DE10041475A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Abstract

Das Schaltnetzteil weist ein Speicherkondensator (C1), einen Transformator (TR) mit einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, sowie einen Schalttransistor (T1) auf, der in Serie zu der Primärwicklung geschaltet ist. Die Primärwicklung ist hierbei in Teilwicklungen (W1a, W1b) mit mindestens einem Abgriff (A) unterteilt, und als Dämpfungsnetzwerk ist eine Kapazität (C2, C3) jeweils parallel zu Teilwicklungen, vorzugsweise zu jeder Teilwicklung (W1a, W1b), angeordnet. Die Windungszahlen der Teilwicklungen sowie die Kapazitäten der parallel zu den Teilwicklungen angeordneten Kondensatoren sind derart gewählt, daß die beim Abschalten des Schalttransistors entstehenden Schwingungen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen und sich hierdurch teilweise auslöschen. Dies führt zu einer effektiven Dämpfung der Abschaltspannung (U2) über dem Schalttransitor. Da die Kondensatoren (C2, C3) in Serie geschaltet sind, ist die effektive Gesamtkapazität klein, so daß der resultierende Entladestrom im Einschaltzeitpunkt des Schalttransistors vergleichsweise gering ist. Als Transformator kann insbesondere ein Kammertransformator verwendet werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltnetzteil mit einem Speicherkondensator, einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, und mit einem Schalttransistor, der in Serie zu der Primärwicklung geschaltet ist. Schaltnetzteile dieser Art finden insbesondere Verwendung als Sperrwandler in Geräten der Unterhaltungselektronik, wie beispielsweise in Fernsehgeräten und Videorekordern.

Der in einem derartigen Schaltnetzteil verwendete Schalttransistor wird in einem Schalterbetrieb mit möglichst kurzen Durchschalt- und Sperrzeiten verwendet, um die Verluste in dem Schalttransistor möglichst gering zu halten. Durch die hierbei entstehenden Stromunterbrechungen im Sperrzeitpunkt und das hierdurch bewirkte hohe di/dt entsteht durch die Induktivitäten des Transformators zu Beginn der Sperrphase des Schaltnetzteiles über dem Schalttransistor eine hohe Spannungsspitze, die erheblich über den durch den Speicherkondensator vorgegebenen stationären Spannungswert hinaus geht. Bei einem Betrieb des Schaltnetzteiles an dem 230 Volt Wechselstromnetz können hierdurch Spannungsspitzen bis zu 1000 V entstehen, die eine Gefährdung für den Schalttransistor darstellen, beziehungsweise dieser muß für diesen Spannungsbereich entsprechend ausgelegt sein.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, ein Dämpfungsnetzwerk, auch Snubber-Netzwerk genannt, vorzusehen, das diese Spannungsspitzen zumindest teilweise unterdrückt. Ein häufig verwendetes Dämpfungsnetzwerk dieser Art ist beispielsweise aus der DE 40 29 221 A1 bekannt. Hier ist parallel zu der Primärwicklung des Transformators ein Netzwerk, bestehend aus einem Kondensator in Serie zu einer Diode, zu der ein Widerstand parallel geschaltet ist, angeordnet. Durch dieses Dämpfungsnetzwerk wird die an dem Schalttransistor entstehende Spannungsspitze zumindest teilweise durch den Kondensator unterdrückt bzw. gespeichert und anschließend über die Diode an den Speicherkondensator abgeführt oder über den Widerstand verbraucht bei der Entladung des Kondensators.

Bei kleineren Schaltnetzteilen ist es auch bekannt, als Dämpfungsnetzwerk nur einen Kondensator parallel zur Primärwicklung zu verwenden. Diese Schaltungsvariante führt jedoch zu einer höheren Strombelastung des Schalttransistors im Einschaltzeitpunkt. Weitere Schaltungsvarianten zur Dämpfung von Spannungsspitzen sind beispielsweise aus der EP-A-0 279 335 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dämpfungsnetzwerk für ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben, das nur wenige Bauteile aufweist und das zu geringen Verlusten in dem Schaltnetzteil führt.

Diese Aufgabe wird für ein Schaltnetzteil durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Schaltnetzteil nach der Erfindung weist ein Speicherkondensator, einen Transformator mit einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, sowie einen Schaltransistor auf, der in Serie zur der Primärwicklung geschaltet ist. Die Primärwicklung ist hierbei in Teilwicklungen mit mindestens einem Abgriff unterteilt, und als Dämpfungsnetzwerk ist eine Kapazität jeweils parallel einer Teilwicklung, vorzugsweise zu jeder Teilwicklung, angeordnet. Durch diese Maßnahme werden die Teilwicklungen einer Primärwicklung einzeln bedämpft, und nicht die Primärwicklung als solche.

