DE69426656T2 - Gleichstrom-Gleichstrom Wandlerschaltung - Google Patents

Gleichstrom-Gleichstrom Wandlerschaltung

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Description

    Gegenstand der Erfindung
  • Entsprechend der Überschrift dieses Dokuments bezieht sich diese Erfindung auf eine hochwirksame Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlungsschaltung mit "vorwärts- PWM"-Schaltungsprinzip, die einen Gleichstrom/Wechselstrom- Wandler umfasst, einen selbstgesteuerten Synchron- Gleichrichter und einen Filter, und die den Leistungsgrad der ganzen Baugruppe erhöht.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung wird speziell bei Gleichstromwandlern zur Versorgung mit niedrigen Ausgangsspannungen eingesetzt, bei denen der Wirkungsgrad stark von den Verlusten in der Gleichrichterstufe beeinflußt wird.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Es gibt verschiedene Schaltungsprinzipien, die zur Realisierung von Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern benutzt werden. Ein Beispiel ist in PCT WO 83/02858 angeführt.
  • Andere Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler umfassen einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, eine Gleichrichterstufe mit zwei konventionellen Dioden und einen Filter. Zum Beispiel beschreibt US-A-4 809 148 einen solchen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler.
  • Dieser Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler weist keinen hohen Gesamtwirkungsgrad auf, weil es Spannungsabfälle in den Dioden der Gleichrichterstufe gibt, die für Anwendungen mit niedriger Ausgangsspannung unterhalb 5 Volt von Bedeutung sind.
  • Die Leitungsverluste der Gleichrichterstufe können gesenkt und damit der Gesamtwirkungsgrad des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers erhöht werden, indem MOSFETs wie Synchron-Gleichrichter benutzt werden. Eine Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlungsschaltung ist in der zum interessierenden Stand der Technik gehörenden "Practical application of MOSFET synchronous rectifiers" von James Blanc in INTELEC'91, 5.-8. November 1991, Kyoto, Japan beschrieben. Diese Gleichstrom/Gleichstrom- Wandlungsschaltung umfasst einen Gleichstrom/Wechselstrom- Wandler, einen selbstgesteuerten Synchron-Gleichrichter mit zwei MOSFETs und einen Filter. Der Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler ist vom vorwärts-Typ mit Resonanzrücksetzschaltkreis.
  • Leider weist dieser selbstgesteuerte Synchron-Gleichrichter wegen der Leitung der parasitären Diode Einschränkungen in der Art der Ansteuerung der MOSFETs auf.
    • Zu lösende technische Aufgabe
  • Folglich besteht das zu lösende technische Problem darin, den Stromfluß durch die parasitäre Diode der MOSFET- Transistoren in dem selbstgesteuerten Synchron- Gleichrichter zu verhindern, dadurch seine Verluste zu reduzieren und den Gesamtwirkungsgrad der ganzen Baugruppe zu erhöhen.
    • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Gleichstrom/Gleichstrom- Wandlungsschaltung umfasst einen Gleichstrom/Wechselstrom- Wandler, der Mittel zur Erzeugung eines Wechselsignals mit einer Rechteckwellenform enthält, das keine Momentanwerte von Null annimmt, einen selbstgesteuerten Synchron- Gleichrichter und einen Filter.
  • Auf diese Weise bewirkt das Signal von dem im Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler enthaltenen Transformator, dass die Transistoren des selbstgesteuerten Synchron- Gleichrichters sich nicht gleichzeitig im Sperrzustand befinden, was einen Stromfluß durch die parasitäre Diode eines der Feldeffekttransistoren zur Folge hätte. Infolgedessen werden die Verluste, die sich in diesem Bauteil ergeben würden, deutlich gesenkt und der Gesamtwirkungsgrad des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers wird erhöht, wobei diese Erhöhung bei in der Praxis verwendeten Schaltkreisen etwa vier Punkte erreicht.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Eine ausführlichere Erklärung der Erfindung, basierend auf den folgenden Figuren, ist angegeben, wobei
  • - Fig. 1 eine Gleichstrom/Gleichstrom- Wandlungsschaltung zeigt, bestehend aus einem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, einem selbstgesteuerten Synchron-Gleichrichter und einem Filter,
  • - die Fig. 2.1 und 2.2 die Wellenformen an den Eingangsklemmen des selbstgesteuerten Synchron- Gleichrichters in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik bzw. der Erfindung zeigen,
  • - die Fig. 3.1 und 3.2 zwei mögliche Realisierungen des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers zeigen, der einen aktiven Begrenzer nutzt, um den Transformator zu entmagnetisieren, alles in Übereinstimmung mit der Erfindung,
  • - die Fig. 4.1 und 4.2 zwei andere mögliche Realisierungen des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers zeigen, die einen passiven Begrenzer nutzen, und
