EP0382307A2 - Getaktete Stromversorgungseinrichtung - Google Patents

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EP0382307A2
EP0382307A2 EP90200258A EP90200258A EP0382307A2 EP 0382307 A2 EP0382307 A2 EP 0382307A2 EP 90200258 A EP90200258 A EP 90200258A EP 90200258 A EP90200258 A EP 90200258A EP 0382307 A2 EP0382307 A2 EP 0382307A2
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power supply
supply device
winding
choke
transducer
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EP90200258A
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Burghard Dipl.-Ing. Krahl
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/12—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC
    • G05F1/32—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using magnetic devices having a controllable degree of saturation as final control devices
    • G05F1/34—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using magnetic devices having a controllable degree of saturation as final control devices combined with discharge tubes or semiconductor devices
    • G05F1/38—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using magnetic devices having a controllable degree of saturation as final control devices combined with discharge tubes or semiconductor devices semiconductor devices only

Definitions

  • the invention relates to a clocked power supply device with a controllable switch in series with a primary winding of a transformer and with at least one secondary circuit with a transducer choke connected to a regulator.
  • a clocked power supply device is known with a switching element which is arranged in series with a primary winding, one Saturation choke is connected in series with a secondary winding of the transformer.
  • a control circuit controls a current of the saturation choke to keep a DC voltage occurring at the output terminals constant.
  • the saturation choke has a wound core made of amorphous metallic magnetic material, the band thickness of which is in the range from four to sixty micrometers.
  • the invention has for its object to provide a clocked power supply device of the type mentioned, which has a high stability of the output voltage and a precise and fast control behavior with respect to the magnetization of the transducer choke, especially at high switching frequency of the controllable switch (e.g. 100 kHz to 1 MHz).
  • transducer choke has a core made of ferrite material and in that the controller delivers a positive or negative control current for magnetizing the transducer choke.
  • FIG. 1 shows a clocked power supply device with a transformer Tr, which has a primary winding N0 and a secondary winding N1.
  • the transformer Tr translates voltage and current and galvanically isolates input and output.
  • In series with the primary winding N0 is e.g. arranged as a transistor, designed controllable switch S.
  • a capacitor C0 is connected in parallel with the input terminals at which the voltage U0 is present.
  • a power winding W1 of a transducer choke L0 and a rectifier diode D1 are arranged in series with the secondary winding N1.
  • a freewheeling diode D2 is connected in parallel with the series circuit comprising the secondary winding N1, power winding W1 and rectifier diode D1.
  • a series reactor L1 is arranged in series with the arrangement of secondary winding N1, power winding W1, rectifier diode D1 and free-wheeling diode D2.
  • a capacitor C1 is connected in parallel with the output terminals at which a voltage U1 occurs.
  • the control winding W2 of the transducer choke L0 is connected to the secondary winding N1 and to a regulator R, which supplies a regulating signal for regulating the voltage U1.
  • the rectifier diode D1 is conductive, the current flows after the transducer inductor L0 has been switched through to the load (not shown) and the storage inductor L1 absorbs energy, the freewheeling diode D2 being blocked.
  • the current flows from the storage inductor L1 through the freewheeling diode D2 into the load.
  • the regulator R is connected on the input side to the output terminals at which the voltage U1 is present. In this way, a control criterion is obtained, which is a corresponding control signal in the form of a control current with IS at the output of controller R.
  • the control current IS flowing to the control winding W2 of the transducer inductor L0 causes a change in the time in which the power winding W1 of the transducer inductor L0 blocks and thus regulates or stabilizes the voltage U1.
  • the transducer choke L0 has a power winding W1 and a control winding W2, which is connected to the regulator R and to the secondary winding N1.
  • the control winding W2 is advantageously connected to one side of the secondary winding N1.
  • the control winding W2 can lead both a positive control current IS for magnetization and a negative control current IS for demagnetization of the transducer choke L0 (FIG. 2).
  • the control winding W2 of the transducer choke advantageously has a higher number of turns than the power winding W1, since this leads to smaller control currents IS.
