DE1638310B2

DE1638310B2 - Gleichspannungs gegentaktwandler

Info

Publication number: DE1638310B2
Application number: DE19681638310
Authority: DE
Inventors: Günther Dr.-Ing. 7412 Eningen; Baümann Heinz 7417 Dettingen Hoffmann
Original assignee: Wandel U. Goltermann, 7410 Reutlingen
Priority date: 1968-02-10
Filing date: 1968-02-10
Publication date: 1971-12-02
Also published as: DE1638310A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspan-Iiungs-Gegentaktwandler mit einer Reihenschaltung jius der Primärwicklung eines Hauptübertragers und fines auf die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandler abgestimmten Reihenschwingkreises und |nit zwei Schalttransistoren zur wechsehveisen Um- fchaliung des einen Pols der Reihenschaltung, deren linderer Pol mit einem der beiden Pole der Speiseipannungsquelle ständig verbunden ist, auf den posi- |iven und den negativen Pol der Speisespannungsquelle.

Ein derart aufgebauter Gleichspannungs-Wechsel-■pannungs-Gegentaktwandler ist aus der britischen !»atentschrift 959 550 bekannt. Dort wird mit Hilfe fön zwei Transistoren die Eingangsgleichspannung in eine rechteck form ige Wechselspannung umgeformt fnd durch den Serienschwingkreis ein nahezu sinusförmiger Strom im Hauptübertrager erzwungen, während dessen Mulldurchgängen die Umschaltung der Transistoren erfolgt. Wenn die Sekundärspannung wieder gleichgerichtet wird, wird in an sich durch die deutsche Zeitschrift »Ionen und Elektronen«, 1959, Heft 9, Seite 9 bis 13, bekannter Weise aus dem Gleichspannungs-Wechselspannungswandler ein Gleichspannungswandler.

Ein solcher Gleichspannungs-Gegentaktwandler hat nur geringe Umschaltverluste, und er reduziert infolge des sinusförmigen Verlaufs der primären und sekundären Ströme die schädliche Wirkung der HaIbleiter-Speicherzciten, weshalb er eine hohe Zuver-Lässigkeit und einen hohen W'/kungsgrad auch bei hohen Umschaltfrequenzen aufweist. Der gegenüber Wandlern mit rechteckförmigen·. Stromverlauf größere Aufwand an sekundären Siebmitteln fällt nicht ins Gewicht, wenn die Schwingfrequenz des Wandlers genügend hoch gewählt wird. Der bekannte Wandler kann bei relativ geringem Aufwand hohe Leistungen übertragen; die Spannimgsübersetzung ist weitgehend (unabhängig von der Sekundärleistung und fast ausschließlich durch das Übersetzungsverhältnis fest™.·- legt. Aus letzterem ergeben sich aber für verschiedene Anwendungen die entscheidenden Nachteile, daß keine Uberlastungs- oder Kurzschluß-Sicherheit besteht. Bei Überlastung oder Kurzschluß können fich der Schwingstrom und die Schwingspannung an den Elementen des Rcihcnschwingkreises unbegrenzt Aufschaukeln.

Im Gegensatz dazu sind die bekannten Spcrr-Kandler kurzschlußfest. Sie weisen jedoch als Nach- leilc besonders hohe Transistor-Belastungen und •Verluste auf, weil hier der Transistor jeweils im Augenblick des höchsten Stromes abgeschaltet wird lind infolge der Streuinduktivität des Übertragers der labci theoretisch auftretende Wert der Spcrrspan- iung weit überschritten werden kann. Die Gefahr für #incn sekundären Durchbriich des Schalttransistors Ist deshalb beim Spcrrwaiidler in besonderem Maße gegeben, weshalb er für hohe Leistungen und Frequenzen wenig geeignet ist.

