DD276221A3 - DC-DC CONVERTER STAGE - Google Patents

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DD276221A3
DD276221A3 DD29909686A DD29909686A DD276221A3 DD 276221 A3 DD276221 A3 DD 276221A3 DD 29909686 A DD29909686 A DD 29909686A DD 29909686 A DD29909686 A DD 29909686A DD 276221 A3 DD276221 A3 DD 276221A3
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Eduard Knappe
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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. 1The DC-DC converter output stage is used in power supply technology. It operates at low input voltage with high efficiency and offers increased reliability at high output current. This is achieved by operating the transistor switch 1 in saturation and optimally switching it. Optimal switching off results in switching off in two phases. In the first phase, the base current is turned off and after expiration of the veraenderlichen depending on the load capacity storage time, the base of the transistor switch 1 cleared. According to the invention, the end of the storage time is detected by the single-phase differentiator 3. It consists essentially of the RC element 31, 32 which is arranged between the collector of the transistor switch 1 and the Ausraeumtransistor 7. Because of the veraenderlichen duration of the storage time of operated in Saettigung transistor switch 1, the reconnection of the driver 6 during the ongoing demagnetization of the transformer 2 is to be prevented. This is inventively achieved without inherent losses through the clamping diode 4. The demagnetizing energy is transferred to the output. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die DC-DC-Wandlar-Endstufe findet in der Stromversorgungstechnik für kleine Eingangsspannung Verwendung.The DC-DC-Wandlar power amplifier is used in power supply technology for low input voltage. Charakteristik dos bekannten Standes der TechnikCharacteristics of the known prior art DC-DC-Wandler-Endstufen für Wandler, bei denen durch Zerhacken, Transformieren und Sieben eine hohe EingangsspannungDC-DC converter output stages for converters, where chopping, transforming and screening result in a high input voltage

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:is converted into an output voltage, are known in various designs. If input voltages <20V are used, the losses are difficult to keep low. The losses are as follows:

Bei hoher Eingangsspannung und Arbeitsfrequenz außerhalb des Hörbereiches stehen die Umschaltveriuste im Vordergrund,At high input voltage and working frequency outside the listening area, the Umschaltveriuste are in the foreground,

bei kleiner Eingangespannung sind es die Leitendverluste des Transistorschalters. Die erforderliche Steuerleistung desat low input voltage, it is the Leitendverluste the transistor switch. The required tax rate of the

Transistorschalters wirkt ebenfalls verlusterhöhend. Entwicklungen der Standes der Technik zielen unter Erhöhung derTransistor switch also acts loss-increasing. Developments de r prior art are aimed at increasing the Leitendverluste auf eine Minimierung der Umschaltverluste ab. Bei kleinen Eingangsspannungen muß der Transistorschalter inConductive losses on a minimization of the switching losses. For small input voltages, the transistor switch must be in

der Sättigung betrieben werden, was hohe Speicherzeit und hohe Ausschaltverluste zur Folge hat. Erfolgt das Ausschalten dessaturation, resulting in high storage time and high turn-off losses. If the switching off of the

Transistorschalters jedoch in zwei Phasen, können die Ausschaltverluste und die erforderliche Steuerleistung verringert werden.Transistor switch, however, in two phases, the turn-off and the required control power can be reduced.

(Rischmüller, K. ,Basisansteuerung von Hochvolttransistoren", Elektronik 1977, Heft 11, S.55ff.; DD WP 233023,(Rischmüller, K., Basic control of high-voltage transistors ", electronics 1977, Issue 11, p.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 derDE AS 2644 507). In the first phase the driver is switched off. In the second phase, after the storage time has expired, the

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.negative base current for clearing the base zone turned on. However, no circuit arrangements are known which signal the end of the storage time for shunt transistors operating at low voltages.

Im DD WP 146127 ist der Transistorschalter Teil des Impulsgenorators. Ein zeitbestimmendes RC-Gliud zwischenIn DD WP 146127 the transistor switch is part of the pulse generator. A time-determining RC glide between Transistorschalter und Treibertransistor dient der Selbsterregung. Ein negativer Basisstrom öffnet den Transistorschalter. EinTransistor switch and driver transistor is used for self-excitation. A negative base current opens the transistor switch. On Schaltelement zur Umkehr des Basisstromes fehlt. Dadurch wird auf ein optimales Abschalten des Transistorschalters verzichtet,Switching element for reversing the base current is missing. This eliminates an optimal shutdown of the transistor switch,

und die Ausschaltverluste sind hoch.and the turn-off losses are high.

