WO2017194400A1 - Getaktete stromversorgungseinheit mit galvanischer trennung - Google Patents

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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a power supply unit with galvanic isolation, for clocked conversion of an input side AC or DC voltage into an output DC voltage,
  • a first primary circuit comprising a series circuit of a primary winding of a transformer and a first switching element for pulse width modulation of the voltage across the primary winding, and a first control circuit for controlling the first switching element
  • Secondary winding of the transformer and a lying parallel to a DC output voltage of the secondary circuit smoothing capacitor comprises.
  • the invention also includes a method for clocked conversion of a
  • Input side AC or DC voltage in an output DC voltage and a corresponding computer program product.
  • the invention relates to voltage transformers with galvanic isolation, namely DC-DC converters, such as single-ended flux transducers or flyback converters, or switching power supplies, which are usually electrical AC voltage in
  • the Eintakt bywandler (English Forward Converter) is an embodiment of a galvanically isolated
  • DC-DC converter in which the energy transfer takes place exclusively in the conducting phase of the first switching element.
  • Applications of this converter are, for example, switching power supplies.
  • flyback converters which are particularly suitable for low power
  • single-ended flux transformers are used for outputs from about 100 watts to about 500 watts, they have a better efficiency.
  • push-pull flow transducers are used for larger outputs.
  • the voltage switch can therefore only with pure
  • Power factor correction filter also called PFC circuit (Power Factor Control Circuit).
  • PFC circuit Power Factor Control Circuit
  • a PFC circuit is required in different applications because of compliance with different limits. For power supplies for the industry, these limits are not so low that a PFC circuit would be necessary, but they are associated with a relatively high amount of electronics.
  • Power supply unit to provide, which avoids complex PFC circuits or voltage multiplication and still a DC operation
  • the object is achieved by a power supply unit with galvanic isolation for clocked conversion of an input side AC or DC voltage in an output DC voltage with the features of
  • Patent claim 1 solved.
  • This power supply unit having a first primary circuit comprising a series connection of a primary winding of a transformer and a first switching element for pulse width modulation of the voltage across the primary winding, and a first control circuit for controlling the first switching element,
  • a second primary circuit which comprises a series circuit of a part of the primary winding and a second switching element for pulse width modulation of the voltage at this part of the primary winding, and that a voltage evaluation circuit is provided, which is formed so that, depending on the height of
  • Input voltage either the first or the second
  • Switching element is switched for the next switching cycle. To get full DC capability, a constant DC path between input and output must be provided
  • the second primary circuit comprises approximately half of the primary winding.
  • the new second primary circuit is best driven by a second switching transistor.
  • Voltage evaluation circuit decides dynamically, which of the two switching elements and thus which primary winding, first or second, to deny a restarting switching cycle.
  • Switching be made when a switching element is currently switched on, but it should be done switching to the off pauses of the switching elements.
  • the existing first control circuit for controlling the first switching element may also be connected to the second switching element in order to also control the second switching element.
  • the existing control circuit and its current measuring devices can also be used for the second switching element.
  • Voltage evaluation circuit comprises an amplifier with which when switching from one to the other
  • a current measuring device is provided with a first current measuring resistor, which when switching the first or the second switching element of electricity
  • a second current measuring resistor is provided, which is flowed through only when switching the first switching element of current and which is dimensioned so that the detected by the control circuit voltage drop across the current measuring resistors when switching the first switching element is the same size as in Switching the second switching element.
  • Another way to reduce the effects of primary circuit switching on the secondary side is to dynamically switch between the two primary circuits.
  • the voltage evaluation circuit is designed so that the switching from one to the other
  • Primary circuit is gradually made by alternately one and the other primary circuit for one or more Switching cycles is switched, whereby the number of switching cycles of the one primary circuit decreases and increases the number of switching cycles of the other primary circuit.
  • This can e.g. look like that of ten cycles initially only one with the second primary circuit, that is, with only a portion of the primary winding, while the other nine switching cycles still with the first
  • the voltage evaluation circuit necessary for the switching can comprise a microcontroller, which is usually necessary anyway for the evaluation of the input voltage (phase failure, etc.) and also contains the switching algorithm for the "averaged" change above
  • a diode between the primary winding and the first switching element can be provided.
  • the power supply unit according to the invention can as
  • a single-ended flux converter may be formed, in which case a is provided parallel to the secondary winding arranged freewheeling diode.
