DE3829116A1

DE3829116A1 - DC-isolated DC/AC converter (invertor) having high efficiency

Info

Publication number: DE3829116A1
Application number: DE19883829116
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing Zerbs
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1988-08-27
Filing date: 1988-08-27
Publication date: 1990-03-22

Abstract

A pulsed DC-isolated DC/AC converter is disclosed, the output voltage of which simulates a predetermined target signal. In order to achieve high efficiency in the case of differing loading of the output, four pulsed converter systems (switches S1, ..., S4) are provided, two (S1, S2) of which are used for transmitting the energy and two (S3, S4) of which are used for feeding back the unneeded energy, in order to allow four-quadrant operation. Two separate transformers (Ü1, Ü2) are used, one of which is in each case used for the energy transmission and the other for feedback. If an additional winding for feedback is arranged on each of the two transformers, then the feedback rate can be optimised. Special feedback transformers are obviated. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen DC/AC-Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a DC / AC converter according to the Preamble of claim 1.

Ein solcher DC/AC-Wandler wird als bekannt vorausgesetzt.Such a DC / AC converter is assumed to be known.

Ein derartiger Wandler wird z. B. benötigt, wenn ein unterschiedlich stark belastbares Wechselspannungssignal erzeugt werden soll, dessen Energie einer Gleichstromquelle, z. B. einer Batterie entnommen werden soll. Bei solchen Anwendungen kommt es vor allem darauf an, die Spannungswandlung mit einem hohen Wirkungsgrad vorzunehmen, damit eine gute Ausnutzung der begrenzt vorhandenen Energie gewährleistet ist. Außerdem ist ein kleines Bauvolumen und ein geringes Gewicht des Wandlers anzustreben.Such a converter is, for. B. needed if a AC signal that can be loaded to different extents to be generated, the energy of one DC power source, e.g. B. can be removed from a battery should. In such applications, the main thing is that voltage conversion with high efficiency to make good use of the limited existing energy is guaranteed. In addition, is a small construction volume and low weight of the converter to strive for.

Ein Wandler der eingang beschriebenen Art, der die vorstehend genannten Vorteile aufweist, ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschrieben. Durch Verwendung von vier Sperrwandlern - zwei zur Energie-Hinübertragung, zwei zur Rückspeisung nicht verbrauchter Energie - wird, unter Verwendung vom Wirkungsgrad her optimaler Wandlersysteme, ein Vierquadrantenbetrieb ermöglicht. Da eine Rückspeisung der in den Ausgangskondensatoren gespeicherten, von der Last nicht abgenommenen Energie mit hohem Wirkungsgrad erfolgt, läßt sich der DC/AC-Wandler auch dann mit gutem Wirkungsgrad betreiben, wenn die Last nicht optimal angepaßt ist. Die magnetische Trennung der Übertrager die positiven und die negativen Anteile der Ausgangsspannung erzeugenden Sperrwandler erlaubt es, die Rückspeisung über den jeweils nicht zur Energie-Hinübertragung genutzten Übertrager vorzunehmen, so daß zusätzliche Rückspeiseübertrager entfallen können. Letzteres wirkt sich vor allem auf das Gewicht des DC/AC-Wandlers, aber auch auf die Größe des Bauvolumens aus.A converter of the type described in the introduction, which Has advantages mentioned above is in characterizing part of claim 1 described. By using four flyback converters - two to Power transmission, two for energy recovery not energy consumed - is, using the Efficiency of optimal converter systems Four quadrant operation enabled. Because a feedback of those stored in the output capacitors, from the Load unused energy with high efficiency takes place, the DC / AC converter can then also with good Operate efficiency when the load is not optimal is adjusted. The magnetic separation of the transformers the positive and negative parts of the Flyback converter generating output voltage allows the feedback via the in each case not To carry out the power transmission used, so that additional regenerative transmitters are not required can. The latter mainly affects weight of the DC / AC converter, but also on the size of the Construction volume.