Die Erfindung bezweckt, die Vorteile beider Wandlertypen (hohe Durchgangsleistung und geringe Verluste sowie Kurzschlußfähigkeit) zu vereinigen und die Nachteile der Sperrwandler betreffend die erhöhten Anforderungen bzw. Gefahren bezüglich eines Sekundärdurchbruches der Transistoren zu vermeiden.

Die Erfindung erreicht die Kurzschlußfähigkeit bei einem Gleichspannungs-Gegentaktwancller der eingangs genannten Art dadurch, daß der Reihenschwingkreis so bemessen ist, daß bei Nennbelastung des Gleichspannungswandlers dk Spitzenspannung am Schwingkreiskondensator gerade gleich der kleinstmöglichen Spannung der Speisespannungsquelle ist und daß der Schwingkreiskondensator auf derjenigen Seite der Reihenschaltung aus Hauptübertrager und Reihenschwingkreis angeordnet ist, deren Pol mit der Speisespannungsquelle ständig verbun-

den ist, und der von der Speisespannungsquelle abgewendete Pol des Schwingkreiskondensators mit dem Verbindungspunkt einer parallel zur Speisespannungsquelle geschalteten Reihenschaltung zweier für die Speisespannungsquelle in Sperrichtung gepolter

Begrenzerdioden verbunden ist. Hierdurch ergibt sich eine schaltungsmäßig äußerst einfache Überstrombegrenzung, durch die ein unbegienztes Aufschaukeln der Schwingspannung vermieden wird und die sich nach Verschwinden der Überlast selbsttätig und unverzögert wieder abschaltet.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein im Überlastungsfalle auftretendes starkes Absinken der Frequenz dadurch beseitigt, daß in der Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Veras bindungspunkt dir Begrenzerdioden zusätzlich eine Induktivität vorgesehen ist, deren Induktivitätswert etwa mit dem Induktivitätswert des Reihenschwingkreises übereinstimmt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, den

Wandler dadurch regelfähig zu machen, daß parallel zum Kondensator des Reihenschwingungskreises zusätzlich eine steuerbare Induktivität, insbesondere ein Transduktor, geschaltet ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Wandler unter Ausnutzung seiner Kurzschlußfestigkeit auch dadurch geregelt werden, daß ein weiterer Schalttransistor d'nrt vorgesehen und gesteuert ist. daß der Wandler sekundärseitig periodisch mittels des Schalttransistors während eines Teils jeder Stromhalbperiode kurzgeschlossen wird. der mit dem Stromnulldurchgang endet und dessen Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gesteuert wird.

Bei dieser Art der Regelung ergibt sich der Vorteil, daß sämtliche Elemente des Regelkreises sekundärseitig angeordnet sind, so daß die bei Anwendung der Schutzklasse II (Schutzisolation) sich stellenden erhöhten Forderungen an die Isolierung lediglich einmal zwischen der Primär- und der Sekimdärwicklung des Hauptübertragers auftreten und ohne besonderen Aufwand auch verwirklicht werden können, weil die bei einem Transformator mit relativ dicker Zwischcnisolation auftretende erhöhte Streuinduktivität ohne Nachtei¹ in die Induktivität des Reihensclnvingkreiseii cinbezogen werden und diese im Extremfall ersetzen kann.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend an Hand mehrerer Ausfiihrungsbeispicle, die in den Fig. I bis 6 dargestellt sind, erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fi g. 2 einen Ausschnitt au3 einem Schaltbild eines zweiten AusfUhiungsbeispiels, das im Oberlastungs-

6s ralle die normale Umschaltfrequcnz beibehält,

F i g. 3 einen Ausschnitt aus einem Schaltbild eines dritten Ausflihrungsbeispiels, bei dem die Ausgangsspamnung mittels eines Transduktor» regelbar ist,

V.

