DE4313359A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil, wel­ ches eine stabilisierte Gleichspannung an ein industriell oder kom­ merziell genutztes elektronisches Gerät liefert.

Durch den Bedarf an elektronischen Geräten mit geringerer Größe, hö­ herem Leistungsvermögen, geringerem Leistungsverbrauch und geringeren Kosten bestand ein erhöhter Bedarf an Schaltnetzteilen mit geringerer Größe, höherer Stabilität der Ausgangsgleichspannung, höherem Wir­ kungsgrad und geringeren Kosten.

Zwei Arten von Schaltnetzteilen werden wie folgt beschrieben.

Vorwärts-Typ

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Schaltnetzteils des "Vorwärts- Typs" nach dem Stand der Technik. In Fig. 5 ist 1 eine Gleich­ spannungsquelle, welche üblicherweise durch Gleichrichtung und Filterung einer Netzwechselspannung oder durch eine Batterie er­ halten wird. Die Anschlüsse 2 und 2′ der Gleichspannungsquelle 1 stellen eine positive bzw. eine negative Seite dar. 3 ist ein Transformator mit einer Primärwicklung 3a, einer Sekundärwick­ lung 3b und einer Rückstellwicklung 3c. Ein Anschluß der Primär­ wicklung 3a ist mit der positiven Seite 2 der Gleichspannungsquelle 1, und ein anderer Anschluß ist mit der negativen Seite 2′ der Gleichspannungsquelle 1 über ein Schaltgerät 4 verbunden.

Ein Anschluß der Sekundärwicklung 3b ist mit dem positiven Anschluß 13 des Gleichspannungsausgangs über eine Gleichrichterdiode 15 und eine Spule 17 verbunden, und ein anderer Anschluß der Sekundärwicklung 3b ist mit dem negativen Anschluß 13′ des Gleichspannungsausgangs verbunden.

Ein Anschluß der Rückstellwicklung 3c ist mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle 1 verbunden, und ein anderer Anschluß ist mit dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle 1 über eine Dio­ de 18 verbunden. Das Schaltgerät 4 wird durch ein Signal von einer Steuerschaltung 14 geschaltet, so daß es die Eingangsgleichspannung an die Primärwicklung 3a des Transformators 3 anlegt und trennt. Die Diode 15 leitet eine in der Sekundärwicklung 3b induzierte Spannung an die Spule 17, wenn das Schaltgerät 4 eingeschaltet ist.

Eine Klemmdiode (Clampdiode) 16 leitet, wenn die Diode 15 gesperrt ist und setzt die negative Seite der in der Sekundärwicklung 3b indu­ zierten Spannung auf Null Volt. Die Spule 17 leitet Gleichstrom an die Ausgangsanschlüsse 13-13′, indem sie die Spannungen durch die Dioden 15 und 16 filtert. Ein Filterkondensator 11 ist zwischen den Ausgangsanschlüssen 13 und 13′ verbunden und hält die Spannung, die durch die Spule 17 und ihn selbst gemittelt wird.

Die Steuerschaltung 14 nimmt die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 13 und 13′ auf und verändert ein Ein/Aus-Tastverhältnis des Schaltge­ räts 4 so, daß die Ausgangsspannung konstant gehalten wird. Wenn das Schaltgerät 4 abschaltet, blockiert die Diode 18 Rücklaufpulse, die in der Rückstellwicklung 3c induziert werden, stellt einen magneti­ schen Fluß des Transformators 3 zurück und absorbiert eine Spitzen­ spannung.

Fig. 6 (a) bis (d) zeigen die Kurvenformen im Schaltnetzteil, welches in Fig. 5 dargestellt ist. (a) ist eine Kurvenform der Spannung Vds, die am Schaltgerät 4 anliegt, (b) ist eine Kurvenform des Stromes Id, welcher in das Schaltgerät 4 hineinfließt, (c) ist ein Ein/Aus-Signal Vg der Steuerschaltung 14 und (d) ist die Kurvenform der Spannung Vs, welche an einem Anschluß der Spule 17 anliegt.

Wenn das Schaltgerät 4 zum Zeitpunkt t1 durch das Ein/Aus-Signal Vg eingeschaltet wird, fließt ein Spitzenstrom in das Schaltgerät 4. Dieser wird hervorgerufen durch einen Lade- und Entladestrom in eine verteilte Kapazität, in eine Kapazität zwischen einzelnen Windungen und in eine Kapazität zwischen einzelnen Wicklungen, sowie durch einen Entladestrom einer parasitären Kapazität des Schaltgeräts 4. Dieser Spitzenstrom verursacht erhöhtes Rauschen, verringerte Zuverlässig­ keit und eine erhöhte Verlustleistung.