  • the power supply unit according to the invention can also be designed as a flyback converter.
  • An inventive method for clocked conversion of an input AC or DC voltage in an output DC voltage uses a
  • first primary circuit comprising a series circuit of a primary winding of a transformer and a first switching element for pulse width modulation of the voltage across the primary winding, and a first control circuit for controlling the first switching element
  • Secondary winding of the transformer and a lying parallel to a DC output voltage of the secondary circuit smoothing capacitor comprises.
  • a second primary circuit which is a series circuit of a portion of the primary winding and a second switching element for pulse width modulation of
  • Voltage at this part of the primary winding comprises, and a voltage evaluation circuit, which switches depending on the magnitude of the input voltage, either the first or the second switching element for the next switching cycle.
  • the voltage evaluation circuit can be an amplifier
  • switching from one to the other primary circuit can be made gradually by alternately switching one and the other primary circuit for one or more switching cycles, the number of switching cycles of the one primary circuit decreasing and the number of switching cycles of the other primary circuit elevated.
  • the invention also relates to a
  • a computer program product comprising a program which is directly loadable into a processor of a power supply unit, with program means for carrying out all the steps of the method according to the invention when the program is executed by the processor.
  • the computer program product can be, for example, a data carrier on which a corresponding computer program is stored, or it can be a signal or data stream which has a
  • Power supply unit can be charged.
  • Computer program may e.g. stored in the voltage evaluation circuit.
  • Outline invention character, but do not constrict it or even conclude.
  • Power supply unit in the form of a flyback converter.
  • the illustrated circuit arrangement comprises a first
  • Primary circuit a second primary circuit and a secondary circuit.
  • the first primary circuit is made up of the series connection of the entire primary winding L1, L2, of a transformer, of a first switching element M1, of a first current measuring device, which is connected through the shunt (first current measuring resistor) R1
  • a voltage source is realized, and formed a voltage source, wherein the voltage source outputs the input DC voltage Uzwk.
  • a second current measuring resistor R2 may be provided. Parallel to the voltage source is a
  • Input capacitor C2 connected. An entrance of a
  • Control circuit PWM is connected to an output of
  • Control circuit PWM here based on a
  • Pulse width modulation operates, controls the first switching element Ml via the inverter AI and the gate A3.
  • the first switching element Ml is designed here as an n-channel MOSFET, of course, other types of transistors can be used.
  • the second primary circuit is formed of the series connection of the portion LI of the primary winding of the transformer, a second switching element M2, the current measuring device realized by the shunt (first current measuring resistor) RI, and the voltage source.
  • the part LI of the primary winding here comprises half of the entire primary winding L1, L2.
  • the control circuit PWM controls the second switching element M2 via the gate A2.
  • the second switching element M2 is formed here as an n-channel MOSFET, of course, other types of transistors can be used here as well.
  • a diode D 1 between the primary winding L 1, L 2 and the first switching element M 1 prevents a reverse polarity of the first switching element M 1 when the second switching element M 2 is active.
  • the secondary circuit comprises a secondary winding L3 of the transformer, a diode D2 and a smoothing capacitor Cl. At the output of the secondary circuit, so on
  • the basic function of the circuit arrangement is as follows:
  • the first switching element M1 (or the second switching element M2) controlled by the control circuit PWM converts the
  • the voltage evaluation circuit SP-A is now connected in parallel to the voltage source, which the
  • Voltage evaluation circuit SP-A is connected to the inverter AI and the gates A2, A3, wherein the inverter AI of the mutual release of the gates A2, A3 is used.
