DE3727170A1 - Gleichspannungswandler mit einem uebertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem Übertrager, dessen Primärstrom durch einen Schalt­ transistor gesteuert wird und auf dessen Sekundärseite einer oder mehrere Schalter in Längszweigen und/oder in Querzweigen angeordnet sind.

Gleichspannungswandler mit diesen Merkmalen werden in Schaltnetzteilen verwendet, bei denen der Übertrager ne­ ben der Spannungstransformation gleichzeitig die Poten­ tialtrennung z. B. zwischen dem Versorgungsnetz und den im allgemeinen mit Niederspannung versorgten Geräten über­ nimmt.

Eine Übersicht über die verschiedenen Wandlertypen, die bei Schaltnetzteilen eingesetzt werden können, findet man z. B. in einem Artikel von J. Wüstehube (Wüstehube, J.: Gleichspannungswandler für Schaltnetzteile. Elektronik (1978) Heft 4, Seiten 102 bis 107).

Gleichspannungswandler aller Grundtypen (Sperrwandler, Durchflußwandler, Gegentaktwandler) benötigen auf der Se­ kundärseite Schalter, mit denen die in magnetischen Spei­ cherelementen (meist die Spulen der Übertrager) zwischen­ gespeicherte Energie abgerufen und an einen Verbraucher übertragen wird. Diese Schalter sind durch schnellschal­ tende Dioden realisiert, also durch Schottky-Dioden oder schnelle Epitaxial-Dioden.

Im durchgeschalteten Zustand liegt der Spannungsabfall über diesen Dioden zwischen 0,4 und 1,2 Volt. Werden über sie große Leistungen übertragen, d. h., fließen große Ströme, so würde sich die Verlustleistung erheblich ver­ ringern, sofern sich der Spannungsabfall bei maximalem Strom nur um wenige zehntel Volt reduzieren ließe. Abge­ sehen von der damit verbundenen Erhöhung des Wirkungsgra­ des würde auch der Aufwand an Kühlmitteln verringert wer­ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Gleichspan­ nungswandlern der eingangs genannten Art Mittel als Schalter einzusetzen, bei denen die Verlustleistung ge­ ringer ist als die schnellschaltenden Dioden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Schalter ein Power-MOS-Feldeffekttransistor verwendet wird, in dessen Gate-Source-Kreis die Serienschaltung einer gesonderten Sekundärspule des Übertragers und eines Zweipols zur Im­ pulsformung liegt.

Eine weitere Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß als Schalter ein Power-MOS-Feldeffekttransistor verwendet wird, daß ein Vierpol zur Impulsformung vorgesehen ist, dessen Eingang mit einer gesonderten Sekundärspule des Übertragers und dessen Ausgang mit der Gate-Source- Strecke des Power-MOS-Feldeffekttransistors beschaltet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers mit er­ findungsgemäßen Merkmalen,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines Durchflußwandlers mit erfindungsgemäßen Merkmalen und

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Durchflußwandlers nach einer erfindungsgemäßen Variante.

In den Figuren sind Bauteile, die in unterschiedlichen Anordnungen die gleiche Funktion haben, mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Beim Sperrwandler nach Fig. 1 wird eine Eingangsspan­ nung UE mit einem Schalttransistor T an die Primärwick­ lung L 1 eines Übertragers UT gelegt. Die Dauer der Leit- und Sperrphasen des Schalttransistors T wird von einem nicht gezeigten Pulsbreitenmodulator bestimmt. Der Über­ trager UT hat auf seiner Sekundärseite zwei Wicklun­ gen L 2, L 3 mit einem gemeinsamen Anschluß. Die Wick­ lung L 3 des Übertragers UT liegt im Lastkreis des Wand­ lers. Der Lastkreis enthält außerdem die Drain-Source- Strecke eines Power-MOS-Feldeffekttransistors FT (kurz: Power-Mosfet), dessen Source S mit dem gemeinsamen An­ schluß der Wicklungen L 2 und L 3 verbunden ist, und die Parallelschaltung eines Lastwiderstandes RA mit einem Ausgangskondensator CA. An dieser Parallelschaltung fällt eine Ausgangsspannung UA ab.

Der Power-Mosfet FT ist so angeschlossen, daß er invers betrieben wird, d. h., daß die in seinem Ersatzschaltbild zur Drain-Source-Strecke parallel liegende Diode - bei Stromfluß im Lastkreis - in Durchlaßrichtung gepolt ist. Die Anode dieser Diode ist mit dem Source-Anschluß S und die Kathode mit dem Drain-Anschluß D verbunden. Ihre Po­ lung soll die gleiche sein, wie die Polung der als Schal­ ter verwendeten Dioden nach dem oben zitierten Stand der Technik. Deshalb ist der Source-Anschluß S des Power-Mos­ fets an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Wicklun­ gen L 2 und L 3 geführt, unter der Voraussetzung, die Wick­ lung L 3 hat relativ zur Wicklung L 1 den aus der Fig. 1 entnehmbaren Wicklungssinn. Durch die gesonderte Wick­ lung L 2 soll der Power-Mosfet FT während der Leitphase des Schalttransistors T gesperrt und während der Sperr­ phase leitend werden. Aus diesem Grunde ist der zweite Anschluß der Wicklung L 2 über einen Zweipol ZI mit dem Gate-Anschluß G des Power-Mosfet FT verbunden, wobei der Windungssinn der Wicklung L 2 der Fig. 1 entnehmbar ist.