  • the transducer choke has further control windings and possibly further power windings.
  • the transducer choke L0 has only one winding which works both as a power winding and as a control winding.
  • the forward converter circuit in parallel with the series connection of the rectifier diode D1 and the storage inductor L1, has a dashed series connection comprising a further rectifier diode D3 and a resistor R.
  • This causes a current IN which demagnetizes the transducer choke.
  • the regulation then only takes place via the change in the positive control current IS.
  • Transductors chokes with cores made of amorphous material which have been used up to now, are suitable for switching frequencies of the controllable switch up to approximately 150 kHz, since the losses increase sharply at switching frequencies above 150 kHz.
  • ferrite cores are well suited for high switching frequencies above 150 kHz and are also considerably cheaper than amorphous cores.
  • FIG. 2 schematically shows a hysteresis curve of a transducer choke with a core made of ferrite material.
  • the magnetic induction B initially increases in accordance with the slope of the characteristic curve until saturation is reached. If the current through the transducer choke and thus the magnetic field strength H is again reduced to the value 0, the remanence point Br of the magnetic induction is set as the operating point.
  • the remanence point Br of a transducer choke with a core made of ferrite material is very low compared to a transducer choke with a core made of amorphous material. As a result, the transducer choke blocks a voltage time area corresponding to the induction stroke BR.
  • the control current IS of the controller R connected to the transducer choke, in particular via the control winding W2 makes it possible to set further operating points on the hysteresis curve in such a way that they have a desired, usually smaller, induction stroke and thus block a smaller voltage time area.
  • a positive control current IS for magnetizing the transducer choke L0 can set an operating point 1 which has a smaller induction stroke BI and blocks a correspondingly smaller voltage time area.
  • an operating point 2 with a correspondingly larger induction stroke by means of a negative control current IS for demagnetizing the transducer choke L0.
  • a negative control current IS for demagnetizing the transducer choke L0.
  • the voltage U1 is then regulated only via a positive control current IS.
  • the clocked power supply device has at least one flyback converter circuit, a flyback converter circuit or a forward converter circuit being able to contain a controller designed as a main control loop for regulating the pulse width of the controllable switch S.
  • the controllable switch S is controlled by pulses, the width of which is modulated as a function of load fluctuations in one of the output voltages.
  • the measures described above make it possible to set any points on the hysteresis curve, in particular between the remanence point Br and the saturation induction, in particular in the case of single-ended converters but also in push-pull converters by the magnetization and / or demagnetization of the ferrite core of the transducer choke. Even at high switching frequencies of the controllable switch, for example above 150 kHz, this leads to a precise and fast control behavior of the magnetization of the transducer choke and thus to a high stability of the output voltage.

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Abstract

2.1. Eine getaktete Stromversorgungseinrichtung mit einem steuerbaren Schalter im Primärkreis weist eine durch einen Regler vormagnetisierbare Transduktordrossel auf, deren Kern in der Regel aus amorphem Material besteht. Die Stromversorgungseinrichtung soll auch bei hohen Schaltfrequenzen des steuerbaren Schalters eine hohe Stabilität sowie ein genaues und schnelles Regelverhalten bezüglich der Magnetisierung der Transduktordrossel aufweisen. 2.2. Es wird vorgeschlagen, daß die Transduktordrossel einen Kern aus Ferritmaterial aufweist und daß der Regler einen positiven oder negativen Steuerstrom zur Regelung der Magnetisierung der Transduktordrossel liefert. 2.3. Stromversorgungseinrichtungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine getaktete Stromversorgungs­einrichtung mit einem steuerbaren Schalter in Reihe mit einer Primärwicklung eines Transformators und mit minde­stens einem Sekundärkreis mit einer mit einem Regler ver­bundenen Transduktordrossel.
  • Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromver­sorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. In der Regel wird eine Regelung bzw. Stabilisierung dieser Gleichspannungen und galvani­sche Trennung verlangt. Bei getakteten Stromversorgungs­einrichtungen sind die Grundtypen Sperrwandler und Durch­flußwandler zu unterscheiden. Die z.B. aus der Netzspan­nung durch Gleichrichtung und Siebung gewonnene Gleich­spannung wird in der Regel mit Hilfe eines schnellschal­tenden Transistors in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese wird mit Hilfe eines Transformators übertragen, der im Fall des Sperrwandlers auch die Energiespeicherung übernimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und gesiebt. Bei einem Sperrwandler fließt nur während der Sperrphase im Sekundärkreis ein Strom, während bei einem Durchfluß­wandler während der Leitphase Energie in den Lastkreis übertragen wird. Die Ausgangsspannung einer getakteten Stromversorgungseinrichtung wird beispielsweise durch die Anordnung einer vormagnetisierbaren Transduktordrossel im Sekundärkreis stabilisiert.
  • Aus DE-A 32 21 839 ist eine getaktete Stromversorgungs­einrichtung bekannt mit einem Schaltglied, das in Reihe mit einer primärwicklung angeordnet ist, wobei eine Sättigungsdrossel in Reihe mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist. Dabei steuert ein Steuer­kreis einen Strom der Sättigungsdrossel zur Konstanthal­tung einer an den Ausgangsklemmen auftretenden Gleich­spannung. Die Sättigungsdrossel weist einen gewickelten Kern aus amorphem metallischem Magnetmaterial auf, dessen Banddicke im Bereich von vier bis sechzig Mikrometern liegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine getaktete Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die insbesondere bei hoher Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters (z.B. 100 kHz bis 1 MHz) eine hohe Stabilität der Ausgangsspannung sowie ein genaues und schnelles Regelverhalten bezüglich der Magnetisierung der Transduktordrossel aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer getakteten Stromversorgungs­einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Transduktordrossel einen Kern aus Ferritmaterial aufweist und daß der Regler einen positiven oder negati­ven Steuerstrom zur Magnetisierung der Transduktordrossel liefert.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­sprüchen enthalten.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren gezeichneten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
    • Figur 1 zeigt eine getaktete Stromversorgungseinrichtung nach dem Durchflußwandlerprinzip mit einer steuerbaren Transduktordrossel.
    • Figur 2 zeigt schematisch eine Hysteresekurve einer Transduktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial.
  • Fig. 1 zeigt eine getaktete Stromversorgungseinrichtung mit einem Transformator Tr, welcher eine Primärwick­lung N0 und eine Sekundärwicklung N1 besitzt. Der Trans­formator Tr übersetzt Spannung und Strom und trennt Ein­gang und Ausgang galvanisch. In Reihe zur Primärwick­lung N0 ist ein, z.B. als Transistor, ausgebildeter steu­erbarer Schalter S angeordnet. Parallel zu den Eingangs­klemmen, an denen die Spannung U0 anliegt, ist ein Kon­densator C0 geschaltet. In Reihe zur Sekundärwicklung N1 ist eine Leistungswicklung W1 einer Transduktordrossel L0 und eine Gleichrichterdiode D1 angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung N1, Leistungs­wicklung W1 und Gleichrichterdiode D1 liegt eine Frei­laufdiode D2. In Serie zu der Anordnung aus Sekundärwick­lung N1, Leistungswicklung W1, Gleichrichterdiode D1 und Freilaufdiode D2 ist eine Speicherdrossel L1 angeordnet. Parallel zu den Ausgangsklemmen, an denen eine Span­nung U1 auftritt, liegt ein Kondensator C1. Die Steuer­wicklung W2 der Transduktordrossel L0 ist mit der Sekun­därwicklung N1 und mit einem Regler R verbunden, der ein Regelsignal zur Regelung der Spannung U1 liefert.