Wenn das Schaltgerät 4 einschaltet und Vds klein genug wird, liegt die Eingangsspannung Vein an der Primärwicklung 3a des Transformators 3 an, eine Spannung (Vein/n) wird in der Sekundärwicklung 3b indu­ ziert und die Dioden 15 leitet. Hierbei ist n ein Windungszahlverhält­ nis der Primärwicklung 3a zur Sekundärwicklung 3b. Wenn die Diode 15 zu leiten beginnt, sperrt die Diode 16, die Spannung Vs an der Diode 16 wird zu (Vein/n) und der Strom in die Spule 17 fließt in ein Last.

Daher fließt durch die Primärwicklung 3a die Summe des Primärstroms (Io/n), der vom Strom Io in der Sekundärwicklung 3b übertragen wird, und eines Erregerstroms durch die Primärwicklung 3a. Wenn das Schalt­ gerät 4 zum Zeitpunkt t2 durch das Ein/Aus-Signal Vg abgeschaltet wird, wird eine Spitzenspannung in der Primärwicklung 3a durch eine Leckinduktivität induziert. Diese Spitzenspannung verursacht Rauschen und Verlustleistung.

Wenn eine Rücklaufspannung in der Rückstellwicklung 3c induziert wird und die Diode 18 zu leiten beginnt, liegt die Eingangsgleichspan­ nungsquelle 1 an der Rückstellwicklung 3c an. Da das Windungszahlver­ hältnis der Rückstellwicklung 3c zur Primärwicklung 3a 1:1 beträgt, liegt eine Spannung von (2×Vein) am Schaltgerät 4 an, und in der Sekundärwicklung 3b wird eine Spannung induziert, die die Diode 15 negativ vorspannt. Daher sperrt die Diode 15 und die Diode 16 leitet den Strom durch die Spule 17. Konsequenterweise wird die Spannung an der Diode 16 zu Null. Gleichzeitig baut sich eine einlaufende Span­ nung an der Diode 15 auf und überschwingende Ströme und Spannungen werden erzeugt, welche Rauschen und Verlustleistung zur Folge haben. Wenn zum Zeitpunkt t3 der Strom in der Rückstellwicklung 3c zu Null wird, sperrt die Diode 18, die Spannung an der Primärwicklung 3a wird zu Null, und die Quellengleichspannung Vein liegt am Schaltgerät 4 an.

Da zu diesem Zeitpunkt keine Spannung in der Sekundärwicklung 3b in­ duziert wird, bleibt die Diode 15 im gesperrten Zustand und die Diode 17 im leitenden Zustand. Wenn das Schaltgerät 4 durch das Ein/ Aus-Signal Vg von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet wird, liegt die Quellengleichspannung Vein an der Primärwicklung 3a an, die Span­ nung (Vein/n) liegt an der Sekundärwicklung 3b an, die Diode 15 lei­ tet, und die Diode 16 sperrt. Zu diesem Zeitpunkt baut sich auch eine einlaufende Spannung an der Diode 16 auf und überschwingende Ströme und Spannungen werden erzeugt, die Rauschen und Verlustleistung ver­ ursachen. Da die Ausgangsspannung Vaus ein Mittelwert der Spannung Vs ist, ist

Vaus = (Tan/(Tan+Taus))×(Vein/n),

wobei Tan und Taus eine Ein- bzw. Ausschaltdauer des Schaltgeräts 4 sind.

Daher ist eine Regelung der Ausgangsspannung durch Variaton des Ein/Aus-Verhältnisses des Schaltgeräts 4 möglich.

Rücklauf-Typ

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines Schaltnetzteils des "Rücklauf-Typs" nach dem Stand der Technik. In Fig. 7 haben die Komponenten, die dieselbe Funktion haben wie die Komponenten in Fig. 5, die gleiche Numerierung, und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.

Fig. 8 (a) bis (d) zeigt Kurvenzüge im Schaltnetzteil, welches in Fig. 7 gezeigt ist.

