DE1638310A1 - Gleichspannungs-Durchflusswandler - Google Patents

Description

• GleiaheRanaMga-DurchtluBwandler Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Durchflugwandler unter Verwendung von zwei Schalttransistoren, die den HauptUbertrager abwechselnd mit dem positiven und dem negativen Pol der Speisespannung verbinden.
• Bei bekannten Durchfluß-Wandlern wird mit Hilfe von zwei Transistoren die Eingangsgleichspannung in eine rechteektörtnige Wechselsparnung umgeformt, die üblicherweise direkt dem Haupttransformator zugefUhrt wird. Die rechteckförmige Sekundärspannung wird wieder gleichgerichteIG. Die RUckkopplung erfolgt entweder über zusätzliche Rdokkoppelungswicklungen des Haupttranstormators (bekannt z.B. aus "Ionen und Elektronen" 1959 " Hefte 8 u. g» Aufsatz GERLACH u. KELIER mGegentakt-Spannungseandler mit Tranalstoren* z.B. Abb. 12a bzw. Abb. 13 und Abb. 12e bzw. Abb. 18) oder Uber einen dem Haupttranstormator parallel geschalteten

  Steuertraneformator (Eleetriaal Design News, Apr11 1957r 3.28).

  AusflIhrungsformen mit mittelangezaptem Tr=aA"ormator imterschei-

  den sich von solchen mit nicht angezapftem Tranzforünator - wie

  die entsprechenden im wezentlIahen nur dadurch#

  daß ihre Schalttren21storen r-,L"-,2b halben utur doppe.1.-

  ten Strömen ai,#beiten. Dle Pieureu 1 Ms 3 zeigen 2rInzipechalt-

  bild2r dreier bekanntsr

  Fig. 2 einen. und

  Fig. 3 einen Gegentaktdurchflußwandier mit nicht angezapfter PrimärKleklung 31 und einen Gleichstrom-Trennkondensator 31, dessen Widerstand bei der BetrIebsfrequenz wesentlich geringer Ist als ein Streuwiderstand der Primärwicklung 30, so daß er fUr die Detriebetrequenz nicht In Erscheinung tritt.
• Die bekannten Durchflußwandler können bei relativ geringem Auf- wand hohe Uistungen Ubertragen, die SpannungsUbernetzung Ist weitgehend unabhängig von der Sekundärbelastung und taut-ausschließlich durch das Übersetzungsverhältnis festgelegt. Daraus ergeben sich aber für verschiedene Anwendungen folgende entscheidende Nachteile: Bei Durchflußwandlern besteht keine Überlastungs- bzw. Kurzschluß-Sicherheit und keine Regelbarkeit der Spannungsübersetzung. Bei Ihnen verursachen die Speichereigen3chatten der Halbleiter sowie die Ubertrager-Kapazitäten und Streuinduktivitäten bei jeder Umschaltung eine zusätzliche Spannungs- und Strombelastung sowie Verluste, was sich umso nachteiliger auswirkt, je höher d16 Frequenz des Wandlers gewählt wird.

  Im Gegensatz zu den Durchflußwandlern ßind die bekannten Sperr-

  wandler kurzschlußtent und durch geeigAnete Beeinflussung der

  In Ihrer 3zarnungsUbernetzung regelbar.