  • the voltage evaluation circuit SP-A will now produce either the first Ml or the second switching element M2 for the next one
  • Another variant, to reduce the effects of switching is that the switching from one to the other primary circuit gradually takes place by alternately one and the other primary circuit for one or more switching cycles is active, wherein the number of switching cycles of reduces a primary circuit and increases the number of switching cycles of the other primary circuit, as already above
  • Voltage evaluation circuit SP-A is deposited.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Gezeigt wird eine Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung, zur getakteten Umwandlung einer eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung (Uzwk) in eine ausgangsseitige Gleichspannung (Ua), mit einem ersten Primärstromkreis, der eine Serienschaltung einer Primärwicklung (L1, L2) eines Transformators und eines ersten Schaltelementes (M1) zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung (PWM) zur Steuerung des ersten Schaltelementes (M1), mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine Sekundärwicklung (L3) des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung (Ua) des Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator (C1) umfasst. Es ist zur Vermeidung von PFC-Schaltungen oder einer Spannungsvervielfachung ein zweiter Primärstromkreis vorgesehen, der eine Serienschaltung eines Teils (L1) der Primärwicklung und eines zweiten Schaltelementes (M2) zur Impulsdauermodulation der Spannung an diesem Teil (L1) der Primärwicklung umfasst, und eine Spannungsauswerteschaltung (SP-A), die so ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der Höhe der Eingangsspannung (Uzwk) entweder das erste (M1) oder das zweite Schaltelement (M2) für den nächsten Schaltzyklus geschaltet wird.

Description

Beschreibung
Getaktete Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung, zur getakteten Umwandlung einer eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung,
mit einem ersten Primärstromkreis, der eine Serienschaltung einer Primärwicklung eines Transformators und eines ersten Schaltelementes zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung zur Steuerung des ersten Schaltelementes,
mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine
Sekundärwicklung des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung des Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator umfasst. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur getakteten Umwandlung einer
eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung, sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt .
Die Erfindung betrifft unter anderem Spannungswandler mit galvanischer Trennung, und zwar Gleichspannungswandler, wie Eintaktflusswandler oder Sperrwandler, oder Schaltnetzgeräte, die in der Regel elektrische Wechselspannung in
Gleichspannung überführen.
Der Eintaktflusswandler (englisch Forward Converter) ist eine Ausführungsform eines galvanisch getrennten
Gleichspannungswandlers, bei dem die Energieübertragung ausschließlich in der Leitphase des ersten Schaltelements stattfindet. Anwendungen dieses Wandlers sind beispielsweise Schaltnetzteile . Im Unterschied zu Sperrwandlern, die besonders für gering Leistungen geeignet sind, werden Eintaktflusswandler bei Leistungen ab etwa 100 Watt bis zu rund 500 W eingesetzt, sie einen besseren Wirkungsgrad aufweisen. Bei größeren Leistungen kommen Gegentaktflusswandler zum Einsatz .
Stand der Technik
Die Abdeckung eines sehr breiten Eingangsspannungsbereichs, etwa mit einer Spannungsvarianz größer 1:2, bei geschalteten Stromversorgungen führt entweder zu einer Einschränkung auf Wechselspannungen bei der Eingangsspannung oder zu einem deutlichen Mehraufwand durch Überdimensionierung des
Flusswandlers oder zu mehrstufigen Lösungen.
Bei kleinen Nennleistungen der Stromversorgungseinheit, bis ca. 100W, ist noch ein Kompromiss aus Überdimensionierung, Kosten und Verlustleistung möglich. Bei höheren
Nennleistungen werden durch die Überdimensionierung neben der Unwirtschaftlichkeit auch die Wärmeentwicklung und das große Volumen der Stromversorgungseinheit zum Problem.
Bisher wurde daher statt der Überdimensionierung eine
Spannungsumschaltung am Eingang der Stromversorgung
vorgesehen. Diese funktioniert nach dem Prinzip der
Spannungsverdoppelung und schränkt den Betrieb der
Stromversorgungseinheit auf Eingangs-Wechselspannungen ein. Die Spannungsumschaltung kann daher nur bei reinem
Wechselspannungsbetrieb oder bei hohen Gleichstrom- Eingangsspannungen, wo dann keine Spannungsverdoppelung notwendig ist, eingesetzt werden.
Eine weitere übliche Lösung ist das Vorschalten eines
Leistungsfaktorkorrekturfilters, auch PFC-Schaltung (Power Factor Control Schaltung) genannt. Die PFC-Schaltung
ermöglicht eine erste Eingrenzung der Spannungsvarianz und zudem eine deutliche Reduktion der harmonischen Schwingungen des Eingangsstroms. Zudem wird eine PFC-Schaltung auf unterschiedlichen Einsatzgebieten wegen der Einhaltung unterschiedlicher Grenzwerte gefordert. Bei Stromversorgungen für die Industrie sind diese Grenzwerte jedoch nicht so niedrig, dass eine PFC-Schaltung notwendig wäre, sind diese doch mit einem relativ hohen Aufwand an Elektronik verbunden.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Stromversorgungseinheit zur Verfügung zu stellen, welche aufwändige PFC-Schaltungen oder eine Spannungsvervielfachung vermeidet und dennoch einen Gleichspannungsbetrieb
ermöglicht .
