DE3639054A1 - Sperrwandler mit wenigstens einer sperrwandler-transformatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sperrwandler mit wenigstens einer Sperrwandler-Transformatoranordnung.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen ist ein Transformator mit Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung vorgesehen, wobei zur Erhöhung der speicherbaren Magnetisierungsenergie der Kern mit einem Luftspalt ausgebildet ist. Das Funktionsprinzip beruht darin, daß während der Leitphase des Schalterelements an der Primärwicklung die Wandlereingangsspannung anliegt und der Transformator aufmagnetisiert wird. Eine der Sekundärwicklung in Serie geschaltete Diode sperrt dabei. Während der Sperrphase des Schalterelements kehren sich die Spannungen an den Transformatorwicklungen um und die im Kern bzw. Luftspalt gespeicherte magnetische Energie wird über die Sekundärwicklung an einen Ladekondensator und in Folge an die Last abgegeben.

Zur Steuerung der an die Last abgegebenen Leistung wird bei fest frequentem Betrieb des Wandlers meist die Einschaltdauer des Schalterelements verändert. Bei konstanter Induktivität der Primärwicklung ist der Maximalstrom in der Primärwicklung (zum Ende des Leitintervalls des Schalterelements) direkt proportional zur Einschaltdauer. Die an die Sekundärseite abgegebene Leistung entspricht dem Zusammenhang wobei L die Induktivität der Primärwicklung, der Maximalwert des Stromes in der Primärwicklung und f die Schaltfrequenz des Wandlers bedeutet. Dieser Zusammenhang ist unmittelbar einsichtig, da L ²/2 die im Transformator gespeicherte und in jedem Schaltzyklus an die Sekundärseite übertragene Energie darstellt. Diese Art der Steuerung hat insbesondere bei geringer Sekundärlast den Nachteil, daß die Einschaltdauer des Schalterelements sehr kurze Werte annehmen muß, dabei ergeben sich konstruktive Schwierigkeiten, da z. B. bei der Ausgestaltung des Schalterelements durch Bipolartransistoren eine bestimmte Mindesteinschaltdauer (bedingt durch deren sogenannte Speicherzeit) nicht unterschritten werden kann. Außerdem ist die ordnungsgemäße Funktion der im allgemeinen verwendeten Entlastungsnetzwerke für das Schalterelement bei sehr kurzen Einschaltdauern nicht mehr sichergestellt.

Für die Übertragung kleiner Leistungen werden oft selbstschwingende Sperrwandlerschaltung verwendet, welche keine feste Schaltfrequenz aufweisen. Ein bei diesen Schaltungsanordnungen häufig verwendetes Steuerungsprinzip besteht darin, daß der Spitzenwert des Magnetisierungsstromes gesteuert wird und bei dessen Auftreten das Schalterelement ausschaltet. In der Sperrphase des Schalterelements wird dann die im Transformator gespeicherte magnetische Energie an den Ausgang abgegeben und unmittelbar nach der Entmagnetisierung des Transformators beginnt der nächste Schaltzyklus mit der Leitphase des Schalterelements.