Weiterbildungen des DC/AC-Wandlers nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.Developments of the DC / AC converter according to the invention are given in claims 2 to 5.

Die Verwendung voneinander unabhängiger Ansteuerschaltungen (Anspruch 2) erlaubt den Einsatz der Sperrwandlerschalter und damit einen einfachen Schaltungsaufbau. Insbesondere ist (Anspruch 3) die Verwendung von Impulsbreitenmodulatoren zur Ansteuerung der Sperrwandlerschalter möglich. Damit kann mit einfachen, bewährten Bauelementen eine schnelle Reaktion auf eventuelle Lastwechsel oder Änderungen der Eingangsspannung erreicht werden. The use of each other independently Control circuits (claim 2) allows use the flyback switch and thus a simple one Circuit structure. In particular, (claim 3) Use of pulse width modulators for control the flyback converter switch possible. So that with simple, proven components a quick response on possible load changes or changes in the Input voltage can be reached.

Die Ansprüche 4 und 5 betreffen Ausgestaltungen der Erfindung, die einen unterschiedlich schnellen Energietransport in Hin- und Rückrichtung und damit eine bessere Anpassung des Wandlers an eine zu versorgende Last ermöglichen.Claims 4 and 5 relate to configurations of the Invention that has a different speed Energy transport in both directions and thus one better adaptation of the converter to a supply Allow load.

Anhand einer Figur soll nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ausführlich beschrieben und seine Funktion erklärt werden.With the aid of a figure, an embodiment of the Circuit according to the invention described in detail and its function will be explained.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild des DC/AC-Wandler nach der Erfindung. Fig. 1 shows a schematic diagram of the DC / AC converter according to the invention.

Fig. 2 zeigt den Energieschaltteil eines Ausführungsbeispiels des DC/AC-Wandlers nach der Erfindung. Fig. 2 shows the energy switching part of an embodiment of the DC / AC converter according to the invention.

In Fig. 1 sind schematisch vier steuerbare Schalter S 1, . . ., S 4 dargestellt, die vier verschiedenen Sperrwandlern angehören. Der Schalter S 1 arbeitet z. B. auf die Primärwicklung W 1 eines Übertragers Ü 1. Er läßt kurzzeitig Strom aus einer an Eingangsklemmen +U _E und -U _E angeschlossenen, durch einen Eingangskondensator CQ gepufferten, nicht dargestellten Gleichstromquelle über die Primärwicklung des Übertragers Ü 1 fließen und lädt diesen damit magnetisch auf. Nach Unterbrechen des Stromes wird gemäß dem bekannten Sperrwandlerprinzip die im Übertrager magnetisch gespeicherte Energie sekundärseitig entnommen. Es wird dabei eine Zeitlang Spannung in der Sekundärwicklung W 2 des Übertragers Ü 1 induziert. Diese bewirkt einen Stromfluß durch eine Diode D 3 in einen Ausgangskondensator CA 1 und durch eine diesem über eine Diode D 7 parallelschaltete, an Klemmen U und O angeschlossene, in der Figur nicht dargestellte Last. Der Kondensator CA 1 wird hierdurch aufgeladen. Er versorgt die Last während der Einschaltphasen des Sperrwandlerschalters S 1.In Fig. 1, four controllable switches S 1 ,. . ., S 4 shown, which belong to four different flyback converters. The switch S 1 works e.g. B. on the primary winding W 1 of a transformer Ü 1 . It briefly allows current to flow from a direct current source (not shown) connected to input terminals + U _E and - U _E , buffered by an input capacitor CQ , via the primary winding of transformer U 1 and thus magnetically charges it. After the current has been interrupted, the energy magnetically stored in the transformer is removed on the secondary side in accordance with the known flyback converter principle. A voltage is induced in the secondary winding W 2 of the transformer U 1 for a while. This causes a current to flow through a diode D 3 into an output capacitor CA 1 and through a load connected in parallel to this via a diode D 7 and connected to terminals U and O and not shown in the figure. The capacitor CA 1 is thereby charged. It supplies the load during the switch-on phase of flyback converter switch S 1 .

