Endstufe findet in der Stromversorgungstechnik Anwendung. Sie arbeitet bei kleiner Eingangsspannung mit hohem Wirkungsgrad und bietet erhoehte Funktionssicherheit bei hohem Ausgangsstrom. Das wird dadurch erreicht, dass der Transistorschalter 1 in Saettigung betrieben und optimal geschaltet wird. Optimales Ausschalten ergibt sich beim Ausschalten in zwei Phasen. In der ersten Phase wird der Basisstrom abgeschaltet und nach Ablauf der je nach Belastungsgrad veraenderlichen Speicherzeit die Basis des Transistorschalters 1 ausgeraeumt. Erfindungsgemaess wird das Ende der Speicherzeit durch das Einphasen-Differenzierglied 3 erkannt. Es besteht im wesentlichen aus dem RC-Glied 31, 32 das zwischen dem Kollektor des Transistorschalters 1 und dem Ausraeumtransistor 7 angeordnet ist. Wegen der veraenderlichen Dauer der Speicherzeit des in Saettigung betriebenen Transistorschalters 1 ist das Wiedereinschalten des Treibers 6 waehrend der noch andauernden Entmagnetisierung des Transformators 2 zu verhindern. Das wird erfindungsgemaess ohne prinzipbedingte Verluste durch die Klemmdiode 4 erreicht. Dabei wird die Entmagnetisierungsenergie auf den Ausgang uebertragen. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung Die DC-DC-Wandlar-Endstufe findet in der Stromversorgungstechnik für kleine Eingangsspannung Verwendung. Charakteristik dos bekannten Standes der Technik DC-DC-Wandler-Endstufen für Wandler, bei denen durch Zerhacken, Transformieren und Sieben eine hohe Eingangsspannung

in eine Ausgangsspannung umgewandelt wird, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sollen Eingangsspannungen < 20V verwendet werden, sind die Verluste nur schwer niedrig zu halten. Die Verluste setzen sich w>e folgt zusammen:

Bei hoher Eingangsspannung und Arbeitsfrequenz außerhalb des Hörbereiches stehen die Umschaltveriuste im Vordergrund,

bei kleiner Eingangespannung sind es die Leitendverluste des Transistorschalters. Die erforderliche Steuerleistung des

Transistorschalters wirkt ebenfalls verlusterhöhend. Entwicklungen de^r Standes der Technik zielen unter Erhöhung der Leitendverluste auf eine Minimierung der Umschaltverluste ab. Bei kleinen Eingangsspannungen muß der Transistorschalter in

der Sättigung betrieben werden, was hohe Speicherzeit und hohe Ausschaltverluste zur Folge hat. Erfolgt das Ausschalten des

Transistorschalters jedoch in zwei Phasen, können die Ausschaltverluste und die erforderliche Steuerleistung verringert werden.

(Rischmüller, K. ,Basisansteuerung von Hochvolttransistoren", Elektronik 1977, Heft 11, S.55ff.; DD WP 233023,

DE AS 2644 507). In der ersten Phase wird der Treiber abgeschaltet. In der zweiten Phase wird nach Ablauf der Speicherzeit der

negative Basisstrom zum Ausräumen der Basiszone eingeschaltet. Es sind jodoch keine Schaltungsanordnungen bekannt, die für bei kleinen Spannungen arbeitenden Schaittransistoren das Ende der Speichorzeit signalisieren.

Im DD WP 146127 ist der Transistorschalter Teil des Impulsgenorators. Ein zeitbestimmendes RC-Gliud zwischen Transistorschalter und Treibertransistor dient der Selbsterregung. Ein negativer Basisstrom öffnet den Transistorschalter. Ein Schaltelement zur Umkehr des Basisstromes fehlt. Dadurch wird auf ein optimales Abschalten des Transistorschalters verzichtet,

und die Ausschaltverluste sind hoch.

Bei der im DD WP 233467 angegebenen Schaltungsanordnung wird die gesamte Entmagnetisierungsenergie zum Erkennen des

magnetischen Zustandes des Transformators verbraucht. Dies bedeutet hohe Verluste.

Bekannt ist ebenfalls die Nutzung der Entmagnetisieiungsenergie als zusätzliche Ausgangsleistung (DE OS 3507172). In der Patentschrift ist jedoch keine Möglichkeit angegeben, den magnetischen Zustand des Transformatorkerns vor dem Wiedereinschalten des Transistorschalters zu erkennen. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist wegen der Art der Ansteuerung