Um die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Frequenz abzuschätzen, geht man davon aus, daß der Magnetisierungsstrom dem Produkt aus Versorgungsspannung und Einschaltdauer proportional und indirekt proportional zur Induktivität ist ( = 1 : L×U×T _ein ); da die Einschaltzeit bei dem oben beschriebenen Funktionsprinzip indirekt proportional der Schaltfrequenz ist, ergibt sich für den Maximalstrom der Zusammenhang U-----L × f wobei f die Schaltfrequenz bezeichnet. Zieht man diese Proportionalität in die für die übertragene Leistung bereits ausgeführte Formel ein so ergibt sich der Zusammenhang zwischen der übertragenen Leistung der Schaltfrequenz und der Induktivität zu P  bzw. F .
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Bei dieser Betriebsart ist die Schaltfrequenz indirekt proportional zur Ausgangsleistung des Wandlers. Dies führt insbesondere bei bei stark wechselnden Ausgangsleistungen des Wandlers zu Problemen. Bei großer Ausgangslast kann dabei die Schaltfrequenz bis in den Hörbereich absinken, so daß akustische Störstrahlungen erzeugt werden. Bei sehr kleinen Belastungen nimmt die Schaltfrequenz sehr hohe Werte an, was zu wesentlich erhöhten Schaltverlusten im Schalterelement führt. Außerdem sind Sperrwandler nach diesem Funktionsprinzip aufgrund des großen Frequenzvariationsbereich der erzeugten elektrischen Störstrahlungen äußerst schwierig zu entstören.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art vorzuschalgen, bei der die Induktivität der Primärwicklung während der Einschaltdauer des Schalterelements von großen Werten zu kleinen Werten veränderbar ist und daher der Magnetisierungsstrom des Wandlertransformators zu Beginn des Einschaltintervalls zuerst langsam steigt und erst bei größerer Einschaltdauer wesentlich rascher zunimmt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Herabsetzung der Energieaufnahme des Sperrwandlers während eines Teilbereichs des Betriebszustands des Schalterelements wenigstens ein Teil der Sperrwandlertransformatoranordnung bei Überschreiten eines unter dem magnetischen Gesamtsättigungsfluß liegenden vorgegebenen Grenzwertes des magnetischen Flusses in magnetische Sättigung bringbar ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß im ersten Teil des Leitintervalles des Schalterelements der Magnetkreis der Transformatoranordnung ungesättigt ist, wodurch für die Aufmagnetisierung eine große Induktivität zur Verfügung steht. Diese ermöglicht bei kleinen Ausgangsleistungen des Sperrwnadlers eine Betriebsart bei der der Grenzwert des magnetischen Flusses für die teilweise Sättigung der Transformatoranordnung in keinem Teilbereich der Leitphase überschritten wird. Dies bringt insbesondere den Vorteil, daß die Einschaltdauer des Schalterelements trotz des für kleine Ausgangsleistungen nötigen kleinen Magnetisierungsstrom-Spitzenwertes die Einschaltdauer für das ordnungsgemäße Funktionieren eines im allgemeinen vorhandenen Entlastungsnetzwerkes groß genug ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Betriebsart besteht darin, daß die Schaltfrequenz bei freischwingendem Sperrwandler trotz kleiner Ausgangsleistung nicht zu hoch wird und daher die Schaltverluste relativ klein gehalten werden können. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist aber auch eine zweite Betriebsart möglich, bei welcher - für größere Ausgangsleistung - der Grenzwert des magnetischen Flusses für die teilweise Sättigung der Transformatoranordnung überschritten wird. Dadurch wird erreicht, daß aufgrund der nach dem Überschreiten des Grenzwertes wesentlich kleineren Induktivität der Primärwicklung der Sperrwandler- Transformatoranordnung der Magnetisierungsstrom rascher ansteigt. Dadurch wird insbesondere erreicht, daß die Einschaltdauer auch für große Ausgangsleistungen im Vergleich mit der Einschaltdauer für kleine Augangsleistungen wesentlich weniger schnell anwächst, als einem der Leistung proportionalen Anwachsen entspräche. Dies ermöglicht die Schaltung so zu dimensionieren, daß bei selbstschwingenden Sperrwandlern auch bei großen Ausgangsleistungen die Schwingfrequenz nicht bis in den Hörbereich absinkt. Vorteilhaft ist weiters, daß bei großer Schwankung der Ausgangsleistung eines selbstschwingenden Sperrwandlers mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Schwingfrequenz in einem prozentuell wesentlich geringeren Bereich schwankt als die Ausgangsleistung und damit insbesondere die Entstörung vereinfacht wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß die Sperrwandler- Transformatoranordnung zwei getrennte Transformatoren umfaßt, deren Primärwicklungen in Serie geschaltet sind, und wobei einer der Transformatoren bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des magnetischen Flusses in Sättigung bringbar ist. Dadurch wird insbesondere der Vorteil erreicht, daß der sättigbare Magnetkreis vom nicht gesättigten Magnetkreis völlig getrennt optimierbar ist.

Insbesondere ist es dadurch auch möglich, für die beiden Transformatoren voneinander verschiebene Übersetzungsverhältnisse vorzusehen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist jedoch nicht auf die Verwendung von zwei Transformatoren beschränkt sondern auf N-Transformatoren erweiterbar, wobei bei einer solchen Schaltungsanordnung N - 1 Grenzwerte des magnetischen Sättigungsflusses vorgebbar sind, bei deren Überschreiten jeweils ein Transformator in Sättigung bringbar ist. Dadurch lassen sich auf besonders vorteilhafte Weise verschiedenste Magnetisierungsstromverläufe realisieren.