Völlig analog zum Schalter S 1 arbeitet der Schalter S 2. Er bildet zusammen mit dem Übertrager Ü 2 den zweiten Sperrwandler. Die Ausgangsspannung des zweiten Sperrwandlers steht am Ausgangskondensator CA 2 an. Da die positiv geladene Seite des Kondensators CA 2 mit der Masseklemme O verbunden ist, wird die Last durch den zweiten Sperrwandler mit Spannung umgekehrter Polarität beaufschlagt.Switch S 2 operates completely analogously to switch S 1 . Together with the transformer U 2, it forms the second flyback converter. The output voltage of the second flyback converter is present at the output capacitor CA 2 . Since the positively charged side of the capacitor CA 2 is connected to the ground terminal O , the load is subjected to the reverse polarity voltage by the second flyback converter.

Da beide Sperrwandler nicht gleichzeitig arbeiten dürfen - sie würden sich gegenseitig kurzschließen - werden sie abhängig von der gewünschten Polarität der Ausgangsspannung, wechselweise angesteuert. Positive Teile der Ausgangsspannung werden vom ersten Sperrwandler, negative Anteile der Ausgangsspannung vom zweiten Sperrwandler erzeugt.Since both flyback converters are not allowed to work at the same time - they would short-circuit each other they depend on the desired polarity of the Output voltage, controlled alternately. Positives Parts of the output voltage are from the first Flyback converter, negative parts of the output voltage from second flyback converter generated.

Zur Steuerung vergleicht ein Vergleicher VG die an den Klemmen U und O anstehende Spannung mit einer wenig belastbaren Sollspannung, die von einem Sollspannungsgenerator SG erzeugt wird. Je nachdem, welche Polarität die Sollspannung aufweist, wird der erste oder der zweite Sperrwandler über einen dem Vergleicher nachgeschalteten Impulsbreitenmodulator PM angesteuert.For control purposes, a comparator VG compares the voltage present at terminals U and O with a nominal voltage which is not very robust and which is generated by a nominal voltage generator SG . Depending on the polarity of the target voltage, the first or the second flyback converter is controlled via a pulse width modulator PM connected downstream of the comparator.

Soll die Ausgangsspannung der Sollspannung exakt nachgeführt werden, so muß es möglich sein, Änderungen der Ausgangsspannung vorzunehmen, die mit der Entladung eines Ausgangskondensators verbunden sind. Ist die Last nicht in der Lage, in der zur Spannungsänderung zur Verfügung stehenden Zeit die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie aufzunehmen, so muß diese Energie auf andere Art und Weise verbraucht oder umgespeichert werden, damit die gewünschte Ausgangsspannungsänderung eintritt.Should the output voltage be the target voltage exactly updated, it must be possible to make changes to make the output voltage associated with the discharge an output capacitor are connected. Is the burden unable to change voltage Time available in the output capacitor to absorb stored energy, this energy must used or otherwise stored in a different way so that the desired output voltage change entry.

Zu diesem Zweck sind in dem in Fig. 1 dargestellten DC/AC-Wandler zwei weitere Sperrwandler vorgesehen, die in Rückrichtung arbeiten und überschüssige, in den Ausgangskondensatoren gespeicherte Energie in die eingangsseitige Gleichspannungsquelle oder ihren Pufferkondensator, den Eingangskondensator CQ rückspeisen. Zur Rückspeisung von Energie aus dem Ausgangskondensator CA 1 dient der Schalter S 3, zur Rückspeisung aus dem Ausgangskondensator CA 2, der Schalter S 4.For this purpose, two further flyback converters are provided in the DC / AC converter shown in FIG. 1, which work in the reverse direction and feed excess energy stored in the output capacitors back into the input-side DC voltage source or its buffer capacitor, the input capacitor CQ . Switch S 3 is used for the recovery of energy from the output capacitor CA 1 , the switch S 4 is used for recovery of energy from the output capacitor CA 2 .