• (a) ist ein Kurvenzug der Spannung Vds am Schaltgerät 4,
• (b) ist ein Kurvenzug des Stromes Id, der in das Schaltgerät 4 hineinfließt,
• (c) ist ein Ein/Aus-Signal Vg von der Steuerschaltung 14, welches das Steuergerät 4 steuert, und
• (d) ist ein Kurvenzug der Spannung Vs, welcher in der Sekundärwick­ lung (b) induziert wird.

Wenn zum Zeitpunkt t1 das Schaltgerät 4 durch das Ein/Aus-Signal Vg eingeschaltet wird, fließt ein Spitzenstrom in das Schaltgerät 4. Dieser wird verursacht durch einen Lade- und Entladestrom in eine verteilte Kapazität, in eine Kapazität zwischen einzelnen Windungen und in eine Kapazität zwischen einzelnen Wicklungen und durch einen Entladestrom in eine parasitäre Kapazität des Schaltgeräts 4. Dieser Spitzenstrom verursacht erhöhtes Rauschen, verringerte Zuverlässig­ keit und erhöhte Verlustleistung.

Wenn das Schaltgerät 4 einschaltet, wird die Spannung Vds am Schalt­ gerät 4 klein genug, und die Eingangsspannung Vein liegt an der Pri­ märwicklung 3a des Transformators 3 an. Weiterhin wird eine Spannung (Vein/n) in der Sekundärwicklung 3b induziert, und die Diode 10 wird negativ vorgespannt und sperrt. Konsequenterweise fließt ein steigen­ der Erregerstrom des Transformators 3 in die Primärwicklung 3a. Hier­ bei ist n ein Windungszahlverhältnis der Primärwicklung 3a zur Sekun­ därwicklung 3b.

Wenn zum Zeitpunkt t2 das Schaltgerät 4 durch das Ein/Aus-Signal Vg ausgeschaltet wird, wird eine Spitzenspannung durch eine Leckinduk­ tivität des Transformators 3 induziert. Diese Spitzenspannung verur­ sacht Rauschen und Verlustleistung.

Weiterhin wird ein Rücklaufpuls in der Sekundärwicklung 3b induziert, die Diode 10 leitet und ist an die Ausgangsspannung Vaus geklemmt, welche vom Kondensator 11 konstantgehalten wird. Die Spannung (Vein+n×Vaus) liegt am Schaltgerät 4. Wenn zum Zeitpunkt t3 das Schaltge­ rät 4 durch das Ein/Aus-Signal eingeschaltet wird, liegt die Quellen­ gleichspannung Vein an der Primärwicklung 3a an. Die Spannung (Vein/n) wird in der Sekundärwicklung 3b induziert, und die Diode 15 sperrt. Die Ausgangsspannung Vaus wird wie folgt ausgedrückt:

Vaus=(Tan/Taus)×(Vein/n),

wobei Tan eine Ein- und Taus eine Ausschaltdauer des Schaltgeräts 4 ist. Daher ist eine Regelung der Ausgangsspannung durch Variation des Ein/Aus-Verhältnisses des Schaltgeräts 4 möglich.

Jedoch wird sowohl beim Vorwärts-Typ als auch beim Rücklauf-Typ nach dem Stand der Technik ein Spitzenstrom beim Einschalten des Schaltge­ räts 4 induziert und eine Spitzenspannung beim Ausschalten des Schaltgeräts 4 induziert, und eine einlaufende Spannung baut sich auf, wenn die Diode 16 oder 10 sperrt. Nachteilig ist dabei, daß der Spitzenstrom, die Spitzenspannung und die einlaufende Spannung an der Diode Rauschen verursachen, das elektronische Gerät stören und Ver­ lustleistung verursachen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil mit einer Schaltungsanordnung, die eine Reihenschaltung einer ersten Schalteinrichtung und einer zweiten Schalteinrichtung enthält, wobei beide zu gewissen Zeitpunkten nach Maßgabe von Signalen einer Steuer­ schaltung ein- und ausgeschaltet werden, wobei diese Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist.

Weiterhin enthält die Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Er­ findung eine Reihenschaltung eines ersten Kondensators, einer Primär­ wicklung eines Transformators, welcher eine oder mehrere Sekundär­ wicklungen besitzt und nötigenfalls einer Spule, wobei diese Reihen­ schaltung der zweiten Schalteinrichtung parallel geschaltet ist.

Die Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung besitzt auch eine Gleichrichtungs- und Filterungseinrichtung, welche den Sekundär­ wicklungen parallel geschaltet ist.