Bei der im DD WP 233467 angegebenen Schaltungsanordnung wird die gesamte Entmagnetisierungsenergie zum Erkennen desIn the circuit arrangement specified in DD WP 233467, the total demagnetizing energy for detecting the

magnetischen Zustandes des Transformators verbraucht. Dies bedeutet hohe Verluste.magnetic state of the transformer consumed. This means high losses.

Bekannt ist ebenfalls die Nutzung der Entmagnetisieiungsenergie als zusätzliche Ausgangsleistung (DE OS 3507172). In derAlso known is the use of demagnetization as additional output power (DE OS 3507172). In the Patentschrift ist jedoch keine Möglichkeit angegeben, den magnetischen Zustand des Transformatorkerns vor demHowever, patent specification does not indicate the possibility of determining the magnetic state of the transformer core before Wiedereinschalten des Transistorschalters zu erkennen. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist wegen der Art der AnsteuerungReconnect the transistor switch to recognize. The efficiency of this circuit is because of the type of drive

des Transistorschalters nicht optimal.of the transistor switch is not optimal.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is the development of a DC-DC converter power amplifier for small input voltage, which has a high efficiency and at the same time improved reliability under load with high Ausgengsstrom despite low space and technical resources required.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to provide a DC-DC converter output stage for small input voltage, which achieves optimum saturation operation of the transistor switch, an optimal driving of the transistor switch. Without additional inherent losses, the magnetic saturation of the transformer core is to be prevented.

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.According to the invention, the object is achieved in a transistor switch operated in saturation, the switching off in two phases, achieved in that the end of the storage time is detected by a single-phase differentiator. It consists of an RC glicd and a diode. The RC-Gliod is arranged between the collector of the transistor switch and the base of the clearing transistor. The collector voltage rising at the end of the storage time turns on the clearing transistor in response to its slew rate, turning on the negative base current. The diode is connected in anti-parallel to the base-emitter path of the clearing transistor. In order to avoid the magnetic saturation of a transformer connected to the transistor switch with demagnetization branch which is necessary in this branch demagnetization diode on the ground side. The cathode is connected to the demagnetization winding. The other terminal of the demagnetization branch is connected to the output. The negative drain voltage of the demagnetization diode during the demagnetization phase is transmitted to the base of a driver assigned to the transistor switch by a clamping diode connected here. It prevents the power stage from being switched on before the demagnetization phase of the transformer has expired.

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.The turn-off losses of the transistor switch continue to decrease when the emitter of the clearing transistor and the diode side of the single-phase differentiating element are connected to ground but not to a negative voltage.

AusfuhrungebelsplelAusfuhrungebelsplel

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.In Fig. 1, the inventive DC-DC converter Endstuic is shown. In the following, the function of the output stage in the steady state will be explained with reference to this figure.