  Sie woisen fjüCzctt als Nechtelle besenders hohe Transistor-Be-

  lastungen und- -Verluste---- auf2 "fell 1,tiel# der Translator jeweils

  im AuZeiiblick- e#eg,:, ebkeacheltet wird und Infolge

  c'er der debel theoretisch

  ?tuftretende Wert der weit, Ubern-chritten verden

  kann. Gefab#r f'üz, einen Trilrehbruch den Schalt-

  transistors ist deshalb beim Sperrwandler in besonderem Maße gegeben, weshalb er tUr hohe Leistungen und Frequenzen wenig geeignet ist. Die Erfindung bezweckt, die Vorteile beider Wandiertypen (hohe Durchgangsleistung sowie Regel- und Kurzi3ohluiRMhigkeit).zu vereinigen und deren Nachteile bezUglich der Umschaltverluste und der erhöhten Anforderungen bzw. Gefahren berUglich einen Sekundärdurchbruches der Transistoren zu vermeiden. Die Erfindung vermeidet die zuletzt genannten Nachteile dadurch» daß zwischen den Transistor-Umschalter und den HauptUbertrager ein auf die Umschaltfrequenz abgestimmter Reihenschwingkreis längs eingeschaltet Ist. Dadurch wird der Schwingstrom nahezu einusförmig, so daß die Umschaltung der Transistoren im Nulldurchgang des Stromes durchgefUhrt werden kann. Die Streuinduktivitgt den Übertragers kam in die Induktivität des Reihenschwingkreisen einbezogen werden und wird damit wirkungslos. Dabei empfiehlt es sich9 daß die Induktivität den