Der Zweipol ZI dient der Formung der Schaltimpulse für den Power-Mosfet FT; er enthält zwei parallel liegende Zweige, von denen der obere - wegen einer Diode D 1 - wäh­ rend des Einschaltvorganges (Übergang von der Sperrphase zur Leitphase) und der untere - wegen einer Diode D 2 - während des Ausschaltvorganges (Übergang von der Leitpha­ se zur Sperrphase) des Power-Mosfets FT Strom führt. Der der Diode D 1 nachgeschaltete Widerstand R 1 ist von einem Kondensator C 1 überbrückt. Durch Bemessung der Zeitkon­ stante R 1 × C 1 wird der Einschaltzeitpunkt des Power-Mos­ fets FT relativ zum Ausschaltzeitpunkt des Schalttransi­ stors T festgelegt. Entsprechendes gilt für den unteren Zweig mit der umgekehrt zur Diode D 1 gepolten Diode D 2, und einem nachgeschalteten Widerstand R 2, der von einem Kondensator C 2 überbrückt ist. Die Zeitkontante R 2 × C 2 ist möglichst klein zu wählen, um die Verlustleistung während des Ausschaltvorganges kleinzuhalten, da der Po­ wer-Mosfet FT bei sehr hohen Strömen ausgeschaltet werden muß.

Beim Durchflußwandler mit zwei Power-Mosfets FT 1 und FT 2 nach Fig. 2 enthält der Übertrager UT drei gesonderte Sekundärwicklungen L 4, L 5 und L 6. Die Wicklung L 5 liegt im Lastkreis des Wandlers; in Reihe zu ihr ist die Drain-Source-Strecke des Power-Mosfets FT 1 und eine Spei­ cherdrossel DR geschaltet. Der Verbindungspunkt der Dros­ sel DR und des Drain-Anschlusses D des Power-Mosfet FT 1 - sein Source-Anschluß S ist mit einem Anschluß der Wick­ lung L 5 verbunden - ist gleichzeitig der Drain-Anschluß des zweiten Power-Mosfet FT 2, dessen Source-Anschluß mit dem zweiten Anschluß der Wicklung L 5 verbunden ist.

Die Drain-Source-Strecken der Power-Mosfets FT 1 und FT 2 sind wiederum so angeschlossen, daß die zu ihnen parallel liegenden Dioden genauso gepolt sind, wie es z. B. bei Wüstehube (Wüstehube, J.: l. c.) angegeben ist. Der eine Anschluß der Wicklung L 5 ist gleichzeitig mit einem An­ schluß der gesonderten Wicklung L 4 verbunden, während der zweite Anschluß der Wicklung L 5 mit einem Anschluß der Wicklung L 6 verbunden ist. Der verbleibende Anschluß der Wicklung L 4 bzw. L 6 ist über einen Zweipol ZI 1 bzw. ZI 2 an den Gate-Anschluß des Power-Mosfets FT 1 bzw. FT 2 ge­ führt. Der Windungssinn der Wicklungen L 4 und L 6 ist so gewählt, daß während der Leitphase des Schalttransi­ stors T der Power-Mosfet FT 1 leitend ist, während der Po­ wer-Mosfet FT 2 gesperrt ist.

Die Zweipole ZI 1, ZI 2 sind ebenso ausgestaltet wie der Zweipol ZI. Die Zeitkonstanten der Zweipole ZI 1 und ZI 2 müssen so gewählt werden, daß die Power-Mosfets FT 1 und FT 2 niemals gleichzeitig leitend sind.

Bei dem Durchflußwandler nach Fig. 3 werden die Power- Mosfets FT 1 und FT 2 über Vierpole VI 1 und VI 2 angesteu­ ert. Der Eingang des Vierpols VI 1 ist mit der gesonderten Wicklung L 4 beschaltet, während sein Ausgang an die Gate- Source-Strecke des Power-Mosfets FT 1 angeschlossen ist. Entsprechendes gilt für die gesonderte Wicklung L 6, den Vierpol VI 2 und die Gate-Source-Strecke des Power- Mosfet FT 2. Die Vierpole VI 1 und VI 2 haben den gleichen Aufbau.