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 UA 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.If a periodic positive square-wave voltage with a variable duty cycle is applied to the control input St when an input voltage Ue is present at the input of the DC-DC converter output stage, and if the output Ua is provided with a read impedance, the conduction phase begins after the LH edge of the control pulse of the transistor switch 1. The base current for the transistor switch is removed via the driver 6 from the tap of the primary winding 23. In this way, the operating voltage of the driver 6 is kept small, and there is a high base current at low losses at your disposal. As a result, the transistor switch 1 is turned on at power quickly into the saturation region. The turn-off of the transistor switch 1 begins after the HL edge of the control pulse in two phases: After the expiration of the short storage time of the driver 6 ß / isisstrom the transistor switch 1 is turned off, and after the expiration of the considerably longer storage time of the transistor switch! 1 increases its collector voltage. In response to the rate of change of the collector voltage, the clearing transistor 7 is turned on via the single-phase differentiator 3, and a negative base current starts to flow. The Bar'sstrom dos transistor switch 1 is thereby negative at a time adapted to the load conditions, and the turn-off, and thus the turn-off, are reduced. The rate of change of the collector voltage is reduced by the capacitance of the single-phase differentiating element 3. As a result, the negative effects of the leakage inductance of the transformer 2 are largely reduced. The overshoot of the collector voltage at the beginning of the blocking phase disappears to an insignificant value. At the same time as the collector voltage rises, the voltage in the demagnetization winding 21 also increases. If this voltage is greater than the ground voltage Ua. the demagnetizing current begins to flow and the collector voltage remains at a constant value until the end of demagnetization. Then it drops down to the input voltage Ue. At the beginning of the conductive phase, the direction of change of the collector voltage of the transistor switch 1 is negative, and the slightly negative voltage at the base of the clearing transistor keeps it safely locked. The connection of the demagnetization winding 21 to the output U A causes energy in both operating phases ries transistor switch 1 is transferred to the output Ua. However, energy is transferred for the most part during the Leitendphase, therefore pulse intervals between the control pulses are to be selected as short as possible. The Irnpul j.pausenzeit must be greater than the sum of the storage times of transistor switch 1 and driver 6 and the rise time of the collector voltage of the 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.Over the load range from idle to full load, the storage time of the transistor switch 1 is subject to strong fluctuations, because the degree of saturation of the transistor switch 1 is not constant. The duration of the blocking phase is therefore shorter than the interval between two control pulses at the stator Input voltage to the output voltage, depends on the transformer inductance and the length of Leitendphase. By the clamping diode 4 at the base of the Troibers 6 ensures that the beginning of Leitendphnse dos transistor switch 1 is delayed at least until the end of demagnetization. As long as the demagnetization current flows, the voltage across the cathode of the demagnetization diode 5 is negative according to the forward voltage, and the positive pulse is diverted via the clamp diode 4. The voltage at the base of the driver 6 is negative because the forward voltage of the demagnetization diode 5 is higher than the dor clamping diode 4 is. This has its cause in that the demagnetization is several times higher than the current via dig clamping diode 4. During the blocking phase of the transistor switch 1, the collector voltage is substantially higher than the input voltage Ue. Din negative voltage at the oasis of the driver 6 passes through the BasisableitwidersWind to the base of the transistor switch 1 and biases them for the critical time of increased collector voltage negative. For the transistor switch 1 and the driver 6, transistors whose open-base voltage susceptibility is lower than the peak voltage appearing at the transistor switch 1 can be used. The transistors are protected against voltage breakdown by the negative voltage at the base.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ergeben sich folgende Vorteile:The procedure according to the invention affords the following advantages:

- hoher Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich- high efficiency over a wide load range

- geringer Platzbedarf- little need for space

- einfacher Aufbau mit geringem technischen Mittelbedarf- simple design with low technical resources required

- verbesserte Funktionssicherheit- improved reliability

- Anwendung kostengünstiger Bauelemente für den Transistorschalter 1 und den Treiber 6Use of cost-effective components for the transistor switch 1 and the driver 6

- geringe Störstrahlung.- low interference.

Claims (2)

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 (UA) verbunden sind.A low-voltage, high-current DC-DC converter power stage comprising a transistor switch consisting of one or more transistors, a transistor switch control circuit having a drive and clear transistor drive separately, a pulse generator, a degaussing coil transformer, and respectively a rectifier arrangement in the load and demagnetization branch, characterized in that the base of the clearing transistor (7) comprises a per se known single-phase differentiating element (3) consisting of a series connection of capacitance (31), current limiting resistor (32) and diode (33) is connected to the collector of the transistor switch (1), wherein the anode of the diode (33) to ground and the base of the clearing transistor (7) to the cathode of the diode (33) are connected, that the anode of the demagnetization diode (5) to ground connected, the cathode of the demagnetization diode (5) with the cathode of the Klommdiode (4) and the like n anode are connected to the base of the driver transistor (6), wherein the winding end of the demagnetization winding (21) with the junction of the diodes (4, 5) and the winding start are connected to the output (U A ). 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-2. DC-DC converter output stage according to 1, characterized in that the emitter of Ausräumtransisto. s (7) and the anode of the diode (33) are not connected to ground but to a negative voltage-
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