Die Ausgangsgleichspannung wird von den Sekundärwicklungen über die Gleichrichtungs- und Filterungseinrichtung abgegriffen, wenn die zweite Schalteinrichtung eingeschaltet ist.

Entweder der erste Kondensator oder der zweite Kondensator, eine Leckinduktivität des Transformators oder eine externe Spule, welche zwischen dem ersten Kondensator und der Primärwicklung des Transfor­ mators geschaltet ist, verursachen eine Serienresonanz in einem ge­ schlossenen Schaltkreis, welcher aus dem ersten Kondensator, der Pri­ märwicklung des Transformators und der zweiten Schalteinrichtung be­ steht. Eine weitere Resonanz in einem geschlossenen Schaltkreis wird verursacht durch den ersten Kondensator und die Primärwicklung des Transformators, der ersten Schalteinrichtung und der Gleichspannungs­ quelle.

Nach der vorliegenden Erfindung werden keine Spitzenspannungen oder Spitzenströme erzeugt, wenn der Primärschaltkreis des Transformators 3 auf Massepotential geschaltet wird. Wenn der Strom, der in die Se­ kundärwicklung des Transformators und in die Gleichrichterdiode, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, fließt, sinusförmig wird, werden der Sperrstrom der Gleichrichterdiode und die einlaufende Sperrspannung sehr klein. Daher können durch Rauschen verursachte Störungen des elektronischen Gerätes und Verlustleistungen im Schalt­ netzteil sehr stark reduziert werden.

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan eines Schaltnetzteils nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt Kurvenformen in einem Schaltnetzteil, welches in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt einen Schaltplan eines Schaltnetzteils nach einer weite­ ren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt Kurvenformen in einem Schaltnetzteil, welches in Fig. 3 gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schaltnetzteils nach dem Stand der Technik.

Fig. 6 zeigt Kurvenformen in einem Schaltnetzteil, welches in Fig. 5 gezeigt ist.

Fig. 7 zeigt einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schaltnetzteils nach dem Stand der Technik.

Fig. 8 zeigt Kurvenformen in einem Schaltnetzteil, welches in Fig. 7 gezeigt ist.

(1. Ausführungsbeispiel)

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 1 und in Fig. 2 (a) bis (g) gezeigt. Fig. 1 zeigt einen Schaltplan des Schaltnetzteils. In Fig. 1 ist 1 eine Gleichspannungsquelle, wobei die Anschlüsse 2 und 2′ der Gleichspannungsquelle 1 ein positiver bzw. ein negativer Anschluß sind. 3 ist ein Transformator, welcher eine Primärwicklung 3a und eine Sekundärwicklung 3b hat. Die Wick­ lungsrichtung der Sekundärwicklung ist der der Primärwicklung 3a ent­ gegengerichtet. Eine erste Schalteinrichtung besteht aus einer Pa­ rallelschaltung eines ersten Schaltgeräts 4 und einer ersten Diode 5. Eine zweite Schalteinrichtung besteht aus einer Parallelschaltung eines zweiten Schaltgeräts 7 und einer zweiten Diode 8. 6 ist ein er­ ster Kondensator. Ein zweiter Kondensator 9 ist mindestens einem der Schaltgeräte 4 und 7 parallelgeschaltet und unterdrückt einen steilen Spannungssprung am ersten Schaltgerät 4 und am zweiten Schaltgerät 7. 10 ist eine Gleichrichterdiode, und 11 ist ein Filterkondensator. 12 ist eine Schaltungsinduktivität, die aus einer Leckinduktivität der Primärwicklung 3a und/oder einer extern beschalteten Spule besteht. Der erste Kondensator 6 und die Schaltungsinduktivität verursachen eine Resonanz, wobei diese Resonanz die Kurvenform des Stromes durch die Diode 10 sinusförmig werden läßt. Die externe Spule wird zuge­ schaltet, wenn die nur aus einer Leckinduktivität des Transformators bestehende Schaltungsinduktivität nicht ausreicht, um eine erwünschte Resonanzperiode zu erreichen. 13 und 13′ sind Ausgangsanschlüsse. 14 ist eine Steuerschaltung, die ein Ein/Aus-Verhältnis vorgegebener Zeiten des ersten Schaltgeräts 4 und des zweiten Schaltgeräts 7 variiert.

Fig. 2 (a) bis (g) zeigt Kurvenformen im Schaltnetzteil, welches in Fig. 1 gezeigt ist.