Als Übertrager für die Rückspeisung dienen die Übertrager der ersten beiden Sperrwandler. Dies ist möglich, weil während des Herunterregelns einer positiven Ausgangsspannung oder des Heraufregelns einer negativen Ausgangsspannung - beides verlangt das Entladen eines Ausgangskondensators - keine Ansteuerung des primärseitigen Sperrwandlerschalters S 1 bzw. S 2 erfolgt.The transformers of the first two flyback converters serve as transformers for the feedback. This is possible because during the step-down regulation of a positive output voltage or the step-up regulation of a negative output voltage - both require the discharge of an output capacitor - no activation of the primary-side flyback converter switch S 1 or S 2 takes place.

Die Ladung des Ausgangskondensators CA 1 bewirkt, wenn der Schalter S 3 schließt, einen Strom über eine Diode D 5 und die Sekundärwicklung W 2 des Übertragers Ü 1. Die Unterbrechung dieses Stromes bei Öffnen des Schalters S 3 induziert in der Primärwicklung des Übertragers Ü 1 eine Spannung, die einen Strom über eine dem Schalter S 1 parallelliegende Freilaufdiode D 1 treibt, der den Eingangskondensator CQ auflädt. Die im Ausgangskondensator CA 1 gespeicherte Energie wird somit zu ihrem größten Teil in den Eingangskondensator CQ umgespeichert und geht nicht verloren.The charging of the output capacitor CA 1 , when the switch S 3 closes, causes a current through a diode D 5 and the secondary winding W 2 of the transformer U 1 . The interruption of this current when the switch S 3 is opened induces a voltage in the primary winding of the transformer U 1 , which drives a current via a freewheeling diode D 1 which is parallel to the switch S 1 and which charges the input capacitor CQ . Most of the energy stored in the output capacitor CA 1 is thus stored in the input capacitor CQ and is not lost.

Der Schalter S 4 arbeitet analog zum Schalter S 3. Er überträgt Energie vom Ausgangskondensator CA 2 über den Übertrager Ü 2 auf den Eingangskondensator CQ. Die magnetische Aufladung des Übertragers erfolgt dabei in einem dessen Sekundärwicklung W 2, eine Diode D 6 und den Schalter S 4 enthaltenden Stromkreis. Die Entnahme der magnetisch gespeicherten Energie erfolgt über eine dem Schalter S 2 parallelgeschaltete Freilaufdiode D 2, die mit der Primärwicklung W 1 des Übertragers Ü 2 und dem Eingangskondensator CQ einen Stromkreis bildet.Switch S 4 works in the same way as switch S 3 . It transfers energy from the output capacitor CA 2 via the transformer U 2 to the input capacitor CQ . The transformer is magnetically charged in a circuit containing its secondary winding W 2 , a diode D 6 and the switch S 4 . The removal of the magnetically stored energy takes place via a switch S 2 connected in parallel freewheel diode D 2, which the transformer U 2 and the input capacitor CQ forms a circuit with the primary winding W1.

Die Ansteuerung der Schalter S 3 und S 4 erfolgt ebenfalls über den Impulsbreitenmodulator PM, abhängig von der Polarität der Ausgangsspannung und vom Ergebnis des Vergleichs der Ausgangsspannung mit der Sollspannung. Schalter S 3 wird angesteuert, wenn die Ausgangsspannung positiv und höher als die Sollspannung ist. Schalter S 4 wird angesteuert, wenn die Ausgangsspannung negativ ist und unterhalb der Sollspannung liegt.The switches S 3 and S 4 are also controlled via the pulse width modulator PM , depending on the polarity of the output voltage and on the result of the comparison of the output voltage with the target voltage. Switch S 3 is activated when the output voltage is positive and higher than the target voltage. Switch S 4 is activated if the output voltage is negative and is below the target voltage.