  Z4UZ

  Beihenschwingkreisefflurch die Streuinduktivität den HauptUber-

  tragers gebildet wird. Hierdurch entfällt nicht nur der Aufwand

  fUr die zusätzliche Induktivität, sondern es werden vor allem ausgezeichnete Werte fUr die Abschirmung und Isolation zwischen Primär- und Sekundärkrein des Wandlern möglich, weil man nicht auf einen streuarmen Aufbau den HauptUbertragers achten muß.
• Es Ist tUr die Ansteuerung der Transistoren vorteilhaft, daß zwischen Transistor-Schalter und HauptUbertrager zusätzlich ein SteuerUbertrager längs eingeschaltet Ist. Das Übersetzungsverhältnis dieses Übertragers wird zweckmäßig nach der vorkommenden kleinsten StromverstRrkung der Schalttrannistoren bemessen (z.B. 3..-10), wodurch diese bei allen Momentanwerten den Schwingstromei stets Im Sättigungsbereich bleiben. Theoretisch wird dabei der jewolls eingeschaltete Transistor im nächsten Nulldurchgang des Stromes wieder abgeschaltet. Die praktisch stets vorhandene Speicherzeit der Transistoren wUrde ein*verspätetes Abschalten den jeweils leitenden Transistors, ein Absinken der Frequenz Unter die Eigenfrequenz den Beihenschwingkreiaes und damit ein - gegenüber dem Strom-Nulldurchgang - verspätetes Umschalten zur Folge haben. Diese unerwünschte Erscheinung kann durch eine Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden werden, daß - die Induktivität des SteuerUbertragers und gegebenenfalls seine Parallelkanazität so bemessen sind, daß sich in Verbindung mit den Speichereigenschaften der Transistoren die gewünschte Sehwingfrequenz einstellt, auf die der Reihenschwingkreis abgestimmt ist. Der bis jetzt geschilderte Wandler vermeidet zwar die Nachteile bezüglich der hohen Umschaltverluste un1 der Gefahr einen sekmdären Durchbruchesi, und er reduziert infolge des einusförMigen Verlaufen der primären und sekundären Ströme die schädliche Wirkung der Speicherzeiten, weshalb er eine hohe Zuverlässigkeit und einen hohen Wirkungsgrad auch bei hohen Betriebespannungen und hohen Umschaltfrequenzen aufweist. Jedoch ist der Wandler bisher weder kurzschlußtent noch regelbar, weil der Schwingstrom bzw. die Schwingspannung an den Elementen des Reihenschwingungekreises sich bei Überlastung oder Kurzschluß unbegrenzt auf.
• schaukeln können. Die Kurzschlußtentigkeit den Wandlers kann nach einer Weiterbildun# der Erfindung dadurch erreicht worden., daß der Reibenschwingkreis so bemessen Ist, daß bei der größten zulässigen Sekundärbelastung die Spitzen-Spitzenspannung am Schlwingkreiskondensator gerade gleich Ist wie die kleinstmögliche Spannung der Betriebaspannungsquelle und daß mit Hilfe von zwei Begrenzerdioden die Spitzen-Spitzenspannung des Kondensators auf den Wert der Jeweiligen Betriebsspannung begrenzt wird. Dadurch kann ein unbegrenztes Aufschaukeln der Schwingspannung vermieden werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beseitigt ein Im Überlastungsfalle auftretenden'starkei3 Absinken der Frequenz dadurch, daß zwischen dem Schwingkreiekondensator und den Begrenzerdioden zusätzlich eine Spule längs eingeschaltet wird, deren Induktivität etwa mit der Induktivität den Reihenschwingungskreines UbereInstimmt. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, den Wandler dadurch regelfähig zu machen, daß parallel zum Kondensator des Reihenschwingungskreisen zusätzlich eine steuerbare Induktivität# Insbesondere ein Tranaduktor" eingeschaltet Ist. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Wandler unter Ausnutzung seiner Kurzschlufifestigkeit auch dadurch geregelt worden, daß der Wandler sekundär- bzw. ausgangsseitig periodisch mittels einen gesteuerten, von einem Transistor gebildeten Schaltern jeweils während einen Teilen einer Stromhalbperlode kurzgeschlossen wird, der mit dem Stromnulldurohgang endet und dessen Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gesteuert wird. - Die Erfindung und Ihre Weiterbildungen sind in den Figuren 4 bis "'0 anhand mehrerer AusfUhrungsbeispiele dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 4 ein Schaltbild einen ersten AusfUhrungabeispiels, Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Schaltbild eines zweiten, kurzschlußtenten Ausführungsbeispiels,-Fig. 6 einen Ausschnitt aus-einem Schaltbild eines dritten AusfUhrungsbeispiels, das Im Uberlastungsfalle die normale Umschaltfrequenz beibehält" Fig. 7 einen Ausschnitt aus einem Schaltbild einen vierten AusfUhrungsbeispiels, bei dem die Ausgangsspannung mittels eines Transduktors regelbar Ist, Fig. 8 Belastungs- bzw. Regelkennlinien der Anordnungen gemäß Fig. 6 bzw. 7, Fig. 9 ein Schaltbild eines fUnften AusfUhrungsbeispiels, bei dem die Ausgangsspannung mittels einen periodisch betätigten.. sekundärseitig am rAstatromkreie angreifenden Kurzschlußschalters geregelt wird und Fig. 10 ein Schaltbild einen sechsten AusfUhrungebeispieles" bei dem die Ausgangsspannung mittels einen periodisch be- tätigten Kurzschlußschalters geregelt wird, der auf einen besonderen Sekundirstromkrein einwirkt. Beim ersten AusfUhrwenbe:L$Pi01 liegt ein erster Anschluß der PrimXrwicklung 40 des HauptUbertragers Uber eine Primärwicklung 41 einen Steuerübertragern am Verbindungspunkt des Köllektors einen Quertrannistors 42 und den Emittern einen lEngstransistors 