orcliu

Fie. 4 Belustungs- bzw. Regelkennlinien der An- wirksame Kapazität unabhängig \oni jeweiligen ohmoidiumwn gemäß Fig. 2 bzw. 3, sehen Widerstand der Begrenzerdiode!! einen kon-Fiü. :> ein Schaltbild eines vierten Ausführungs- stanten Wert Leibehält. Die Scliwingkreisinduktivitat beispids, hei dem die Ausgangsspuniumg mittels wird im zweiten Ausführungsbeispiel ausschließlich eines periodisch betätigten, sekundärseitig am Last- 5 von der Streuinduktivität des Hauptübertragers _() Stromkreis angreifenden Kurzschlußschalters geregelt gebildet. . . wird. Lind " Der Wandler weist eine Belastungskennhme Fi α. ή ein Schaltbild eines fünften Ausführungs- (Fig. 4) auf, die innerhalb eines Betnebsbereichs beispiels. bei dem die Ausgangsspannung mittels des Ausgangsstromes einen Ast 40 mit konstanter eiiK:, periodisch betätigten Kurzschlußschalters ee- io Ausganssspannung 41 hat, der an seinem Ende bei reseh wird, der auf einen besonderen Sekundär- Erreichen eines maximalen Ausgangsstromes 4_ in Stromkreis einwirkt. einen dazu senkrecht verlaufenden Ast 43 mit nach IkIm ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) liegt ein Null gehender Ausgangsspannung übergeht. Damit eisu-r Anschluß einer Primärwicklung 10 "eines ist der Wandler kurzschlußfähig. Hjin-iiÜbertragers über eine Primärwicklung 1 eines 15 Beim dritten Ausführungsbeispiel (Fig. -^) ist Sie·!-; Übertragers am Verbindungspunkt des Kollek- dem mit der Reiheninduktivität 30a zusammenartors .ines Schalttransistors 2 und des Emitters eines beitenden Schwingkreiskondensator 35 über einen Sclü'luransistors 3, deren Basis-Emitterstrecken je- Gleichstrom-TrennkondensaK- 34 α zusätzlich eine tt-c;!-, mit einer von zwei Sekundärwicklungen des steuerbare Induktivität 34 parallel geschaltet. Es han-Skucrübertrages verbunden sind und abwechselnd 20 delt sich dabei um einen Transduktor, dessen Steuer-,ui...,-steuci t werden. Der Kollektor dei Schalttran- wicklung nicht besonders dargestellt lit. Die steuer_si..tÖis3 ist mit dem einen und der Emitter des bare Induktivität 34 bewirkt, daß ein Teil des durch Sch:i!itransistors2 ist mit dem anderen Anschluß de Schwingkreiskondensator35 fließenden Schwingend Speisespannungsquelle 4 verbunden. Ein zwei- stromes nicht über die Primärwicklung30 des Haupt-U-" Anschluß der Primärwicklung 10 des Hauptüber- 25 Übertragers fließt. In Abhängigkeit von der jeweiligen tni· rs liegt über einen Schwinakreiskonclensator 5. Größe der zusätzlichen steuerbaren Induktivität 34 dc.^: zusammen mit einer Reiheninduktivität lOfl unter eraeben sich dabei im Beiastungsnennlinienlelci Einbeziehung der Streuinduktivität des Hauptüber- (Fig. 4) parallel zueinander verschobene senkrecht ii.ijrs auf die Umschaltfrequenz des Wandlers ab- Aste 44.

..oiimmt ist. an dem masseseitigen Anschluß der 30 Beim vierten Ausführungsbeispiel (Fig. !>) Hegen

S_r_isespannungsquel!e4. " unmittelbar am Gieiclispannungsausgang eines \on

' \\·χ Hauptübertrager weist einen primärseitisen einer Lastsekundärwicklung 50 gespeisten Lastglcici-

S.; iitzschimi. der mu dem masseseitigen Anschluß Hehlers 51 die Emilter-Kollektorstrecke eines Sc .au-

der Spei.sesf.annungsquelle4 vcrbunden'ist. und einen transistors 52 und über eine Emkopplur.gsdiocle sj sckiindärseitigen Schutzschirm auf. der mit den 35 die Parallelschaltung eines Ladekondensators 54 und

masseseitiiien Anschlüssen der Sekundärwicklungen 6. der Last 55.