(a) zeigt eine Kurvenform einer Spannung Vds1, die am ersten Schalt­ gerät 4 anliegt.

(b) zeigt eine Kurvenform des Stromes I11, welcher in das erste Schaltgerät 4 oder in die erste Diode 5 (ohne den Kondensator 9) fließt.

(c) zeigt eine Kurvenform der Spannung Vg1 von der Steuerschaltung 14, die das erste Schaltgerät 4 steuert.

(d) zeigt eine Kurvenform des Stromes I12, der in das zweite Schalt­ gerät 7 oder die zweite Diode 8 fließt.

(e) zeigt eine Kurvenform der Treiberspannung Vg2 von der Steuer­ schaltung 14, die das zweite Schaltgerät 7 steuert.

(f) zeigt eine Kurvenform des Stromes I2, welcher in die Sekundär­ wicklung 3b fließt.

(g) zeigt eine Kurvenform des magnetischen Flusses des Transformators 3.

(t1-t2): wenn das erste Schaltgerät 4 zum Zeitpunkt t1 ausschaltet, während das zweite Schaltgerät 7 aus ist, wird der zweite Kondensator 9 durch einen Erregerstrom durch die Primärwicklung 3a aufgeladen, und die Spannung Vds1 am ersten Schaltgerät 4 steigt allmählich an.

(t2-t3): wenn zum Zeitpunkt t3 die Spannung Vds1 am ersten Schalt­ gerät 4 höher wird als die Quellengleichspannung Vein, beginnt die zweite Diode 8 zu leiten, und eine Erregungsenergie, welche in der Primärwicklung 3a gespeichert ist, wird durch die zweite Diode 8, den ersten Kondensator 6 und die Leckinduktivität oder die externe Spule 12 der Primärwicklung 3a freigesetzt. Da hier ein stetiger Strom in die Primärwicklung 3a fließt, wird keine Spitzenspannung durch die Leckinduktivität des Transformators 3 erzeugt.

(t3-t4): wenn die Spannung Vc am ersten Kondensator 6 ansteigt und die induzierte Spannung an der Sekundärwicklung 3b höher wird als die Ausgangsspannung Vaus, wird die Gleichrichterdiode 10 positiv vorge­ spannt und beginnt zu leiten. Die Energie, die in der Primärwicklung 3a gespeichert ist, wird über die zweite Diode 8, den ersten Konden­ sator 6 und die Leckinduktivität oder die externe Spule 12 der Pri­ märwicklung 3a freigesetzt. Dieser Strom wird als I12 bezeichnet. Der induzierte Strom I2 in der Sekundärwicklung 3b wird durch den Filter­ kondensator 11 gefiltert, und die Gleichspannung Vaus liegt an den Ausgangsanschlüssen 13 und 13′ an.

(t2-t5): wenn das zweite Schaltgerät 7 einschaltet, fließt der Pri­ märstrom I12 durch entweder die zweite Diode 8 oder das zweite Schaltgerät 7, wobei die Funktion die gleiche ist, egal durch welches der beiden Elemente der Primärstrom I12 fließt. Hierbei ist die Span­ nung am ersten Schaltgerät 4 nur gleich der Quellengleichspannung Vein, wogegen beim Stand der Technik die Spannung am Schaltgerät 4 beim Vorwärts-Typ (2×Vein) und beim Rücklauf-Typ ((Tan+Taus)/Taus)×Vein betrug.

(t3-t4): zum Zeitpunkt t2 steigt der zweite Strom I2 von Null ausge­ hend an. Wenn die zweite Diode 8 leitet, entsteht eine Resonanz in einer geschlossenen Schleife, welche aus dem Transformator 3, dem zweiten Schaltgerät 7, dem ersten Kondensator 6 und der Leckindukti­ vität oder der externen Spule 12 besteht. Die Resonanzperiode hängt vom ersten Kondensator 6 und der Leckinduktivität oder der externen Spule 12 ab und stellt sich auf einen Wert ein, der klein genug ist. Die Kurvenform des Sekundärstroms I2 wird durch eine Resonanz sinus­ förmig, wie in Fig. 2 (f) gezeigt ist.