  • Während der Leitphase des steuerbaren Schalters S ist die Gleichrichterdiode D1 leitend, der Strom fließt nach dem Durchschalten der Transduktordrossel L0 zur nicht darge­stellten Last und die Speicherdrossel L1 nimmt Energie auf, wobei die Freilaufdiode D2 gesperrt ist. Während der Sperrphase des steuerbaren Schalters S fließt der Strom aus der Speicherdrossel L1 weiter über die Freilaufdio­de D2 in die Last. Der Regler R ist eingangsseitig mit den Ausgangsklemmen verbunden, an denen die Spannung U1 anliegt. Dadurch wird ein Regelkriterium gewonnen, das ein entsprechendes Regelsignal in Form eines Steuerstro­ mes IS am Ausgang des Reglers R zur Folge hat. Der zur Steuerwicklung W2 der Transduktordrossel L0 fließende Steuerstrom IS bewirkt eine Änderung der Zeit, in der die Leistungswicklung W1 der Transduktordrossel L0 sperrt und somit eine Regelung bzw. Stabilisierung der Spannung U1.
  • Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Transduktordrossel L0 eine Leistungswicklung W1 und eine Steuerwicklung W2 auf, die mit dem Regler R und mit der Sekundärwicklung N1 verbunden ist. Der Anschluß der Steuerwicklung W2 erfolgt dabei vorteilhafterweise an ei­ner Seite der Sekundärwicklung N1. Die Steuerwicklung W2 kann sowohl einen positiven Steuerstrom IS zur Aufmagne­tisierung, als auch einen negativen Steuerstrom IS zur Abmagnetisierung der Transduktordrossel L0 führen (Fig. 2). Vorteilhafterweise besitzt die Steuerwick­lung W2 der Transduktordrossel eine höhere Windungszahl als die Leistungswicklung W1, da dies zu kleineren Steu­erströmen IS führt. Bei einer weiteren Ausgestaltungsform weist die Transduktordrossel weitere Steuerwicklungen und gegebenenfalls weitere Leistungswicklungen auf.
  • Bei einem weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Transduktordrossel L0 le­diglich eine Wicklung auf, die sowohl als Leistungswick­lung als auch als Steuerwicklung arbeitet.
  • Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Durchflußwandlerkreis parallel zu der Reihenschaltung der Gleichrichterdiode D1 und der Speicherdrossel L1 eine gestrichelt gezeichnete Reihenschaltung aus einer weite­ren Gleichrichterdiode D3 und einem Widerstand R auf. Da­durch wird ein Strom IN hervorgerufen, der eine Abmagne­tisierung der Transduktordrossel bewirkt. Bei diesem Aus­führungsbeispiel erfolgt die Regelung dann lediglich über die Veränderung des positiven Steuerstromes IS.
  • Bisher üblicherweise verwendete Transduktordrosseln mit Kernen aus amorphem Material sind für Schaltfrequenzen des steuerbaren Schalters bis ca. 150 kHz geeignet, da bei Schaltfrequenzen über 150 kHz die Verluste stark an­steigen. Ferritkerne sind dagegen für hohe Schaltfrequen­zen über 150 kHz gut geeignet und sind zudem erheblich kostengünstiger als amorphe Kerne.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine Hysteresekurve einer Trans­duktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial. Die mag­netische Induktion B nimmt beim Erhöhen der magnetischen Feldstärke H zunächst entsprechend der Steigung der Kenn­linie bis zum Erreichen der Sättigung zu. Wird der Strom durch die Transduktordrossel und damit die magnetische Feldstärke H wieder gegen den Wert 0 verringert, so stellt sich als Arbeitspunkt der Remanenzpunkt Br der magnetischen Induktion ein. Der Remanzenzpunkt Br einer Transduktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial liegt sehr niedrig im Vergleich zu einer Transduktordros­sel mit einem Kern aus amorphem Material. Dies hat zur Folge, daß die Transduktordrossel eine Spannungszeitflä­che entsprechend dem Induktionshub BR sperrt. Durch den Steuerstrom IS des mit der Transduktordrossel insbesonde­re über die Steuerwicklung W2 verbundenen Reglers R ist es möglich, weitere Arbeitspunkte auf der Hysteresekurve so einzustellen, daß sie einen gewünschten, üblicherweise geringeren, Induktionshub aufweisen und somit eine gerin­gere Spannungszeitfläche sperren. So läßt sich beispiels­weise durch einen positiven Steuerstrom IS zur Aufmagne­tisierung der Transduktordrossel L0 ein Arbeitspunkt 1 einstellen, der einen kleineren Induktionshub BI aufweist und eine entsprechend geringere Spannungszeitfläche sperrt.