4,3, deren Basis-Emitterstrecken jeweils mit einer von zwei Sekundärwicklungen den SteuerUbertragers verbunden sind und abwechselnd aungesteuert, werden. Der Kollektor den Ungstran istors 43 Ist It dem einen und der Emitter den Quertrannistorn 42 ist mit dem anderen Anschluß einer-Betriebaspannungsquelle 44 verbunden. Ein zweiter Anschluß der Primärwicklung 40 des HauptUbertra«ern liegt Uber einen Schwingkreinkondensator 45, der zusam»n mit der körperlich nicht besonders ausgebildeten Streuinduktivität 40a des Hauptübertragers auf die Umschaltfrequenz des Wandlers abgestimut ist, an dem masseseitigen Anschluß der Betriebespannungsquelle 44. Der HauptUbertrager weist einen primärseitigen Schutzschirm 46, der mit dem masseseitigen Anschluß der Betriebsspannungequelle 44 verbunden ist., und einen sekundärseitigen Schutzschirm 47 auf* der mit den masseseitigen Anschlüssen der sekundären Stromkreise 48949 verbunden ist. Die Schlitzschirme 46 und-47 sowief-nicht näher dargestellte Isolierschichten sind reichlich dimensioniert, da die dadurch hervorgerufene große Streuinduktivität 40a der Primlärwicklung 40 nicht stört. Beim zweiten AusfUhrungsbeispiel ist der Verbindungepunkt zweler gleichsinnig In Reihe geschalteter Und In Sperrichtung an der Betriebsspannungsquelle 50 liegender Begrenzerdiode 51, 52 mit dem Verbindungspunkt den Schwingkreinkonderwators 53 und der Primg.rwicklung 94 bzw. deren Im Ersatzschaltbild In Erscheinung tretenden StreuinduktivitXt 54a verbunden. Auf diese Weine kann die Spitzen-Spitzenspa:mung am Schwingkreinkondensator 53 höchstens den Wert der jeweiligen Betriebsapannung a mehmen. Der Reihenschwingkreis 53, 54a ist so bemessen, daß bei der größten zulässigen Bekundärbelastung die Spitzen-Spitzenspamung am Schwingkreinkondensator 53 gerade gleich Ist wie die kleinstmögliche Spannung der Betriebaspannungsquelle 50. Im Überlastungsfall wirken die Begrenzerdioden 51, 52 als parallel zum Schwingkreinkondensator 53 liegende reelle Widerstände" die ein Ab- sinken der Umschaltfrequenz zur Folge haben.
• Beim dritten AusfUhrungübeispiel Ist zwiaohen den Verbindunfflpunkt der beiden Begrenzerdioden 60, 61 und den Verbindungspunkt des Schwingkreinkondensators 62 mit der SobwingkreiniMuktivität 63a eine zusätzliche Spule 64 längs eimenahaltet, deren Induktivität etwa der Schwingkreisinduktivität 63a entspricht. Damit ergIbt sich im Uberlastungefalle eine gleichbleibende Umschaltfrequenz" weil die im Reihenschwinomein wirksam Kapazität unabhängig vom Jeweiligen ohmschen, Widerstand der Begremer. dioden einen konstanten Wert beibehält. Der Wandler weist eine Belastungskennlinie auf, die Innerhalb eines Betriebsbereichen den Ausgangsstroms einen Ast 80 init konstanter Ausgangsspannung 81 hat$ der an seinem Ende bei Erreichen einen maximalen Ausgangsstromes 82 in einen dazu senkrecht verlaufenden Ast 83 mit nach Null gehender AusgangsspannUng Ubergeht. Damit ist der Wandler kurzschlußfähig. Beim vierten AusfUhrungebeispiel Ist dem SchwingkreiokoW«-sator 70 Uber einen Gleichstrom-Trennkondensator 71 zumätzliob eine steuerbare Induktivität-72 parallel geschaltet. 39 handelt sich dabei um einen Tranaduktor" dessen Steuerwicklung nicht besonders dargestellt Ist. Die steuerbare Induktivitigt 72 be- wirkt, daß ein Teil des durch die Sohwingkreinkapazität 70 fließenden Schwingstromes nicht Uber die Primärwicklung 73" 73a des HauptUbertragers fließt. In Abhäffligkeit von der jeweiligen Größe der zusätzlichen steuerbaren Induktivität 72 ergeben sich dabei Im Eelastungskennlinienfeld parallel zueinander verschobene senkrechte Xste 84. -91-- Beim flUnften Ausführungebeispiel liegen unmittelbar am Gleichepannungsausgang einen von einer Last-Sekundämicklung 90 gespei. sten Lastgleichrichters 91 die Mitter-Kollektoretrecke eines Transistors 92 und über eine der Entkopplung dienende Diode 93 die Parallelschaltung einen Iondekondensators 94 und der Last 95. Der Transistor 92 bildet einen periodisch von einem Steuergerkt 96 betgtigten Schalter., der jeweils während einen Teilen einer strom. halbperiode geschlossen ist, der mit dem Strormulldurchgang endet und dessen Dauer von der Abwelohung einen Iatworten von einem Sollwert der Ausgangespannung bestimmt wird. Von dem aus dem HauptUbertrager herauntließenden Gesamtstrom wird also vom Transistorquersichalter 92 Immer so viel Ubernommen.. daß an der vom restlichen Strom durchflossenen Last 95 die Spannung konntant bleibt. £In in der masseseitigen Rückleitung des Gleichspannungsausgangs liegender FUhlwiderstand 97 dient der Bestimmung des Stronnulldurchganges. Die beim füntten AustUhrungäbeispiel angewandte Art der Regelung" die sich die Nurzschlußtentigkeit den Wandlers zunutze macht# hat wie die primtraeitige Regel ung mittels einen Tranaduktors den Vorteil der praktischen Verluntfreiheit. GegenMer der Regelung mit einem Tranaduktor besteht hier noch der weitere Vorteil" daß der Regler auf der Sekundärselte angreift, auf der auch der ßpannungsvergleich vorgenommen wird., so daß wesentliche Erleichterungen bezUglich Schutziaolation und Boohtreqt!enzst?Jrufflen gegeben sind.
• Beim aechsten AusfUhrungebeispiel liefert der glolohnpommm aaungang eine kleine Ausgangsspannung an die Last 100. Damit der