  • - Fig. 5 eine alternative Realisierung des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers zeigt, die eine Entmagnetisierungsschaltung für den Transformator beinhaltet, die eine Hilfswicklung benutzt.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlungsschaltung aus Fig. 1 besteht aus einem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, M, der zwischen seinen Ausgangsklemmen 11 und 12 ein Wechselsignal erzeugt, das von einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und von einem Filter gefiltert werden muß, um an seinem Ausgang die gewünschte Gleichspannung zu erhalten.
  • In diesem Fall wird ein selbstgesteuerter Synchron- Gleichrichter T1, T2 und ein Filter L1, C1 benutzt, der die Verluste in den Gleichrichterelementen (Transistoren T1 und T2 anstelle von Dioden) beträchtlich reduziert. Für eine größtmögliche Reduzierung der Verluste ist es jedoch notwendig, das oben genannte Problem zu vermeiden, bei dem die parasitäre Diode des Transistors T2 während der Zeit leitet, in der die Spannung an den Eingangsklemmen 11 und I2 des selbstgesteuerten Synchron-Gleichrichters Null ist.
  • Um die oben beschriebene Situation zu vermeiden, benutzt der Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, M, kein konventionelles Entmagnetisierungsverfahren für den Ausgangstransformator, das in einem Wechselsignal mit einer Wellenform des in Fig. 2.1 gezeigten Typs bestehen würde; statt dessen beinhaltet er Mittel zur Erzeugung eines Wechselsignals mit einer Rechteckwellenform wie in Fig. 2.2 gezeigt, das keine Momentanwerte von Null annimmt, was einen Zustand des gleichzeitigen Sperrens beider Transistoren T1 und T2 vermeidet.
  • Fig. 3.1 zeigt eine mögliche Realisierung des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers, M, die aus einem Transformator TR1 besteht, von dem eine Wicklung zwischen einer Gleichspannungsversorgung Vi und dem Drain eines Transistors T3 angeschlossen ist, dessen Source wiederum mit der Referenzspannung V0 verbunden ist, so dass dieser Transistor T3 durch Anlegen einer Steuerspannung Vc1 ist einer Rechteckwellenform von einer Steuerschaltung CC1 in den sperrenden oder leitenden Zustand gebracht wird.
  • Der gepulste Strom, der in dieser Wicklung fließt, magnetisiert den Transformator TR1, der auf irgendeine Art entmagnetisiert werden muß, um seine Sättigung zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, dass der sie durchfließende Strom verringert wird oder, was das selbe ist, dass die Ableitung des Stroms negativ wird, so dass der Mittelwert dieses Stroms nicht über alle Schranken wächst, sondern bei einem bestimmten Wert bleibt, um den sich der Momentanwert des Stroms ändert.
  • Erfindungsgemäß wird das durch ein magnetisierendes Rückstrommodul MRC erreicht, das ein aktiver Begrenzer, gebildet aus dem Kondensator C2 in Serie mit der Drain- Source-Strecke des Transistors T4 ist, wobei letztgenannter in sperrendem oder leitendem Zustand arbeitet, was durch das Anlegen eines Steuersignals Vc2 von der Steuerschaltung CC1 an sein Gate bewirkt wird, wobei dieses ein zu dem Steuersignal Vc1 komplementäres Signal ist.
  • Dieses magnetisierende Rückstrommodul MRC ist zwischen dem Knoten, der das Drain des Transistors T3 mit einem der Anschlüsse einer der Wicklungen von TR1 verbindet und einem Knoten konstanter Spannung angeschlossen, der in diesem Fall die Gleichspannungsversorgung Vi ist.
  • Wenn T3 leitet wird der Transformator TR1 magnetisiert, aber während T4 leitet wird der Transformator entmagnetisiert.
  • Fig. 3.2 ist eine Abwandlung von Fig. 3.1, bei der der Knoten konstanter Spannung, an den das magnetisierende Rückstrommodul MRC angeschlossen ist, in diesem Fall die Referenzspannung V0 ist, dieses Modul aus dem Kondensator C3 und dem Transistor T5 besteht, und seine Arbeitsweise völlig analog zu dem vorigen Fall ist.
  • Fig. 4.1 zeigt eine andere mögliche Realisierung des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers, M, bei der das magnetisierende Rückstrommodul MRC ein passiver Begrenzer ist, der durch den Widerstand R1 parallel zu dem Kondensator C4 und die Diode D1 in Serie zu dieser Anordnung gebildet ist. Die Kathode dieser Diode D1 ist mit dem Knoten N1 verbunden, der eine der Klemmen von C4 mit einer der Klemmen von R1 verbindet, und ihre Anode ist verbunden mit dem Knoten, der das Drain von T3 mit einem der Anschlüsse einer Wicklung von TR1 verbindet; der andere Anschluß des magnetisierenden Rückstrommoduls MRC, der mit den anderen Klemmen von C4 und R1 übereinstimmt, ist mit einem Knoten konstanter Spannung verbunden, der in diesem Fall die Eingangsspannung Vi ist.
  • Ähnlich dazu ist in Fig. 4.2 die äquivalente Schaltung für den Fall gezeigt, dass der Knoten konstanter Spannung die Referenzspannung V0 ist, an den einer der Anschlüsse des magnetisierenden Rückstrommoduls MRC angeschlossen ist, das in diesem Fall durch R2, C5 und D2 gebildet ist.
  • Die vorstehend genannten Schaltungen sind unter Benutzung von N-Kanal MOSFET-Transistoren realisiert worden, obwohl es für jeden Fachmann auf diesem Gebiet klar sein muß, dass solche Schaltungen nicht auf diesen Transistortyp begrenzt sein müssen und bei entsprechender Anpassung an die Art der benötigten Vorspannung durch andere ersetzt werden können (z. B. P-Kanal MOSFETs).