In Fig. 2 ist der Energieschaltteil eines DC/AC-Wandlers, wie er dem in Fig. 2 gezeigten Prinzipschaltbild entspricht, im Detail dargestellt. Als Schalter S 1, . . ., S 4 werden MOS-Feldeffekttransistoren T 1, . . ., T 4 verwendet. Diese besitzen die übliche Schutzbeschaltung, bestehend aus jeweils einer Z-Diode ZD 1, . . ., ZD 4 zum Schutz des Gates gegen Überspannung und einem RC-Glied (Widerstand R und Kondensator C) zur Dämpfung steiler Spannungsänderungen an der Schaltstrecke. Zum Schutz gegen Stromüberlastung dient eine nicht dargestellte Strombegrenzungsschaltung, die auf den Impulsbreitenmodulator (PM in Fig. 1) einwirkt und über Klemmen BG 1, . . ., BG 4 den Spannungsabfall an jeweils einem in Reihe mit der Schaltstrecke jedes MOS-Feldeffekttransistors liegenden Meßwiderstand RS 1, . . ., RS 4 abgreift und als Überlastungskriterium auswertet. Die Ansteuerung der MOS-Feldeffekttransistoren durch den in Fig. 2 nicht dargestellten Impulsbreitenmodulator erfolgt über Steueranschlüsse ST 1, . . ., ST 4.In FIG. 2, the power switch part is, as it corresponds to the schematic diagram shown in Fig. 2 represented a DC / AC converter in detail. As switch S 1 ,. . ., S 4 are MOS field effect transistors T 1 ,. . ., M 4 used. These have the usual protective circuit, each consisting of a Z diode ZD 1 ,. . ., ZD 4 to protect the gate against overvoltage and an RC element (resistor R and capacitor C) to dampen steep voltage changes on the switching path. To protect against current overload, a current limiting circuit, not shown, acts on the pulse width modulator (PM in Fig. 1) and via terminals BG 1 ,. . ., BG 4, the voltage drop across a measuring resistor RS 1, in series with the switching path of each MOS field-effect transistor. . ., RS 4 tapped and evaluated as an overload criterion. The MOS field-effect transistors are controlled by the pulse width modulator (not shown in FIG. 2) via control connections ST 1 ,. . ., ST 4 .

Der in Fig. 2 dargestellte Leistungsschaltteil unterscheidet sich von der in Fig. 1 enthaltenen Prinzipdarstellung auch dadurch, daß die verwendeten Übertrager Ü 3 und Ü 4 jeweils zwei Sekundärwicklungen W 2 und W 3 aufweisen. Von diesen dient eine erste Sekundärwicklung W 2 der Energie-Hinübertragung, die zweite Sekundärwicklung der Energie-Rückübertragung. Die Verwendung zweier Sekundärwicklungen hat den Vorteil, daß deren Windungszahlen unterschiedlich gewählt und damit die Übertrager der Last hinsichtlich ihrer Übertragungsrate in Hin- und Rückrichtung unterschiedlich angepaßt werden können. Es kann sogar zweckmäßig sein, die zur Energie-Rückspeisung verwendete Sekundärwicklung zur schnellen Anpassung mit Anzapfungen oder einem verstellbaren Abgriff (Schleifkontakt) zu versehen.The power switching part shown in FIG. 2 also differs from the basic illustration shown in FIG. 1 in that the transformers U 3 and U 4 used each have two secondary windings W 2 and W 3 . Of these, a first secondary winding W 2 is used for energy retransmission, the second secondary winding is used for energy retransmission. The use of two secondary windings has the advantage that their number of turns can be selected differently and the transmitters of the load can thus be adapted differently with regard to their transmission rate in the forward and backward direction. It may even be advisable to provide the secondary winding used for energy recovery with taps or an adjustable tap (sliding contact) for quick adaptation.