  als Querregler dienende Schalttransistor 101 In einen fUr seinen

  Betrieb gUnstigen Strom- und Spannungebereich arbeiten kamn"

  greift *er an einer besonderen Sekundärwicklung 102 mit Gleioh-

  richtern 103 an. Das Steuergerät 104 fM1t die an der Last 100

  stehende Ausgangsspannung abi und der Stromulldurohgmg wird

  an einem in der masseseitigen Rückleitung der besonderen SekundXr-

  wicklung 102 liegenden FUhlwiderstand 105 abgegriffen» da während

  der Schließzeit des Sohalttrannistors 101 der die Last 100

  speisende Gleichrichter keinen Strom fUhrt.

Claims (2)

1. PatentansprUche 1. Gleichspannungs-Durchflußwandler unter Verwendung von.Zwei Schälttransistoren, die den HauptUbertrager wechselweine mit dem positiven oder negativen Pol der Speinespannung verbinden, dadurchgekennzeichnet, daß zwischen den Transistor-Umschalter (42,43) und den Hauptübertrager (40) ein auf die Umschaltfrequenz abgestimmter Reihenschwingkrein (45,40a) längs-eingeschaltet Ist.
2. 2. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitgt den Reihenschwingkreises (45,40a) durch die Streuinduktivität (40a) des Hauptübertragers (40) gebildet wird. 3. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Transistor-Schalter (42943) und HauptUbertrager (40) zusätzlich ein SteuerUbertrager (41) längs eingeschaltet ist. 4. Gleich8Dannungs-Durchflußwandler nach den Ansorüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die InduktiVität des Steuer-Ubertragers (41) und gegebenenfalls seine Parallelkapazität so bemessen sind, daß sich In Verbindung mit den Speichereigenschatten der Transistoren (42.43) die gewUnschte Umschalttrequenz einstellt, auf die der ReihenGehwingkrein (45940a) abgestimmt ist. 5. Gleichs13annungs-Durchflußwandler nach Annuruch 1, dadurch ge':ennzeichnet, daß der Beihenschwingkreis (53,54a) so 1. bemessen ist, daß bei der größten zulässigen Sekundärbelastung die Soitzen-Soltzenspamung am Schwingkreinkondensator (45) gerade gleich ist wie die kleinstaftliche Dpamvmg der Betriebssoannungsquelle (50) und daß mit Hilfe von zwei Begrenzerdioden (51.,52) die Spitzen-Spitzensommung den Kondensators (53) auf den Wert der jeweiligen Betriebennannung begrenzt wird. 6. Uleichsoannungs-burchflußwandler nach An»ruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwingkreiskondensator (62) und den Begrenzerdioden (60,61) zusätzlich eine sDule (64) längs eingeschaltet Ist , deren Induktivität etwa mit der Induktivität (63a) des Rethenschwingungskreinen übereiristimmt. 7. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 1 und % bzw. 1 und 6" dadurch gekennzeichnet" daß parallel zum Kondensator (70) den Reihenschwingungskreines (70973a) zusätzlich eine steuerbare InduktivitXt (72), insbesondere ein Tranaduktor, eingeschaltet Ist. 8. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler sekundär- bzw. ausgangsseitig periodisch mittels einen gesteuerten, von einem Transistor (92) gebildeten Schaltern jeweils während einen Teiles einer Stromhalbuerlode kurzgeschlossen wird, der mit dem Stromnulldurchgang endet und dessen Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gesteuert wird. g. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 8.. dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (101) eine besondere Sekundärwicklung (102) kurzschließt. 10. Gleichspannungs-Durchflußwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schalter bildende Transistor (92) up-mittelbar den Gleichspannungeausgang einen von einer Last-Sekundärwicklung (90) gespeisten Lastgleichrichtern (91) kurzschließt und der Gleichspannungsausgang Uber eine wUhrend den Kürzschlusses entkoppelnde Diode (93) mit einem parallel zur Last (95) liegenden Ladekondensator (94) verbunden ist.