7 des hauptübertrasers und damit der sekundären Der Schalttransistor 52 bildet einen periodisch von

Stromkreise 8. 9 verbunden ist. Die Schutzschirme einem Steuergerät 56 betätigten Schalter, der jeweils

s,nv ic nicht näher dargestellte Isolierschichten :-ind während eines Teils einer Stromhalbpcnodc gescniosreichlich dimensioniert? da die dadurch hervonieru- 40 sen ist. der mit dem Stromni-.lldurchgang endet und

f.-n- »roße Streuinduktivität der Primärwicklung 10 dessen Dauer von der Abweichung eines Istwertes

nicht \tört. Der Vcrbindungspunkt zweier eleichsm- von einem Sollwert der Ausgangsspannung bestimm'.

niu in Reihe geschalteter und in Sperrichtun- ar der wird. Von dem aus dem Hauptübertrager heraus-

Speiscpminunssquellc 4 liegender Begrenzerdiode fließenden Gesamtstrom wird also vom als Uuer-Il !_ ist mitsein Verbindungspunkt "de:. Schwing- (5 schalter wirkenden Schalttransistor 52 immer so -.ici

kreiskondcnsators5 und der Reiheniiuluktnität 10« übernommen, daß an der vom restlichen Stiom

verbunden. Auf diese Weise kann die Spitzenspan- durchflossen™ Last 55 die Spannung konstant bleibt,

nung .im Schwir.gkrjiskondensatorS höchstens den Ein in der masseseitigen Rucklcitung des uieicti-

Wert der jeweiligen Speisespannung annehmen. Der spannungsausgangs hegender Fulilwiderstanci si ReihenschwiiiEkreisS. 10« ist so bemessen, daß bd 5" dient der Bestimmung des Stromniilldiirclieangs.

der größten "zulässigen Sekiindärbelastune (Nenn- Die beim vierten Ausführungsbcispie angewandte

belastung des Wandlers) die Spitzcr.spaiiiiung am Art tier Regelung, die sich die Kiuzschluütestigkeit

Sdiwinekreiskondeiwitor 5 gerade gleich der kleinst- des \V;indlcrs zunutze macht, hat wie die primar-

möglichen Spannung der Speisespanniingsquellc 4 ist. seitige Regelung mittels eines I ransduktors den vor-Die" Hegrenzerdiodenil. 12 wirken erst im Üb.-r- 55 teil der pr-ktischcn Vcrlustfreihe.t Gegenüber der

last-mi-sfall als parallel /um Schwingkreiskonden- Regelung mit einem Transduktor besteht hier muli

salor S liegende reelle Widerstände, die eine Schwin- der weitere Vorteil, daß der Regler auf der; jjekun-

gungsdämpfung und ein Absinken der Umschalt* därsette angreift, auf der auch dor Spannungsver-

frequcnz zur Folge haben gleich vorgenommen wird, so daß wesentliche Er-

Beiiti zweiten Ausfuhrungsbeispiel (Fig. 2) ist 60 leichterungen bezüglich Schutzisolation t.ndHoch-

zwischen den Verbindungspunkt der beiden Bc- freqttenzstörungen gegeben sind, da die SefcUfldar-

erenzerdioden 21. 22 und den Vcrbindungspunkl des seile von der Piimärseite vollständig isoliert werden

Schwingkreiskondensators 25 mit der Schwingkreis- kann. Daß der HaupUibertragcr bei einer dickwan-

induktivität 20« eine zusätzliche Induktivität 23 längs digen Isolation eine größere Strcu.ndukt.v ltdt.hat ist

eingeschaltet, derpti Induktiv'tatswert etwa der 6_S deshalb unerheblich, weil diese ^s'^ch ^"^^ ⁱⁿ