  • Für bestimmte Anforderungen ist es auch möglich, durch einen negativen Steuerstrom IS zur Abmagnetisierung der Transduktordrossel L0 einen Arbeitspunkt 2 mit einem ent­sprechend größeren Induktionshub einzustellen. Durch das in Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel mit der Rei­henschaltung aus der Gleichrichterdiode D3 und dem Wider­stand R sowie dem dadurch hervorgerufenen Strom IN wird ebenfalls eine Abmagnetisierung der Transduktordrossel beispielsweise auf den Arbeitspunkt 2 erreicht. Die Rege­lung der Spannung U1 erfolgt dann lediglich über einen positiven Steuerstrom IS.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die getakte­te Stromversorgungseinrichtung mindestens einen Sperr­wandlerkreis auf, wobei ein Sperrwandlerkreis oder ein Durchflußwandlerkreis einen als Hauptregelkreis ausgebil­deten Regler zur Regelung der Pulsbreite des steuerbaren Schalters S enthalten kann. Der steuerbare Schalter S wird dabei von Impulsen gesteuert, die in ihrer Breite in Abhängigkeit von Lastschwankungen einer der Ausgangsspan­nungen moduliert werden.
  • Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist es somit mög­lich, insbesondere bei Eintaktwandlern aber auch bei Ge­gentaktwandlern durch die Auf- und/oder Abmagnetisierung des Ferritkernes der Transduktordrossel beliebige Punkte auf der Hysteresekurve, insbesondere zwischen dem Rema­nenzpunkt Br und der Sättigungsinduktion, einzustellen. Dies führt auch bei hohen Schaltfrequenzen des steuerba­ren Schalters beispielsweise über 150 kHz zu einem ge­nauen und schnellen Regelverhalten der Magnetisierung der Transduktordrossel und somit zu einer hohen Stabilität der Ausgangsspannung.

Claims (7)

1. Getaktete Stromversorgungseinrichtung mit einem steu­erbaren Schalter (S) in Reihe mit einer Primärwick­lung (N0) eines Transformators (Tr) und mit mindestens einem Durchflußwandlerkreis mit einer Sekundärwick­lung (N1) in Reihe mit einer mit einem Regler (R) verbun­denen Transduktordrossel (L0),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transduktordrossel (L0) einen Kern aus Ferritma­terial aufweist und der Regler (R) einen positiven oder negativen Steuerstrom (IS) zur Magnetisierung der Trans­duktordrossel (L0) liefert.
2. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transduktordrossel (L0) eine Wicklung aufweist, die sowohl als Leistungswicklung als auch als Steuerwick­lung dient.
3. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transduktordrossel (L0) mindestens eine Lei­stungswicklung (W1) und mindestens eine Steuerwick­lung (W2) aufweist, wobei die Steuerwicklung (W2) mit dem Regler (R) verbunden ist.
4. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerwicklung (W2) mit der Sekundärwicklung (N1) verbunden ist.
5. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchflußwandlerkreis parallel zu der Reihen­schaltung einer ersten Gleichrichterdiode (D1) und einer Speicherdrossel (L1) eine Reihenschaltung aus einer wei­teren Gleichrichterdiode (D3) und einem Widerstand (R) aufweist.
6. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromversorgungseinrichtung mindestens einen Sperrwandlerkreis aufweist.
7. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Sperrwandler- oder ein Durchflußwandlerkreis ei­nen Hauptregelkreis zur Regelung der Pulsbreite des steu­erbaren Schalters (S) aufweist.
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