des Transistorschalters nicht optimal.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer DC-DC-Wandler-Endstufe für kleine Eingangsspannung, die bei Belastung mit hohem Ausgengsstrom trotz geringem Platz- und technischen Mittelbedarf einen hohei Wirkungsgrad bei gleichzeitig verbesserter Funktionssicherheit aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine DC-DC-Wandler-Endstufe für kleine Eingangsspannung zu schaffen, die bei Sättigungsbetrieb des Transistorschalters ein optimales Ansteuern des Transistorschalters erreicht. Ohne zusätzliche prinzipbedingte Verluste ist die magnetische Sättigung des Trafokerns zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem in Sättigung betriebenen Transistorschalter, dessen Ausschalten in zwei Phasen erfolgt, dadurch gelöst, daß das Ende der Speicherzeit durch ein Einphasen-Differenzierglied erkannt wird. Es besteht aus einem RC-Glicd und einer Diode. Das RC-Gliod ist angeordnet zwischen dem Kollektor des Transistorschalters und der Basis des Ausräumtransistors. Die am Ende der Speicherzeit ansteigende Kollektorspannung schaltet in Abhängigkeit von ihrer Anstiegsgeschwindigkeit den Ausräumtransistor ein, der den negativen Basisstrom einschaltet. Die Diode ist antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke des Ausräumtransistors angeschlossen. Zum Vermeiden der magnetischen Sättigung eines am Transistorschalter angeschlossenen Transformators mit Entmagnetisierungszweig ist die in diesem Zweig notwendige Entmagnetisierungsdiode auf der Masseseite angeordnet. Die Katode ist mit der Entmagnetisierungswicklung verbunden. Der andere Anschluß des Entmagnetisierungszweiges ist mit dem Ausgang verbunden. Die während der Entmagnetisierungsphase negative Flußspannung der Entmagnetisierungsdiode wird durch eine hier angeschlossene Klemmdiode auf die Basis eines dem Transistorschalter zugeordneten Treibers übertragen. Sie verhindert das Einschalten der Endstufe vor Ablauf der Entmagnetisierungsphase des Transformators.

Die Ausschaltverluste des Transistorschalters verringern sich weiter, wenn der Emitter des Ausräumtransistors und die Diodenseite des Einphasen-Differenziergliedes nicht an Masse sondern an eine negative Spannung angeschlossen sind.

Ausfuhrungebelsplel

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße DC-DC-Wandler-Endstuic dargestellt. Im folgenden soll anhand dieser Figur die Funktion der Endstufe im eingeschwungenen Zustand erläutert werden.

Wird bei Anliegen einer Eingangsspannung Ue am Eingang der DC-DC-Wandler-Endstufo eine periodische, positive Rechteckspannung mit variablem Tastverhältnis an den Steuereingang St angelegt, und ist der Ausgang Ua mit einer Lestimpedanz versehen, beginnt nach der L-H-Flanke des Steuerimpulses die Leitendphase des Transistorschalters 1. Der Basisstrom für den Transistorschalter wird über den Treiber 6 aus der Anzapfung der Primärwicklung 23 entnommen. Auf diese Weise wird die Arbeitsspannung des Treibers 6 klein gehalten, und es steht ein hoher Basisstrom bei geringen Verlusten zur Verfugung. Dadurch wird der Transistorschalter 1 beim Einschalten schnell bis in den Sättigungsbereich aufgesteuert. Der Ausschaltvorgang des Transistorschalter 1 beginnt nach der H-L-Flanke des Steuerimpulses in zwei Phasen: Nach Ablauf der kurzen Speicherzeit des Treibers 6 wird der ß/isisstrom des Transistorschalters 1 abgeschaltet, und nach Ablauf der erheblich längeren Speicherzeit des Transistorschalter! 1 steigt seine Kollektorspannung an. In Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit dei Kollektorspannung wird der Ausräumtransistor 7 über das Einphasen-Differenzierglied 3 eingeschaltet, und ein negativer Basisstrom beginnt zu fließen. Der Bar'sstrom dos Transistorschalters 1 wird dadurch zu einem den Lastbedingungen angepaßten Zeitpunkt negativ, und die Ausschaltzeit, und damit die Ausschaltverluste, werden reduziert. Die Änderungsgeschwindigkeit der Kollektorspannung wird durch die Kapazität des Einphasen-Differenziergliedes 3 verringert. Dadurch werden die negativen Auswirkungen der Streuinduktivität des Transformators 2 weitgehend reduziert. Das Überschwingon der Kollektorspannung zu Beginn der Sperrphase verschwindet bis auf einen unbedeutenden Wert. Gleichzeitig mit dem Ansteigen der Kollektorspannung steigt auch die Spannung in der Entmagnetisierungswicklung 21. Wird diese Spannung größer als die Aosgangsspannung Ua. beginnt der Entmagnetisierungsstrom zu fließen, und die Kollektorspannung verharrt bis zum Ende der Entmagnetisierung auf einem konstanten Wert. Danach fällt sie bis auf die Eingangsspannung Ue ab. Zu Beginn der Leitendphase ist die Ändfirungsrichtung der Kollektorspannung des Transistorschalters 1 negativ, und die leicht negative Spannung an der Basis des Ausräumtransistors hält diesen sicher gesperrt. Die Verbindung der Entmagnetisierungswicklung 21 mit dem Ausgang U_A bewirkt, daß in beiden Arbeitsphasen ries Transistorschalters 1 Energie auf den Ausgang Ua übertragen wird. Energie wird jedoch zum überwiegenden Teil während der Leitendphase übertragen, daher sind Impulspausen zwischen den Steuerimpulsen möglichst kurz zu wählen. Die Irnpul j.pausenzeit muß größer sein als die Summe aus den Speicherzeiten von Transistorschalter 1 und Treiber 6 und der Anstiegszeit der Kollektorspannung des Trarfsistorschaltere 1.