SchwingkrcisrnduktivilätiOrt entspricht. Damit er- die Dtmens.onierung des pnmarcn «eil^enschwing

gibt sich im Überlastungsfalle eine gleichbleibende kreisss e.nbez.ehen und *o sinnvoll ausnutzen laß

Umschaltfrcmien/, weil die im Reihenschwingkreis Beim fünften Ausführungsbeispiel (Fig. 6) liefert

der Gleichspannungsausgang eine kleine Ausgangsspannung an die Last 65. Damit der als Querregler dienende Schalttransistor 62 in einem für seinen Betrieb günstigen Strom- und Spannungsbereich arbeiten kann, greift er an einer besonderen Sekundärwicklung 68 mit einer Gleichrichteranordnung 61 an. Das Steuergerät 66 fühlt die an der Last 65 stehende Ausgangsspannung ab, und der Stromnulldurchgang wird an einem in der masseseitigen Rückleitung der besonderen Sekundärwicklung 68 liegenden Fühlwiderstand 67 abgegriffen, da während der Schließzeit des Schalttransistors 62 der die Last 65 speisende Gleichrichter keinen Strom führt.

Claims

Patentansprüche:

I. Gleichspannungs-Gegentaktwandler mit einer Reihenschaltung aus der Primärwicklung eines Hauptübertragers und eines auf die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers abgestimmten Reihenschwingkreises und mit zwei Schalttransistoren zur wechselweisen Umschaltung des einen Poles der Reihenschaltung, deren anderer Pol mit einem der beiden Pole der Speisespannungsquelle ständig verbunden ist, auf den positiven und den negativen Pol der Speise-Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschwingkreis so bemessen ist, daß bei Nennbelastung des Gleichspannungswandlers die Spitzenspannung am Schwingkreiskondensator (5; 25. 35) gerade gleich der kleinstmöglichen Spannung der Speiscspannungsquelle (4) ist und daß der Schwingkreiskondensator (5: 25; 35) auf derjenigen Seite der Reihenschaltung aus Hauptübertrager (10. 6. 7) und Reihenschwingkreis angeordnet ist. deren Pol mit der Speisespannungsquelle (4) ständig verbunden ist, und der von der Speisespannungsquelle (4) abgewendete Pol des Schwingkreiskondensators mit dem Verbindungspunkt einer parallel zur Speisespannungsquelle geschalteten Reihenschaltung zweier für die Speisespannungsquelle in Sperrrichtung gepolter Begrenzerdioden (11, 12; 21, 22) verbunden ist.
2. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem Kondensator (25) und dem Verbindungspunkt der Begrenzerdioden (21, 22) zusätzlich eine Induktivität (23) vorgesehen ist, deren Induktivitätswert etwa mit dem Induktivitätswert des Reihenschwingkreises übereinstimmt.
3. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (35) des Reihenschwingkreises zusätzlich eine steuerbare Induktivität (34) geschaltet ist.
4. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Ausgangsspannung ein weiterer Schalltransistor (52; 62) derart vorgesehen und gesteuert ist, daß der Wandler sekundärseitig periodisch mittels des Schalttransistors während eines Teiles jeder Stromhalbperiode kurzgeschlossen wird, der mit dem Stromnulldurchgang endet und dessen Dauer von der zu regelnden Ausgangsspannung gesteuert wird.
5. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalttransistor (62) über eine Gleichrichteranordnung (61) parallel zu einer nur für die Spannungsregelung vorgesehenen Sekundärwicklung (68) des Hauptübertragers geschaltet ist.
6. Gleichspannungs-Gegentaktwandler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalttransistor (52) über einen Lastgleichrichter (51) parallel zu einer Lastsekundärwicklung (50) des Hauptübertragers geschaltel und zwischen den weiteren Schalttransistor (52) und einen parallel zum Lastausgang liegenden Ladekondensator (54) eine für den Laststrom ir Durchlaßrichtung gepolte Entkopplungsdiodc (53) vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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