Claims (3)

1. Gleichstrom/Gleichstrom-Direktwandlungsschaltung mit einem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler (M), bestehend aus
einem Transformator (TR1) mit einer Primärwicklung, die ein erstes Primär- Wicklungsende und ein zweites Primär-Wicklungsende aufweist, wobei das zweite Primär-Wicklungsende an einer Gleichstrom-Versorgungsspannung (V1) angeschlossen ist, und
einer Sekundärwicklung, die ein erstes Sekundär- Wicklungsende (I&sub1;) und ein zweites Sekundär- Wicklungsende (I&sub2;)aufweist;
einem MOSFET-Haupttransistor (T3) mit einem am ersten Ende der Hauptwicklung angeschlossenen Drain, einer an einer Refenzspannung (V&sub0;) angeschlossenen Quelle,
einem selbstgesteuerten Synchron-Gleichrichter mit einem ersten Gleichrichterausgang O&sub2; und einem zweiten Gleichrichterausgang O&sub1;, wobei der zweite Gleichrichterausgang am zweiten Ende der Sekundärwicklung (I&sub2;) angeschlossen ist, einem ersten MOSFET-Gleichrichtertransistor (T&sub1;), der zwischen dem ersten Ende der Sekundärwicklung (I&sub1;) und dem zweiten Gleichrichterausgang O&sub1; angeschlossen ist und ein erstes, am zweiten Ende der Sekundärwicklung (I&sub2;) angeschlossenes Gitter aufweist,
einem zweiten MOSFET-Gleichrichtertransistor (T&sub2;), der zwischen dem ersten Gleichrichterausgang O&sub2; und dem zweiten Gleichrichterausgang O&sub1; angeschlossen ist und ein zweites, am ersten Ende der Sekundärwicklung (I) angeschlossenes Gitter aufweist,
einem LC-Filter (L&sub1;, C&sub1;), das am ersten und am zweiten Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler (M) ein magnetisiertes Rückstrommodul (MRC) aufweist, um am ersten und am zweiten Ende der Sekundärwiclung (I&sub1;, I&sub2;) ein viereckiges Wechselstrom-Kontrollsignal Vsec zu erzeugen, das nicht die Null-Momentanwerte annimmt, um die Gitter des ersten und zweiten MOSFET- Transistors des Gleichrichters (T&sub1;, T&sub2;) anzusteuern, wodurch der erste und zweite MOSFET-Transistor des Gleichrichters (T&sub1;, T&sub2;) nicht gleichzeitig unterbrochen werden können.
2. Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierende Rückstrommodul (MRC) einen Kondensator (C&sub2;) umfasst, der mit einem magnetisierenden MOSFET- Rückstrom-Transistor (T&sub4;) in Serie geschaltet ist, der seinerseits parallel zur Hauptwicklung angeschlossen ist.
3. Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetierende Rückstrommodul (MRC) einen Kondensator (C&sub3;) umfasst, der mit einem magnetisierenden MOSFET- Rückstrom-Transistor (T&sub5;) in Serie geschaltet ist, der seinerseits parallel zum MOSFET-Haupttransistor (T&sub3;) angeschlossen ist.
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