Eine weitere Ausgestaltung einer Sperrwandler-Transformator- Anordnung kann gemäß der Erfindung dadurch gebildet werden, daß der Kern des in Sättigung bringbaren Teiles der Sperrwandler- Transformatoranordnung mit einem stufenförmig ausgebildeten Luftspalt ausgestattet ist. Es tritt dabei im Gesamtquerschnitt des Luftspaltes ein Teilquerschnitt auf, welcher eine verkürzte Luftspaltlänge aufweist. Durch die Fläche dieses Teilquerschnittes ist in vorteilhafter Weise jener Grenzwert des magnetischen Flusses sehr genau einstellbar bei dem das im Teilquerschnitt liegende den Luftspalt verkürzende Kernmaterial in Sättigung bringbar ist. Außerdem ist das bei Überschreiten des Grenzwertes des magnetischen Flusses gesättigte Kernvolumen klein, wodurch nur geringe Sättigungsverluste im Kernmaterial auftreten.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers mit einer Sperrwandler-Transformatoranordnung nach Fig. 2

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Augestaltung des Transformatorkerns mit einem teilweisen sättigbaren Kernvolumens und stufenförmigen Luftspalt,

Fig. 3 den Zeitverlauf des Magnetisierungsstroms einer solchen Transformatoranordnung,

Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sperrwandler- Transformatoranordnung bestehend aus zwei primärseitig in Serie, sekundärseitig parallel, geschalteten Transformatoren, und

Fig. 5 den Zeitverlauf der wesentlichen elektrischen Größen bei einer Anordnung entsprechend Fig. 4.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Sperrwandlerschaltung mit einem Schalttransistor (1) einem erfindungsgemäßen Sperrwandlertransformator (2) mit einer Primärwicklung (3) und einer Sekundärwicklung (4) an welche eine sekundärseitige Gleichrichterschaltung bestehend aus einer Gleichrichterdiode (5) und einem Ladekondensator (6) angeschlossen ist. Ein Widerstand (7) parallel zum Ladekondensator (6) stellt die Last des Sperrwandlers dar. An der Serienschaltung aus der Primärwicklung (3) und der Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors (1) liegt die Eingangsspannung U _e , des Wandlers an. Der Windungsanfang der Sekundärwicklung (4) ist so gewählt, daß während der Leitphase des Transistors (1) die induzierte Sekundärspannung als Sperrspannung an der Diode (5) ansteht.

Für die Beschreibung der Funktion soll ein gesamter Schaltzyklus des Schalttransistors (1) durchlaufen werden:

Sobald der Schalttransistor (1) einschaltet, liegt die Eingangsspannung U _e an der Primärwicklung 3 des Sperrwandler- Transformators (2) an. Der Transistorstrom i _T der gleichzeitig der Magnetisierungsstrom des Sperrwandlertransformators ist, beginnt linear zu steigen entsprechend i _T =1/L U _e dt. Die Induktivität der Primärwicklung ist für kleine Ströme groß, daher ist die Stromanstiegsgeschwindigkeit entsprechend gering. Sobald ein durch die Ausgestaltung des Magnetkreises vorgegebener Grenzwert des magnetischen Flusses und damit des Magnetisierungsstroms überschritten wird, sättigt ein Teilbereich des Magnetkerns und die Induktivität der Primärwicklung wird auf einen zweiten wesentlich kleineren Wert verringert. Der Strom steigt linear weiter, jedoch mit einem wesentlich größeren Anstieg. Die Fig. 3 zeigt schematisch den eben beschriebenen Verlauf des Transistorstromes über der Zeit. Sobald durch eine an den Steuereingang S _t angeschlossene Steuerschaltung der Schalttransistor (1) augeschaltet wird, hört der Strom i _T auf zu fließen. In demselben Maß als der Strom i _T abnimmt, muß zur Aufrechterhaltung des Flusses ein Sekundärstrom i _S in der Sekundärwicklung (4) zunehmen, der als Ladestrom in den Kondensator (6) fließt. Bei genügend großer Kapazität des Kondensators (6) - was einer annähernd konstanten Spannung an diesen Kondensator entspricht - nimmt der Sekundärstrom i _S , nachdem er mit dem Ende des Ausschaltvorganges des Transistors (1) auf seinen größten Wert angestiegen ist, linear entsprechend der Induktivität der Sekundärwicklung ab. Sobald der gesättigte Teilbereich des Magnetkreises entsättigt, fällt der Strom wohl weiterhin linear, aber mit einer wesentlich kleineren Annäherungsgeschwindigkeit entsprechend der jetzt größeren Induktivität der Sekundärwicklung bis der Kern vollständig abmagnetisiert ist. Es wird damit die gesamte zu Ende der Einschaltphase des Transistors (1) im Magnetkreis gespeicherte magnetische Energie über die sekundärseitige Gleichrichterschaltung an den Ladekondensator (6) bzw. an die Last (7) abgegeben.

Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Magnetkreises für einen Sperrwandlertransformator einer Sperrwandleranordnung entsprechend Fig. 1. Es ist anhand eines Schalenkerns gezeigt, wie der Mittelschenkel mit einem stufenförmig verlaufenden Luftspalt (L) ausführbar ist. Da die Induktion in dem mit (V) bezeichneten Kernvolumen aufgrund des dort kleineren Luftspaltes bzw. Querschnittes wesentlich größer als im restlichen Kernvolumen ist, wird dieser Kernteil bereits bei einem wesentlich geringeren Gesamtfluß im Mittelschenkel des Kerns in Sättigung gebracht. Damit erscheint der Gesamtluftspalt auf einen zweiten größeren Wert vergrößert und damit die Unduktivität entsprechend verkleinert. Da das sättigbare Kernvolumen im Verhältnis zum gesamten Kernvolumen nur einen verschwindenden Bruchteil ausmacht, treten durch die Sättigung keine wesentlichen Mehrverluste auf. Die Ausgestaltung des Luftspaltes ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern es sind ebenso die Vergrößerung der Stufenanzahl bzw. eine keilförmige Ausführung des Luftspaltes möglich, wodurch andere im Prinzip aber gleich wirkende Sättigungsverhalten erreichbar sind.

Die Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sperrwandlers mit zwei getrennten Sperrwandlertransformatoren; die Fig. 5 zeigt iedealisiert den Zeitverlauf der dabei auftretenden Spannungen und Ströme. Die Sperrwandlerschaltung umfaßt einen Transistor (1) als Schalterelement, dessen Schalterstrecke die Primärwicklung (10) eines ersten Sperrwandlertransformators (8) sowie die Primärwicklung (12) eines zweiten Sperrwandler-Transformators (9) in Serie geschaltet sind, wobei an der Serienschaltung die Betriebsspannung des Sperrwandlers U _e anliegt. Die Sekundärwicklung (8) bzw. (13) der beiden Sperrwandlertransformatoren sind mit ihrem jeweiligen einem Ende direkt mit einem gemeinsamen Ladekondensator (6) verbunden und mit ihrem jeweiligen zweiten Ende über je eine Gleichrichterdiode (14) bzw. (15) an den zweiten Anschluß des Ladekondensators geführt. Die Dioden sind dabei so gepolt, daß jeweils gleichartige Anschlüsse dem Ladekondensator zugewandt sind. Dem Ladekondensator ist ein Lastwiderstand (7) parallel geschaltet, welcher die Ausgangslast des Wandlers darstellt. Die Wicklungsanfänge der Primär- bzw. Sekundärwicklungen der beiden Wandlertransformatoren sind so geschaltet, daß während der Leitphase des als Schalterelement wirkenden Schalttransistors (1) jeweils Spannung in Sperrichtung an den Dioden (14) bzw. (15) anleigt. Der Transformator (8) ist so dimensioniert, daß die Induktivität der Primärwicklung (10) wesentlich größer als die der Primärwicklung (12) des zweiten Transformators (9) ist. Außerdem ist der Magnetkern so gestaltet, daß ein Grenzwert für den magnetischen Fluß existiert, gekennzeichnet durch den Grenzwert des Magnetisierungsstromes I _lg , bei dessen Überschreiten ein Teil des Transformatorkerns gesättigt wird und dadurch die Induktivität der Primärwicklung auf einen zweiten niedrigeren Wert absinkt, welcher unter dem der Primärwicklung des zweiten Transformators liegt.