Der Vierpol VI 1 hat z. B. gegenüber dem Zweipol ZI 1 den Vorteil, daß durch ihn der Ausschaltvorgang des Power- Mosfets FT 1 schneller erfolgt, und zwar wegen eines pnp- Transistors T 1, dessen Kollektor-Emitter-Strecke aus­ gangsseitig den einzigen Querzweig des Vierpols VI 1 bil­ det. Über ihn werden die Eingangskapazitäten des Power- Mosfets in sehr kurzer Zeit entladen und folglich der Ausschaltvorgang des Power-Mosfets FT 1 wesentlich ver­ kürzt. In der Basiszuleitung des Transistors T 1 liegt ei­ ne Diode D 4, die in der Sperrphase des Schalttransi­ stors T leitend wird. Dadurch wird der Transistor T 1 lei­ tend bzw. der Power-Mosfet FT 1 gesperrt.

In Serie zur Diode D 4 liegt die Parallelschaltung eines Widerstandes R 5 mit der Serienschaltung eines Widerstan­ des R 4 und eines Kondensators C 4. Der eine Anschluß die­ ser Parallelschaltung ist an den eingangsseitigen An­ schluß desjenigen Längszweiges des Vierpoles VI 1 geführt, der eine Diode D 3 in Serie zu einem Widerstand R 3 ent­ hält, wobei der Widerstand R 3 durch einen Kondensator C 3 überbrückt ist. Die Polung der Diode D 3 ist der Polung der Diode D 4 entgegengesetzt.

Durch Bemessung der Zeitkonstanten R 3 × C 3 und R 5 × C 4 werden die Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte des Power- Mosfets FT 1 eingestellt.

Entsprechendes gilt für die Zeitkonstanten des Vier­ pols VI 2 und des Power-Mosfet FT 2. Der Widerstand R 4 dient der Begrenzung des Basisstromes für den Transi­ stor T 1.

Da übr die Drain-Source-Strecken der Power-Mosfets FT, FT 1 und FT 2 Ströme in der Größenordnung einiger Ampere fließen können, lohnt es, die damit verbundenen Verluste durch Parallelschaltung der Drain-Source-Strecken mehre­ rer Power-Mosfets herabzusetzen.

Claims (5)

1. Gleichspannungswandler mit einem Übertrager, dessen Primärstrom durch einen Schalttransistor gesteuert wird und auf dessen Sekundärseite einer oder mehrere Schalter in Längszweigen oder in Querzweigen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Power-MOS-Feldeffekttransistor (FT) im Inversbetrieb verwendet wird, in dessen Gate-Source- Kreis die Serienschaltung einer gesonderten Sekundärspu­ le (L 2) des Übertragers (UT) und eines Zweipols (ZI) zur Impulsformung liegt.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (ZI) zur Impulsformung aus zwei parallel liegenden Zweigen besteht, von denen jeder die Serien­ schaltung einer Diode (D 1, D 2) mit einem durch einen Kon­ densator (C 1, C 2) überbrückten Widerstand (R 1, R 2) ent­ hält, und daß die Dioden (D 1, D 2) antiparallel geschaltet sind.

3. Gleichspannungswandler mit einem Übertrager, dessen Primärstrom durch einen Schalttransistor gesteuert wird und auf dessen Sekundärseite einer oder mehrere Schalter in Längszweigen und/oder in Querzweigen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Power-MOS-Feldeffekttransi­ stor (FT 1, FT 2) verwendet wird, dessen Gate-Source-Kreis einen Vierpol (VI 1, VI 2) zur Impulsformung enthält, und daß der Eingang des Vierpols (VI 1, VI 2) mit einer geson­ derten Sekundärspule (L 4, L 6) des Übertragers (UT) und der Ausgang des Vierpols (VI 1, VI 2) mit der Gate-Source- Strecke des Power-MOS-Feldeffekttransistors (FT 1, FT 2) beschaltet ist.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol (VI 1) ausgangsseitig einen Querzweig ent­ hält, der aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines bipola­ ren Transistors (T 1) besteht, daß in einem ersten Längs­ zweig des Vierpols (VI 1) die Serienschaltung aus einer ersten Diode (D 3) und einem mit einem ersten Kondensa­ tor (C 3) überbrückten ersten Widerstand (R 3) liegt, daß eine weitere Serienschaltung aus einer zweiten Diode (D 4) und einem zweiten Widerstand (R 5), der von der Serien­ schaltung eines dritten Widerstandes (R 4) mit einem zwei­ ten Kondensator (C 4) überbrückt ist, die Basis des Tran­ sistors (T 1) mit der Eingangsklemme des ersten Längszwei­ ges verbindet und daß die beiden Dioden (D 3, D 4) entge­ gengesetzt gepolt sind.

5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter mehrere, parallel betriebene Power-MOS- Feldeffekttransistoren verwendet werden.