Über den Lastbereich von Leerlauf bis Vollast unterliegt die Speicherzeit des Transistorschalters 1 starken Schwankungen, weil der Sättigungsgrad des Transistorschalters 1 nicht konstant ist. Die Dauor der Sperrphase ist demzufolge um einen von der Belastung abhängigen Wert kürzer als die Pausenzeit zwischen zwei Steuerimpulsen am iiteuorcingang St. Zur Entladung der während der Leitendphase im Transformatorkorn gespeicherten Energie ist eine Mindestzeit erforderlich, die vom Windungsverhältnis der Primärwicklung zur Entmagnetisierungswicklung, vom Spannungsverhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung, von der Transformatorinduktivität und von der Länge der Leitendphase abhängt. Durch die Klemmdiode 4 an der Basis des Troibers 6 wird erreicht, daß der Beginn der Leitendphnse dos Transistorschalter 1 mindestens bis zum Ende der Entmagnetisierung verzögert wird. Solange der Entmaijnetisierungsstrom fließt, ist die Spannung an der Katode der Entmagnetisierungr.diode 5 entsprechend der Durchflußspannung negativ, und der positive Impuls wird über die Klemmdiode 4 abgeleitet Die Spannung an der Basis des Treibers 6 ist negativ, weil die Durchflußspannung der Entmagnetisierungsdiode 5 hoher als die dor Klemmdiode 4 ist. Das hat seine Ursache darin, daß der Entmagnetisierungsstrom mehrfach höher ist als der Strom über dig Klemmdiode 4. Während der Sperrphase des Transistorschalters 1 ist die Kollektorspannung wesentlich höher als die Eingangsspannung Ue. Din negative Spannung an der Oasis des Treibers 6 gelangt über den BasisableitwidersWind an die Basis des Transistorschaltors 1 und spannt diese für die kritische Zeit erhöhter Kollektorspannung negativ vor. Es können für den Transistorschalter 1 und den Treiber 6 Transistoren verwendet worden, deren Spannungsfßstigkeit bei offener Basis kleiner ist als die am Transistorschalter 1 auftretende Spitzenspannung. Die Transistoren sind durch die negative Spannung an der Basis gegen Spannungso'urchschlag geschützt.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ergeben sich folgende Vorteile:

- hoher Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich

- geringer Platzbedarf

- einfacher Aufbau mit geringem technischen Mittelbedarf

- verbesserte Funktionssicherheit

- Anwendung kostengünstiger Bauelemente für den Transistorschalter 1 und den Treiber 6

- geringe Störstrahlung.

Claims

1. DC-DC-Wandler-Endstufe für kleine Betriebsspannung und hohen Strom mit einem Transistorschalter, bestehend aus einem oder mehreren Transistoren, einer Steuerschaltung für den Transistorschalter mit einer separaten Ansteuerung für Treiber- und Ausräumtransistor, einem Impulsgenerator, einem Transformator mit Entmagnetisierungswicklung und jeweils einer Gleichrichteranordnung im Last- und Entmagnetisierungszweig, gekennzeichnet dadurch, daß die Basis des Ausräumtransistors (7) über ein an sich bekanntes Einphasen-Differenzierglied (3), bestehend aus oiner Reihenschaltung von Kapazität (31), Strombegrenzungswiderstand (32) und Diode (33) mit dem Kollektor des Transistorschalters (1) verbunden ist, wobei die Anode der Diode (33) mit Masse und die Basis des Ausräumtransistors (7) mit der Katode der Diode (33) verbunden sind, daß die Anode der Entmagnetisierungsdiods (5) an Masse angeschlossen, die Katode der Entmagnetisierungsdiode (5) mit der Katode der Klommdiode (4) und deren Anode mit der Basis des Treibertransistors (6) verbunden sind, wobei das Wicklungsende der Entmagnetisierungswicklung (21) mit der Verbindungsstelle der Dioden (4, 5) und der Wicklungsanfang mit dem Ausgang (U_A) verbunden sind.

2. DC-DC-Wandler-Endstufe nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Emitter des Ausräumtransisto. s (7) und die Anode der Diode (33) nicht an Masse sondern an eine negative Spannung angeschlossen sind-