Die Funktion der Schaltung wird an Hand der in Fig. 5 dargestellten Zeitverläufe der Spannungen und Ströme im folgenden durch Erläuterungen der Vorgänge während eines vollen Schaltzyklus beschrieben. Zum Zeitpunkt T ₀ schaltet der Schalttransistor (1) ein, wodurch die Wandlereingangsspannung U _e an die Serienschaltung der Primärwicklungen der beiden Transformatoren angelegt wird. Die Eingangsspannung teilt sich dabei auf die beiden Primärwicklungen entsprechend der jeweiligen Induktivität auf (U ₁, U ₂) sodaß der überwiegende Teil der Eingangsspannung U _e an der Primärwicklung (10) des ersten Transformators (8) abfällt. Der Magnetisierungsstrom I ₁ steigt entsprechend linear mit einem geringen Ansteig an. Sobald zum Zeitpunkt t ₁ der Stromgrenzwert I _lg überschritten ist, sättigt der kern des ersten Transformators (8) wodurch die Induktivität der Primärwicklung auf einen sehr kleinen Wert abfällt. Entsprechend sinkt auch die Spannung U ₁ auf einen sehr kleinen Wert ab, wobei jetzt an der Primärwicklung (12) des zweiten Transformators (9) eine wesentlich größere Spannung anliegt. Wegen der jetzt kleineren Gesamtinduktivität der Serienschaltung der beiden Primärwicklungen steigt der Magnetisierungsstrom I ₁ linear jedoch mit einem größeren Anstieg bis zum Zeitpunkt t ₂ weiter an. Zum Zeitpunkt t ₂ wird der Schalttransistor (1) ausgeschaltet. In der Folge wird die im Magnetfeld der beiden Transformatoren gespeicherte Magnetisierungs- Energie abgebaut und an den Speicherkondensator (6) und in Folge an den Lastwiderstand (7) abgegeben.

Der Zeitverlauf des Sekundärsstromes I _T1 des ersten Transformators (8) gibt den Abmagnetisierungsvorgang des Magnetkreises dieses Transformators wider. Der Sekundärstrom durch die Diode (14) beginnt zum Zeitpunkt t ₂ mit seinem Größtwert zu fließen und sinkt wegen des gesättigten Kerns rasch bis zum Zeitpunkt t ₃ bei dem der Kern aus der Sättigung gerät, linear ab. Die Induktivität der Sekundärwicklung erhöht sich dadurch wesentlich und entsprechend langsam schreitet die Entmagnetisierung bis zum Zeitpunkt t ₄ fort, bei dem die gesamte im ersten Transformator gespeicherte magnetische Energie an den Sekundärkreis abgegeben ist, womit der Strom I _T1 zu fließen aufhört.

Der Abmagnetisierungsvorgang des zweiten Transformators (9) wird durch den durch die Diode (15) fließenden Sekundärstrom I _T2 beschrieben. Dieser Strom beginnt ebenfalls zum Zeitpunkt t ₂ des Ausschaltens des Schalttransistors mit einem Maximalert zu fließen und sinkt linear bis zum Zeitpunkt t ₅ und 0 ab, bei dem die gesamte im zweiten Transformator (9) gespeicherte magnetische Energie ebenfalls abgebaut ist. Je nach Art der Steuerung des Sperrwandlers vergeht anschließend eine bestimmte Zeit bis zum nächsten Leitintervall des Schalttransistors und damit dem nächsten Schaltzyklus.

Besonders bei kleinen Ausgangsleistungen ist es bei einer solchen Anordnung auch möglich, den Schalttransistor bereits vor dem Zeitpunkt t ₁, der Sättigung des ersten Transformators, zu öffnen, wodurch im zweiten Transformator nur eine sehr kleine Energiemenge gespeichert wird und das Leitintervall des Transistors trotzdem genügend lang für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Steuerung bzw. einer Entlastungsschaltung für den Schalttransistor wählbar ist.

Claims (3)

1. Sperrwandler mit wenigstens einer Sperrwandler-Transformator- Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Energieaufnahme des Sperrwandlers während eines Teilbereiches des Betriebszustandes des Schalterelements wenigstens ein Teil der Sperrwandler-Transformatoranordnung bei Überschreiten eines unter dem magnetischen Gesamtsättigungsfluß liegenden, vorgegebenen Grenzwertes des magnetischen Flusses in magnetische Sättigung bringbar ist.

2. Sperrwandler mit einer Sperrwandler-Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrwandler-Transformatoranordnung zwei getrennte Transformatoren umfaßt, deren Primärwicklung in Serie geschaltet sind, und wobei einer der Transformatoren bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des magnetischen Flusses in Sättigung bringbar ist.

3. Sperrwandler mit einer Sperrwanlder-Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des in Sättigung bringbaren Teils der Sperrwandler- Transformatoranordnung mit einem stufenförmig ausgebildeten Luftspalt ausgestattet ist.