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung zur getakteten Umwandlung einer eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Stromversorgungseinheit, mit einem ersten Primärstromkreis, der eine Serienschaltung einer Primärwicklung eines Transformators und eines ersten Schaltelementes zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung zur Steuerung des ersten Schaltelementes,
mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine
Sekundärwicklung des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung des Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator umfasst, ist dadurch
gekennzeichnet, dass ein zweiter Primärstromkreis vorgesehen ist, der eine Serienschaltung eines Teils der Primärwicklung und eines zweiten Schaltelementes zur Impulsdauermodulation der Spannung an diesem Teil der Primärwicklung umfasst, und dass eine Spannungsauswerteschaltung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der Höhe der
Eingangsspannung entweder das erste oder das zweite
Schaltelement für den nächsten Schaltzyklus geschaltet wird. Um die volle Gleichspannungstauglichkeit zu erhalten, muss ein ständiger Gleichspannungspfad zwischen Eingang und
Schaltinduktivität bestehen. Ähnlich wie bei einem 50 Hz- Netztransformator ist es aber möglich, durch Anzapfen der eingangsseitigen Wicklung des Schalttransformators, also durch Anzapfen der Primärwicklung, diese Wicklung der anliegenden Eingangsspannung anzupassen.
So können z.B. mit einer Anzapfung in der Mitte der
Primärwicklung gleichartige Dimensionierungsverhältnisse für sowohl 110V als auch für 230V erzielt werden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass der zweite Primärstromkreis etwa die Hälfte der Primärwicklung umfasst.
Der neue zweite Primärstromkreis wird am besten mit einem zweiten Schalttransistor angesteuert. Die
Spannungsauswerteschaltung entscheidet dynamisch, welches der beiden Schaltelemente und damit welche Primärwicklung, erste oder zweite, einen neu startenden Schaltzyklus bestreiten soll .
Dabei ist es sinnvoll, wenn das Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis in den Schaltpausen erfolgt. Es sollte also durch die Spannungsauswerteschaltung keine
Umschaltung vorgenommen werden, wenn gerade ein Schaltelement eingeschaltet ist, sondern es sollte die Umschaltung in den Abschaltpausen der Schaltelemente erfolgen.
Die vorhandene erste Steuerschaltung zur Steuerung des ersten Schaltelements kann auch mit dem zweiten Schaltelement verbunden sein, um auch das zweite Schaltelement zu steuern. Dadurch können die vorhandene Steuerschaltung sowie deren Strommesseinrichtungen auch für das zweite Schaltelement genutzt werden.
Es ist von Vorteil, wenn synchron mit der Umschaltung auf ein anderes Schaltelement, also beim Wechsel des Primärstromkreises, der Stromvorgabewert im Sinne einer Vorsteuerung angepasst wird, etwa indem die Verstärkung im Strommesspfad des Primärkreises ebenfalls entsprechend geändert wird. Insofern kann vorgesehen sein, dass die
Spannungsauswerteschaltung einen Verstärker umfasst, mit welchem beim Umschalten von einem auf den anderen
Primärstromkreis der Stromvorgabewert entsprechend geändert werden kann.
Beispielsweise müsste beim Umschalten von voller
Primärwicklung auf halbe Primärwicklung der Strom schlagartig auf den doppelten Wert umgestellt werden. Diese Anpassung kann zwar auch von einer vorhandenen Spannungs- oder
Stromregelung für den Primärstromkreis vorgenommen werden, allerdings würde dies für die Dauer der Ausregelzeit der vorhandenen Spannungs- oder Stromregelung zu Spannungs- und Stromsprüngen am Ausgang des Schaltwandlers führen.
Um dem abzuhelfen kann vorgesehen sein, dass im
Primärstromkreis eine Strommesseinrichtung mit einem ersten Strommesswiderstand vorgesehen ist, welcher beim Schalten des ersten oder des zweiten Schaltelementes von Strom
durchflössen ist, dass im ersten Primärstromkreis ein zweiter Strommesswiderstand vorgesehen ist, der nur beim Schalten des ersten Schaltelementes von Strom durchflössen ist und der so dimensioniert ist, dass der von der Steuerschaltung erfasste Spannungsabfall an den Strommesswiderständen beim Schalten des ersten Schaltelements gleich groß ist wie beim Schalten des zweiten Schaltelements.