Wenn hierbei der Transformator 3 seine gespeicherte Energie abgibt und die Spannung Vc am ersten Kondensator 6 an der Primärwicklung 3a anliegt, nimmt der magnetische Fluß linear ab. Der Sekundärstrom I2 wird zu einer Summe aus dem Erregerstrom, welcher den magnetischen Fluß induziert, und dem Primärstrom, welcher ein Resonanzstrom ist. Wenn die Resonanzperiode des Stromes klein genug wird, nimmt der Se­ kundärstrom I2 ab und wird bald zu Null, was die Gleichrichterdiode 10 sperrt.

In der Primärwicklung 3a fließt ein sinusförmiger Resonanzstrom wäh­ rend der Zeitdauer, in welcher die Diode 10 leitet, d. h. (t3-t4), aber wenn die Gleichrichterdiode 10 zum Zeitpunkt t4 sperrt, wird der Resonanzstrom zu Null und nur ein Erregerstrom fließt.

(t4-t5): während dieser Zeit wird der Primärstrom negativ, aber wenn das zweite Schaltgerät 7 an ist, wird die Resonanz aufrechterhalten, und der Entladestrom des ersten Kondensators 6 fließt durch die Pri­ märwicklung 3a und durch das zweite Schaltgerät 7. Selbst nachdem die Energie abgegeben wurde, die im Transformator 3 während der Ein­ schaltzeit des ersten Schaltgeräts 4 gespeichert wurde, wird der Transformator 3 rückwärtig erregt, und Energie wird in ihm in Gegen­ richtung gespeichert, weil die Gleichspannung Vc des ersten Kondensa­ tors 6 über das zweite Schaltgerät 7 an der Primärwicklung 3a an­ liegt.

(t5-t6): während dieser Zeit sind beide Schaltgeräte ausgeschaltet. Wenn das zweite Schaltgerät 7 zum Zeitpunkt t5 abschaltet, wird der zweite Kondensator 9 durch die rückwärtige Erregungsenergie des Transformators 3 entladen, und die Spannung Vds1 am ersten Schalt­ gerät 4 nimmt allmählich ab. Die Spannungen an den Wicklungen 3a und 3b des Transformators 3 wechseln ihre Polarität, d. h. die Seite der Primärwicklung 3a, an der sich das erste Schaltgerät befindet, wird negativ und die Seite der Primärwicklung 3a, an der sich der erste Kondensator befindet, wird positiv durch die in der Primärwicklung 3a induzierte Spannung. Daher fließt über die erste Diode 5 der Primär­ strom I11 in die Gleichspannungsquelle 1, um diese aufzuladen, und die Energie, die im Transformator 3 während der Ausschaltperiode ge­ speichert wurde, wird an die Gleichspannungsquelle 1 zurückgeliefert.

(t6-t7): während der Zeit von t6 bis t7 ist das erste Schaltgerät 4 eingeschaltet und das zweite Schaltgerät 7 ausgeschaltet, die Span­ nungsdifferenz (Vein-Vc) zwischen der Quellengleichspannung Vein und der Spannung Vc am ersten Kondensator 6 liegt an der Primärwick­ lung 3a an, ein Fluß im Transformator 3 wird durch den Primärstrom I11, der in die Primärwicklung 3a fließt, induziert, und Energie wird durch den magnetischen Fluß gespeichert. In der Sekundärwicklung 3b wird ebenfalls eine Spannung mit einer Polarität, die die Gleichrich­ terdiode 10 und die zweite Diode 8 negativ vorspannt, induziert, und das zweite Schaltgerät 7 ist ausgeschaltet. Hierbei ist die Spannung am zweiten Schaltgerät 7 nur so groß wie die Quellengleichspannung Vein (nicht höher als Vein).

Wenn das erste Schaltgerät 4 durch ein Ein/Aus-Signal von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet wird, fließt der Primärstrom I11 entweder durch die erste Diode 5 oder durch das erste Schaltgerät 4. Die Funktion ist jedoch dieselbe, egal durch welches der beiden Elemente der Primärstrom I11 fließt. Wenn all die Energie, die im Transformator 3 während der Ausschaltdauer gespeichert wurde, freigesetzt und der Primärstrom Null geworden ist, fließt der Primär­ strom I11 in entgegengesetzter Richtung zu der obengenannten von der Gleichspannungsquelle 1 durch das erste Schaltgerät in die Primär­ wicklung 3a, und ein Fluß wird im Transformator induziert, wobei Energie gespeichert wird.