Als Freilaufdioden werden die in Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren integriert vorhandenen Invers-Dioden (D 9 und D 10 bei den MOSFETS T 1 und T 2) verwendet. Die Invers-Dioden D 15 und D 16 der MOSFETS T 3 und T 4 haben lediglich Schutzfunktion. The inverse diodes integrated in power MOS field-effect transistors (D 9 and D 10 in MOSFETS T 1 and T 2 ) are used as free-wheeling diodes. The inverse diodes D 15 and D 16 of the MOSFETS T 3 and T 4 only have a protective function.

Ausgangsseitig sind den Ausgangskondensatoren CA 1 und CA 2 Entladewiderstände RA 1, RA 2 parallelgeschaltet. Diese dienen dazu, Restladungen der Ausgangskondensatoren und damit gefährliche Spannungen abzubauen, die sonst nach Abschalten des Wandlers an den Ausgangsklemmen anstehen können.On the output side, the discharge capacitors CA 1 and CA 2 discharge resistors RA 1 , RA 2 are connected in parallel. These are used to reduce residual charges in the output capacitors and thus dangerous voltages that may otherwise be present at the output terminals after the converter has been switched off.

Die Ausgangsspannung steht bei dem in Fig. 2 dargestellten Leistungsschaltteil nach Polarität getrennt, an einer positiven Ausgangsklemme +U _A und einer negativen Ausgangsklemme -U _A an. Um einen Wechselspannungsausgang (U in Fig. 1) zu erhalten, werden beide Ausgangsklemmen direkt oder, wie in Fig. 1, über Dioden zusammengeschaltet.The output voltage is present in the power switching part shown in FIG. 2 separated by polarity, at a positive output terminal + U _A and a negative output terminal - U _A. In order to obtain an AC voltage output (U in FIG. 1), both output terminals are connected directly or, as in FIG. 1, via diodes.

Claims

1. Galvanically isolating, from a primary-side power source, clocked by a control circuit DC / AC converter, the output voltage of which is modeled on a predetermined desired signal, characterized in that two each contain a transformer (Ü 1 , Ü 2 ), with primary-side switches ( S 1 , S 2 ) and these bridging freewheeling diodes (D 1 , D 2 ) equipped, alternately controlled first flyback converters are provided, depending on the polarity of the desired signal, one of which generates the positive, the other the negative components of the output voltage and one against each a common neutral switched output capacitor (CA 1 , CA 2 ) provided that each flyback converter is assigned a further flyback converter, the switch (S 3 , S 4 ) in series with a secondary winding (W 2 ) of the transformer (Ü 1 , Ü 2 ) of the first flyback converter and can be controlled during work breaks of the first flyback converter d that the further flyback converter stores the energy stored in the output capacitor (CA 1 , CA 2 ), insofar as it is not consumed by a load connected on the output side, via the transformer and the freewheeling diode (D 1 , D 2 ) of the assigned first flyback converter into the primary-side current source feeds back.

2. DC / AC converter according to claim 1, characterized in that the control circuit (SG, VG, PM) contains four mutually independent partial control circuits, each of which has the switch (S 1 ,..., S 4 ) with one of the flyback converters Control pulses supplied.

3. DC / AC converter according to claim 2, characterized in that the control circuits contain pulse width modulators (PM) which are controlled by comparator circuits (VG) depending on the deviation of the output voltage from the target signal.

4. DC / AC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the transformers (Ü 3 , Ü 4 ) have a second secondary winding (W 3 ) with the switch (T 3 , T 4 ) of the regenerative further flyback converter in line.

5. DC / AC converter according to claim 4, characterized in that the number of turns of the second secondary winding (W 4 ) can be selected differently to optimize the energy return.