Eine andere Möglichkeit, die Auswirkungen von Umschaltungen des Primärkreises auf der Sekundärseite zu verringern, besteht darin, dass ein dynamischer Wechsel zwischen den beiden Primärstromkreisen erfolgt. Insofern kann vorgesehen sein, dass die Spannungsauswerteschaltung so ausgebildet ist, dass das Umschalten von einem auf den anderen
Primärstromkreis graduell erfolgt, indem abwechselnd der eine und der andere Primärstromkreis für einen oder mehrere Schaltzyklen geschaltet wird, wobei sich die Anzahl der Schaltzyklen des einen Primärstromkreises verringert und sich die Anzahl der Schaltzyklen des anderen Primärstromkreises erhöht .
Dies kann z.B. so aussehen, dass von zehn Schaltzyklen zunächst nur einer mit dem zweiten Primärstromkreis, also mit nur einem Teil der Primärwicklung erfolgt, während die anderen neun Schaltzyklen noch mit dem ersten
Primärstromkreis, also mit der vollen Primärwicklung, erfolgen. Bei den darauf folgenden zehn Schaltzyklen werden bereits zwei Schaltzyklen mit dem zweiten Primärstromkreis gemacht, während nur mehr acht Schaltzyklen mit dem ersten Primärstromkreis erfolgen. Bei den nächsten zehn Schaltzyklen werden jene mit dem zweiten Primärstromkreis auf drei erhöht, und so weiter. Mit so einer „gemittelten" Änderung wird einer bestehenden Spannungs- oder Stromregelung Zeit zum Ausregeln gegeben .
Die für das Umschalten notwendige Spannungsauswerteschaltung kann einen MikroController umfassen, der zumeist ohnehin für die Auswertung der Eingangsspannung (Phasenausfall, etc.) notwendig ist und auch den Umschaltalgorithmus für die „gemittelten" Änderung enthält. Dieser MikroController kann auch erkennen, ob eine rasche Umschaltung ohne oben
beschriebene „Mittelung" notwendig ist, wie etwa beim
Einschalten der Stromversorgungseinheit, wo eine sukzessiv steigende Eingangsspannung, wie eine Zwischenkreisspannung, erst die Eingangskondensatoren des Primärstromkreises auflädt .
Um zu verhindern, dass das erste Schaltelement bei aktivem zweitem Schaltelement umgekehrt gepolt wird, kann eine Diode zwischen Primärwicklung und erstem Schaltelement vorgesehen sein .
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann als
Eintakt-Flusswandler ausgebildet sein, wobei dann eine parallel zur Sekundärwicklung angeordnete Freilaufdiode vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann aber auch als Sperrwandler ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur getakteten Umwandlung einer eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung bedient sich einer
Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung,
mit einem ersten Primärstromkreis, der eine Serienschaltung einer Primärwicklung eines Transformators und eines ersten Schaltelementes zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung zur Steuerung des ersten Schaltelementes, und
mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine
Sekundärwicklung des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung des Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator umfasst.
Dabei ist ein zweiter Primärstromkreis vorgesehen, der eine Serienschaltung eines Teils der Primärwicklung und eines zweiten Schaltelementes zur Impulsdauermodulation der
Spannung an diesem Teil der Primärwicklung umfasst, und eine Spannungsauswerteschaltung, welche in Abhängigkeit von der Höhe der Eingangsspannung entweder das erste oder das zweite Schaltelement für den nächsten Schaltzyklus schaltet.
Wie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Stromversorgungseinheit erläutert wurde, erfolgt das
Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis am besten in den Schaltpausen.
Die Spannungsauswerteschaltung kann einen Verstärker
umfassen, mit welchem beim Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis der Stromvorgabewert entsprechend geändert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis graduell erfolgen, indem abwechselnd der eine und der andere Primärstromkreis für einen oder mehrere Schaltzyklen geschaltet wird, wobei sich die Anzahl der Schaltzyklen des einen Primärstromkreises verringert und sich die Anzahl der Schaltzyklen des anderen Primärstromkreises erhöht.