Die Windungszahlen der Teilwicklungen sowie die Kapazitäten der parallel zu den Teilwicklungen angeordneten Kondensatoren sind vorteilhafterweise derart gewählt, daß die beim Abschalten des Schalttransistors entstehenden Schwingungen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen und sich hierdurch zumindest teilweise auslöschen. Dies führt zu einer effektiven Dämpfung der Abschaltspannung über dem Schaltransistor. Da die Kondensatoren hierbei in Serie geschaltet sind, ist die resultierende Gesamtkapazität jedoch klein, so daß der betreffende Entladestrom im Einschaltzeitpunkt des Schaltransistors vergleichsweise gering ist.

Als Transformator kann insbesondere ein sogenannter Kammertransformator verwendet werden, wie beispielsweise aus der EP-A-0 071 008 bekannt, bei dem die Primärwicklung in Teilwicklungen, die in einzelnen Kammern eines Spulenkörpers angeordnet sind, unterteilt ist, und daher ohne besonderen Aufwand ein Abgriff zu jeder Teilwicklung herausgeführt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Schaltnetzteiles nach dem Sperrwandlerprinzip,

Fig. 2 ein Spannungs- und Stromdiagramm eines Schaltnetzteiles nach der Fig. 1, und

Fig. 3 ein Spannungs-Stromdiagramm eines Schaltnetzteiles mit nur einem Kondensator parallel zur Primärwicklung nach dem Stand der Technik.

Das Schaltnetzteil nach der Fig. 1 weist ein Speicherkondensator C1 auf, der mit einer Primärwicklung eines Transformators TR verbunden ist und dessen Spannung U1 bzw. Ladung die erforderliche Leistung für das Schaltnetzteil bereitstellt. Die Primärwicklung, die in Serie zu den Stromanschlüssen 1 und 2 eines Schalttransistors T1 liegt, ist hierbei in zwei Teilwicklungen W1a und W1b unterteilt und weist einen Abgriff A auf zwischen den beiden Teilwicklungen W1a und W1b. Zu diesen beiden Teilwicklungen W1a, W1b ist jeweils ein Kondensator C2 bzw. C3 parallel geschaltet als Dämpfungsnetzwerk.

Der Transformator TR weist eine sekundärseitige Wicklung W2 auf zur Versorgung eines Verbrauchers; in praktischen Ausführungsformen enthält er üblicherweise weitere Sekundärwicklungen sowie primärseitige Hilfswicklungen für den Betrieb des Schaltnetzteiles. Beim Betrieb des Schaltnetzteiles an dem 230 V Leitungsnetz ist er mit Netztrennung ausgeführt. Hierbei ist der Speicherkondensator C1 über einen Gleichrichter mit dem Leitungsnetz verbunden zur Stromversorgung des Schaltnetzteiles. Das Schaltnetzteil kann jedoch auch mit einem Transformator ohne Netztrennung versehen sein, beispielsweise bei Verwendung als DC-DC Konverter in Verbindung mit einer Batterie.

Der Transformator TR ist insbesondere ein Kammertransformator, wie aus der EP-A-0 071 008 bekannt, dessen Primärwicklung und Sekundärwicklung in mehrere Teilwicklungen, die in Kammern eines Kammerspulenkörpers liegen, aufgeteilt sind, wobei die primärseitigen und die sekundärseitigen Teilwicklungen ineinander verschachtelt sind. Die Kapazitäten der Kondensatoren C2, C3 betragen in diesem Ausführungsbeispiel 2,2 nF und 1 nF.

Der Schaltransistor T1 arbeitet in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als Sperrwandler, auch Flyback-Converter genannt, und wird auf bekannte Weise über einen Steueranschluß 3 von einer Treiberstufe D angesteuert. Der Schalttransistor T1 ist hier insbesondere ein MOSFET.

Die Kondensatoren C2 und C3 des Dämpfungsnetzwerkes bilden hier mit den betreffenden Teilwicklungen W1a, W1b voneinander unabhängige schwingungsfähige Systeme, die beim Abschalten des Schaltransistors T1 angeregt werden. Da der Schaltransistor T1 in der Leitendphase über die Primärwicklung W1a, W1b aus dem Speicherkondensator C1 einen entsprechenden Strom zieht, werden beim Abschalten des Schalttransistors T1 die Kondensatoren C2 und C3 durch die Induktivitäten der betreffenden Teilwicklungen W1a und W1b aufgeladen. Die an dem Eingang 1 des Schalttransistors T1 anstehende Spannung U2 ergibt sich hierdurch aus der Addition der über den Kondensatoren C2 und C3 anstehenden Spannungen in Bezug auf die Spannung U1 über dem Speicherkondensator C1. Die beiden Resonanzen des Dämpfungsnetzwerkes sind hierbei derart gewählt, daß sich die Schwingungen gegenseitig auslöschen, beispielsweise, wenn das Verhältnis der Resonanzfrequenzen 1 : 3 beträgt, so daß eine effektive Schwingungsdämpfung gewährleistet ist. Da die Kondensatoren C2 und C3 in Serie geschaltet sind, ist die Gesamtkapazität des Dämpfungsnetzwerkes relativ klein, so daß auch der Entladestrom im Zeitpunkt des Einschaltens des Transistors T1 relativ gering ist.