In diesem Zustand ändert sich die Polarität der in der Primärwicklung 3a induzierten Spannung nicht, und das erste Schaltgerät 4 bleibt entsprechend einem Ein/Aus-Signal von der Steuerschaltung 14 einge­ schaltet. Wenn das erste Schaltgerät 4 entsprechend einem Signal von der Steuerschaltung 14 ausgeschaltet wird, wird der zweite Kondensa­ tor 9 über die Primärwicklung 3a durch die im Transformator 3 ge­ speicherte Energie aufgeladen. Obwohl der Einschaltzeitpunkt (Beginn des Leitens) der zweiten Diode 8 und der Einschaltzeitpunkt der Gleichrichterdiode 10 in Abhängigkeit vom Laststrom variieren können, entstehen keine Probleme bei der Stromresonanz.

Wenn eine Einschaltdauer des ersten Schaltgeräts 4 oder der ersten Diode 5 Tan ist, eine Einschaltdauer des zweiten Schaltgeräts 7 oder der zweiten Diode 8 Taus ist, und die Zeiten (t1-t2) und (t5-t6), in denen alle Schaltgeräte und Dioden ausgeschaltet bzw. gesperrt sind, vernachlässigt werden, kann die folgende Gleichung unter der Bedin­ dung, daß ein Rückstellfluß in der Primärwicklung 3a herrscht, herge­ leitet werden.

(Vein-Vc)×Tan=Vc×Taus.

Daher ist die Spannung Vc am ersten Kondensator 6

Vc=(Tan/(Tan+Taus))×Vein.

Wenn das Windungszahlverhältnis zwischen der Primärwicklung 3a und der Sekundärwicklung 3b (n : 1) ist, so ist die Ausgangsgleichspan­ nung

Vaus = Vc/n
= (Tan/(Tan+Taus))×(Vein/n).

Daher kann die Ausgangsgleichspannung durch Variation des Ein/Aus- Verhältnisses des ersten Schaltgeräts 4 und des zweiten Schaltgeräts 7 geregelt werden.

Wie oben beschrieben wurde, kann der Strom durch die Gleichrichter­ diode 10 eine resonanzartige Kurvenform besitzen und daher kann das Schalten bei einem Zustand erfolgen, in dem der Strom Null ist, und der Abschaltstrom des zweiten Schaltgeräts sowie die Schaltverluste beim Abschalten können gering gehalten werden. Da die Kurvenformen der Spannungen, die am ersten Schaltgerät 4 und am zweiten Schaltge­ rät 7 anliegen, keine steilen Flanken enthalten, besteht weiterhin der Vorteil, daß Erzeugung von Rauschen und von Schaltverlusten im ersten Schaltgerät 4 und im zweiten Schaltgerät 7 unterdrückt werden. Da der erste Kondensator 6 und die zweite Diode 8 in einer Blockier­ schaltung (clamping Schaltung) angeordnet sind, werden keine Span­ nungssprünge durch das Einschalten des ersten Schaltgeräts 4 erzeugt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Dies ist auch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung. Da beide Spannungen, die am ersten Schaltgerät 4 und am zweiten Schaltgerät 7 anliegen, nicht höher sind als die Quellengleichspannung Vein, besteht im Vergleich zum Stand der Technik die Möglichkeit einer niedrigeren Spannungsauslegung der Schaltung.

(2. Ausführungsbeispiel)

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in den Fig. 3 und 4 (a) bis (g) gezeigt. Fig. 3 zeigt einen Schaltplan. Die Sekundärwicklung 3b des Transformators 3 besitzt dieselbe Wick­ lungsrichtung wie die Primärwicklung.

Die Fig. 4 (a) bis (g) zeigen Kurvenformen im Schaltnetzteil, welches in Fig. 3 gezeigt ist.

(a) zeigt die Kurvenform einer Spannung Vds1, die am ersten Schalt­ gerät 4 anliegt.

(b) zeigt die Kurvenform des Stromes I11, der in das erste Schaltge­ rät 4 oder die erste Diode 5 (ohne den Kondensator 9) fließt.

(c) zeigt die Kurvenform der Spannung Vg1 von der Steuerschaltung 14, die das erste Schaltgerät 4 steuert.

(d) zeigt die Kurvenform des Stromes I12, welcher in das zweite Schaltgerät 7 oder die zweite Diode 8 fließt.

(e) zeigt die Kurvenform der Spannung Vg2 der Steuerschaltung 14, die das zweite Schaltgerät 7 steuert.