Da das erfindungsgemäße Verfahren am besten rechnergestützt ausgeführt wird, betrifft die Erfindung auch ein
Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst, das direkt in einen Prozessor einer Stromversorgungseinheit ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm vom Prozessor ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise ein Datenträger sein, auf welchem ein entsprechendes Computerprogramm gespeichert ist, oder es kann ein Signal oder Datenstrom sein, der über eine
Datenverbindung in den Prozessor einer
Stromversorgungseinheit geladen werden kann. Das
Computerprogramm kann z.B. in der Spannungsauswerteschaltung gespeichert sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figur Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und
Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Die Figur ist beispielhaft zu verstehen und soll den
Erfindungscharakter zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
Ausführung der Erfindung Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Stromversorgungseinheit in Form eines Sperrwandlers. Die dargestellte Schaltungsanordnung umfasst einen ersten
Primärstromkreis, einen zweiten Primärstromkreis sowie einen Sekundärstromkreis .
Der erste Primärstromkreis wird aus der Reihenschaltung der gesamten Primärwicklung L1,L2, eines Transformators, eines ersten Schaltelementes Ml, einer ersten Strommesseinrichtung, die durch den Shunt (erster Strommesswiderstand) Rl
realisiert ist, sowie einer Spannungsquelle gebildet, wobei die Spannungsquelle die Eingangsgleichspannung Uzwk abgibt. Optional kann ein zweiter Strommesswiderstand R2 vorgesehen sein. Parallel zur Spannungsquelle ist ein
Eingangskondensator C2 geschaltet. Ein Eingang einer
Steuerschaltung PWM ist mit einem Ausgang der
Strommesseinrichtung verbunden. Die am ersten
Strommesswiderstand Rl abfallende Spannung ist dem Strom im ersten bzw. zweiten Primärstromkreis proportional und bildet eine Eingangsgröße der Steuerschaltung PWM. Die
Steuerschaltung PWM, die hier auf Basis einer
Pulsweitenmodulation arbeitet, steuert über den Inverter AI und das Gatter A3 das erste Schaltelement Ml an. Das erste Schaltelement Ml ist hier als n-Kanal-MOSFET ausgebildet, selbstverständlich können auch andere Arten von Transistoren verwendet werden .
Der zweite Primärstromkreis wird aus der Reihenschaltung des Teils LI der Primärwicklung des Transformators, eines zweiten Schaltelementes M2, der Strommesseinrichtung, die durch den Shunt (erster Strommesswiderstand) Rl realisiert ist, sowie der Spannungsquelle gebildet. Der Teil LI der Primärwicklung umfasst hier die Hälfte der gesamten Primärwicklung L1,L2. Die Steuerschaltung PWM steuert über das Gatter A2 das zweite Schaltelement M2 an. Auch das zweite Schaltelement M2 ist hier als n-Kanal-MOSFET ausgebildet, selbstverständlich können auch hier andere Arten von Transistoren verwendet werden . Eine Diode Dl zwischen der Primärwicklung L1,L2 und erstem Schaltelement Ml verhindert eine Revers-Polung des ersten Schaltelements Ml bei aktivem zweitem Schaltelement M2.
Der Sekundärstromkreis umfasst eine Sekundärwicklung L3 des Transformators, eine Diode D2 und einen Glättungskondensator Cl . Am Ausgang des Sekundärstromkreises, also am
Glättungskondensator Cl, liegt die Ausgangsspannung Ua an.
Die Grundfunktion der Schaltungsanordnung ist wie folgt: Das durch die Steuerschaltung PWM gesteuerte erste Schaltelement Ml (bzw. das zweite Schaltelement M2 ) wandelt die
Eingangsgleichspannung Uzwk des ersten (bzw. des zweiten) Primärstromkreises in eine Reihe von Spannungsimpulsen an der Primärwicklung L1,L2 (bzw. des Teils LI der Primärwicklung) um. Die Spannungsimpulse bewirken einen Strom durch die Primärwicklung L1,L2 (bzw. durch den Teil LI der
Primärwicklung) , der in der Sekundärwicklung L3 eine
Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung wird mittels der Diode D2 gleichgerichtet.