Das Verhalten des Dämpfungsnetzwerkes wird anhand von Strom- Spannungsdiagrammen, wie in der Fig. 2 dagestellt, nun näher erläutert. Kanal 1, CH1, zeigt hierbei die an dem Drainanschluß 1 des Schalttransistors T1 anliegende Spannung U2 und in Kanal 4, CH4, den Strom durch den Schalttransistor im Normalbetrieb des Schaltnetzteiles. In den Zeitpunkten t1 und t3 wird der Schalttransistor jeweils durchgesteuert und in Zeitpunkten t2 und t4 jeweils gesperrt.

Zu den Zeitpunkten t1 und t3 entsteht beim Einschalten des Schalttransistors T1 durch das Entladen der beiden Kondensatoren C2 und C3 ein entsprechender Stromstoß I1, siehe Kanal CH4. Anschließend steigt der Strom durch den Schalttransistor kontinuierlich an, entsprechend der Induktivität des Transformators TR. In den Zeitpunkten t2 und t4, wenn der Schalttransistor gesperrt wird, fällt der Strom jeweils auf Null ab. Die Spannung U2 steigt dementsprechend an den Zeitpunkten t2 und t4 steil an und schwingt anschließend langsam aus. Im ersten Peak ist hierbei deutlich ein Einbruch zu erkennen, der durch die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen verursacht wird. Der Peak ist verhältnismäßig klein und stellt keine Gefährdung des Schalttransistors dar. Als Schalttransistor kann daher ein Typ mit einer entsprechend geringen Spannungs­ festigkeit gewählt werden.

In der Fig. 3 sind entsprechende Strom- und Spannungsverhältnisse für ein Dämpfungsnetzwerk, das nur einen Kondensator parallel zur Primärwicklung, wie nach dem Stand der Technik bekannt, aufweist. Der Kondensator weist hierbei eine Kapazität von 2,2 nF auf. Der Spannungspeak U4 ist hier in der Höhe vergleichbar mit dem Spannungspeak U1, der Stromstoß I2 zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors, t1 und t3, ist jedoch erheblich höher und insbesondere erheblich breiter. Dies würde zu einer hohen Wärmebelastung des Schalttransistors führen, da in diesem Zeitbereich der Schalttransistor noch nicht voll durchgesteuert ist und daher an dem Stromanschluß 1 des Schalttransistors noch eine erhebliche Spannung ansteht, so daß das Strom-Spannungsprodukt vergleichsweise groß wäre.

Es läßt sich daher bereits mit einer Primärwicklung, die in nur zwei Teilwicklungen unterteilt ist, sowie einem zusätzlichen Kondensator ein effektives Dämpfungsnetzwerk angeben. Es benötigt insbesondere keinen Widerstand zum Entladen eines Kondensators, der überlicherweise für eine höhere Verlustleistung ausgelegt werden muß.

Das Schaltnetzteil der Fig. 1 weist einen Transformator mit zwei Teilwicklungen, sowie zwei parallel geschaltete Kondensatoren auf, es kann jedoch entsprechend auch mit einem Transformator mit mehr als zwei Teilwicklungen verwendet werden. Mit zwei Teilwicklungen eignet es sich insbesondere als Sperrwandler mit einem Leistungsbereich kleiner 100 Watt, mit einem MOSFET als Schalttransistor.

Claims (6)

1. Schaltnetzteil mit einem Speicherkondensator (C1), einem Transformator (TR) mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, und mit einem Schalttransistor (T1) in Serie zu der Primärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung in Teilwicklungen (W1a, W1b) mit mindestens einem Abgriff (A) unterteilt ist, und daß zu zumindest zwei Teilwicklungen (W1a, W1b) jeweils ein Kondensator (C2, C3) parallel geschaltet ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der beiden Kondensatoren (C2, C3) sowie die Windungszahlen der beiden Teilwicklungen (W1a, W1b) derart gewählt sind, daß die beim Abschalten des Schalttransistors (T1) entstehenden Schwingungen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, so daß das erste Maximum einer Schwingung mit einem Minimum der zweiten Schwingung zusammenfällt.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zu der Teilwicklung (W1b) liegende Kondensator (C3), der mit dem Schalttransistor (T1) verbunden ist, kleiner ist als der zu der zweiten Teilwicklung (W1a) parallel geschaltete zweite Kondensator (C2).

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) zwei Teilwicklungen (W1a, W1b) und zwei Kondensatoren (C1, C2) aufweist, und daß die Kapazitäten der beiden Kondensatoren (C2, C3) sowie Windungszahlen der beiden die Teilwicklungen (W1a, W1b) derart gewählt sind, daß das Verhältnis der Resonanzfrequenzen in etwa 1 : 3 beträgt.

5. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) ein Kammertransformator ist, dessen primärseitige Teilwicklungen (W1a, W1b) mit einem Abgriff (A) herausgeführt sind.

6. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Sperrwandler mit einem MOSFET als Schalttransistor (T1) in einem Leistungsbereich kleiner 100 Watt arbeitet.