Erfindungsgemäß ist nun die Spannungsauswerteschaltung SP-A parallel zur Spannungsquelle geschaltet, welche die
Eingangsspannung Uzwk zur Verfügung stellt. Die
Spannungsauswerteschaltung SP-A ist mit dem Inverter AI und den Gattern A2,A3 verbunden, wobei der Inverter AI der wechselseitigen Freigabe der Gatter A2,A3 dient. In
Abhängigkeit von der Höhe der Eingangsspannung Uzwk wird nun durch die Spannungsauswerteschaltung SP-A entweder das erste Ml oder das zweite Schaltelement M2 für den nächsten
Schaltzyklus geschaltet.
War z.B. gerade das erste Schaltelement Ml aktiv und wird auf das zweite Schaltelement M2 umgeschaltet, so muss schlagartig der Strom auf den doppelten Wert umgestellt werden. Eine mögliche Lösung, um die Auswirkungen der Umschaltung zu verringern, besteht darin, die im Primärstromkreis vorhandene Strommesseinrichtung, die mittels eines ersten Strommesswiderstands Rl realisiert wird, zu nutzen. Der Strommesswiderstands Rl ist bei allen Ausführungsvarianten vorhanden und wird sowohl beim Schalten des ersten Ml oder des zweiten Schaltelementes M2 von Strom durchflössen. Nun wird im ersten Primärstromkreis ein zweiter
Strommesswiderstand R2 eingebaut, der nur beim Schalten des ersten Schaltelementes Ml von Strom durchflössen ist und der so dimensioniert ist, dass der von der Steuerschaltung PWM erfasste Spannungsabfall an den Strommesswiderständen R1,R2 beim Schalten des ersten Schaltelements Ml gleich groß ist wie beim Schalten des zweiten Schaltelements M2.
Eine andere Variante, um die Auswirkungen des Umschaltens zu verringern, besteht darin, dass das Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis graduell erfolgt, indem abwechselnd der eine und der andere Primärstromkreis für einen oder mehrere Schaltzyklen aktiv ist, wobei sich die Anzahl der Schaltzyklen des einen Primärstromkreises verringert und sich die Anzahl der Schaltzyklen des anderen Primärstromkreises erhöht, wie bereits weiter oben
beschrieben. Für diese Variante wird der zweite
Strommesswiderstand R2 nicht zwingend benötigt.
Auf diese Weise kann der Eindruck eines Schaltreglers ohne Umschaltung erzeugt werden, weil keine merkbaren
Umschaltstörungen auftreten.
Der Algorithmus, mit welchem die beiden Schaltelemente Ml, von der Spannungsauswerteschaltung SP-A angesteuert werden kann durch ein Computerprogramm erfolgen, das in der
Spannungsauswerteschaltung SP-A hinterlegt ist.
Bezugszeichenliste :
Inverter
Gatter A3 Gatter
Cl Glättungskondensator
C2 Eingangskondensator
Dl Diode
D2 Diode
LI Teil der Primärwicklung
L2 Teil der Primärwicklung
L3 Sekundärwicklung
Ml erstes Schaltelement
M2 zweites Schaltelement
PWM SteuerSchaltung
Rl Shunt (erster Strommesswiderstand)
R2 zweiter Strommesswiderstand
SP-A Spannungsauswerteschaltung
Ua ausgangsseitige Gleichspannung
Uzwk eingangsseitige Gleichspannung (Zwischenkreisspannung)

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung, zur getakteten Umwandlung einer eingangsseitigen Wechseloder Gleichspannung (Uzwk) in eine ausgangsseitige Gleichspannung (Ua) ,
mit einem ersten Primärstromkreis, der eine
Serienschaltung einer Primärwicklung (L1,L2) eines Transformators und eines ersten Schaltelementes (Ml) zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung (PWM) zur Steuerung des ersten Schaltelementes (Ml),
mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine
Sekundärwicklung (L3) des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung (Ua) des
Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator (Cl) umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Primärstromkreis vorgesehen ist, der eine Serienschaltung eines Teils (LI) der Primärwicklung und eines zweiten Schaltelementes (M2) zur
Impulsdauermodulation der Spannung an diesem Teil (LI) der Primärwicklung umfasst, und
dass eine Spannungsauswerteschaltung (SP-A) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der Höhe der Eingangsspannung (Uzwk) entweder das erste (Ml) oder das zweite Schaltelement (M2) für den nächsten Schaltzyklus geschaltet wird.
2. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der zweite Primärstromkreis die Hälfte der Primärwicklung umfasst.
3. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsauswerteschaltung (SP- A) so ausgebildet ist, dass das Umschalten von e auf den anderen Primärstromkreis in den Schaltpausen erfolgt .
Stromversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Steuerschaltung (PWM) zur Steuerung des zweiten
Schaltelementes mit dem zweiten Schaltelement (M2) verbunden ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spannungsauswerteschaltung (SP-A) einen Verstärker umfasst, mit welchem beim Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis der Stromvorgabewert
entsprechend geändert werden kann.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärstromkreis eine
Strommesseinrichtung mit einem ersten
Strommesswiderstand (Rl) vorgesehen ist, welcher beim Schalten des ersten (Ml) oder des zweiten
Schaltelementes (M2) von Strom durchflössen ist, dass im ersten Primärstromkreis ein zweiter Strommesswiderstand (R2) vorgesehen ist, der nur beim Schalten des ersten Schaltelementes (Ml) von Strom durchflössen ist und der so dimensioniert ist, dass der von der Steuerschaltung (PWM) erfasste Spannungsabfall an den
Strommesswiderständen (R1,R2) beim Schalten des ersten Schaltelements (Ml) gleich groß ist wie beim Schalten des zweiten Schaltelements (M2) .
7. Stromversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spannungsauswerteschaltung (SP-A) so ausgebildet ist, dass das Umschalten von einem auf den anderen
Primärstromkreis graduell erfolgt, indem abwechselnd der eine und der andere Primärstromkreis für einen oder mehrere Schaltzyklen geschaltet wird, wobei sich die Anzahl der Schaltzyklen des einen Primärstromkreises verringert und sich die Anzahl der Schaltzyklen des anderen Primärstromkreises erhöht.
Stromversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode (Dl) zwischen Primärwicklung (L1,L2) und erstem Schaltelement (Ml) vorgesehen ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stromversorgungseinheit als Eintakt-Flusswandler ausgebildet ist, wobei eine parallel zur
Sekundärwicklung (L3) angeordnete Freilaufdiode
vorgesehen ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stromversorgungseinheit als Sperrwandler ausgebildet ist .
Verfahren zur getakteten Umwandlung einer
eingangsseitigen Wechsel- oder Gleichspannung (Uzwk) in eine ausgangsseitige Gleichspannung, unter Verwendung einer Stromversorgungseinheit mit galvanischer Trennung, mit einem ersten Primärstromkreis, der eine
Serienschaltung einer Primärwicklung (L1,L2) eines Transformators und eines ersten Schaltelementes (Ml) zur Impulsdauermodulation der Spannung an der Primärwicklung umfasst sowie eine erste Steuerschaltung (PWM) zur Steuerung des ersten Schaltelementes (Ml), mit zumindest einem Sekundärstromkreis, der eine
Sekundärwicklung (L3) des Transformators und einen parallel zu einer Ausgangsgleichspannung (Ua) des
Sekundärstromkreises liegenden Glättungskondensator (Cl) umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Primärstromkreis vorgesehen ist, der eine Serienschaltung eines Teils (LI) der Primärwicklung und eines zweiten Schaltelementes (M2) zur
Impulsdauermodulation der Spannung an diesem Teil (LI) der Primärwicklung umfasst, und
dass eine Spannungsauswerteschaltung (S-PA) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit von der Höhe der
Eingangsspannung (Uzwk) entweder das erste (Ml) oder das zweite Schaltelement (M2) für den nächsten Schaltzyklus schaltet .
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten von einem auf den anderen
Primärstromkreis in den Schaltpausen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spannungsauswerteschaltung (S- PA) einen Verstärker umfasst, mit welchem beim
Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis der Stromvorgabewert entsprechend geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten von einem auf den anderen Primärstromkreis graduell erfolgt, indem abwechselnd der eine und der andere Primärstromkreis für einen oder mehrere Schaltzyklen geschaltet wird, wobei sich die Anzahl der Schaltzyklen des einen
Primärstromkreises verringert und sich die Anzahl der Schaltzyklen des anderen Primärstromkreises erhöht. Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst, das direkt in einen Prozessor einer
Stromversorgungseinheit ladbar ist, mit Programm- Mitteln, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 auszuführen, wenn das Programm vom Prozessor ausgeführt wird.
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