(f) zeigt den Strom I2, welcher in die Sekundärwicklung 3b fließt.

(g) zeigt die Kurvenform eines magnetischen Flusses durch den Transformator 3.

(t1-t2): während dieser Zeit (t1-t2) ist das erste Schaltgerät 4 ein­ geschaltet und das zweite Schaltgerät 7 ausgeschaltet, wobei beide durch ein Ein/Aus-Signal von der Steuerschaltung 14 gesteuert werden. Somit liegt die Quellengleichspannung 1 über den ersten Kondensator 6 an der Primärwicklung 3a an, und die Spannung an der Primärwicklung 3a wird zu (Vein-Vc), wobei Vc die Spannung am ersten Kondensator 6 ist. Durch den Strom I11, der in die Primärwicklung 3a fließt, wird ein magnetischer Fluß im Transformator 3 induziert, und Energie wird in ihm gespeichert. In der Sekundärwicklung 3b wird eine Spannung in­ duziert, die die Gleichrichterdiode 10 leiten läßt, und ein Ausgangs­ strom I2 fließt. Die induzierte Spannung wird durch einen Filterkon­ densator 11 gefiltert und liegt an den Ausgangsanschlüssen 13 und 13′ an.

Der erste Kondensator 6 und die Schaltungsinduktivität 12 erzeugen eine Resonanz. Wenn die Resonanzperiode klein genug ist, wird die Kurvenform des Ausgangsstromes sinusförmig. Der Kurvenzug steigt aus­ gehend vom Wert Null zum Zeitpunkt t1 an und fällt dann wieder ab, um zum Zeitpunkt t2 wieder den Wert Null zu erreichen. Daher schaltet die Gleichrichterdiode 10, wenn der Strom Null ist, und somit wird keine einlaufende Spannung erzeugt. Während dieser Zeitdauer ist die Spannung am zweiten Schaltgerät 7 und an der zweiten Diode 8 nur (nicht höher als) die Quellengleichspannung Vein. In der Primärwicklung 3a fließt die Summe aus einem Erregerstrom und einem Strom, der von der Sekundärwicklung zur Primärwicklung übertragen wird.

t3: wenn das erste Schaltgerät 4 zum Zeitpunkt t3 durch ein Signal von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet wird, wird der zweite Kon­ densator 9 durch eine Erregungsenergie des Transformators 3 aufgela­ den, und die Spannung Vds1 am ersten Schaltgerät 4 steigt allmählich an. Wenn ein rücklaufender Puls in der Primärwicklung 3a induziert und die zweite Diode 8 positiv vorgespannt wird, wird eine im Trans­ formator 3 gespeicherte Energie als ein Primärstrom I12 durch die Primärwicklung 3a und den zweiten Kondensator 8 freigesetzt und liegt als eine Gleichspannung Vc am ersten Kondensator 6 an, nachdem sie durch den ersten Kondensator 6 gefiltert wurde.

t4: wenn zum Zeitpunkt t4 das zweite Schaltgerät 7 durch ein Signal von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet wird, fließt der Primärstrom I12 entweder durch die zweite Diode 8 oder durch das zweite Schalt­ gerät 7. Die Funktion ist jedoch dieselbe, egal durch welches der beiden Elemente der Strom I12 fließt. Da hierbei eine rücklaufende Spannung in der Sekundärwicklung 3b induziert und die Gleichrichter­ diode 10 negativ vorgespannt wird, sperrt die Gleichrichterdiode 10, und es fließt kein Ausgangsstrom. Obwohl die Spannung Vc aus der Sum­ me einer Gleichspannung und einer Resonanzspannung, welche in ihrer Amplitude von Zeit zu Zeit variiert, besteht, kann letztere sich auf einen Wert einstellen, der gering genug ist.

Während der Zeit zwischen t4 und t5 ist die Spannung am ersten Schaltgerät 4 nur gleich der Quellengleichspannung Vein (nicht höher als Vein), da das erste Schaltgerät 4 ausgeschaltet und das zweite Schaltgerät 7 eingeschaltet ist.

Wenn zum Zeitpunkt t5 das zweite Schaltgerät 7 durch ein Signal von der Steuerschaltung 14 ausgeschaltet wird, wechseln die Spannungen, die in den Wicklungen 3a und 3b induziert werden, ihre Polarität. Das heißt, die Seite der Primärwicklung 3a, an der das erste Schaltgerät angeschlossen ist, wird negativ und die Seite der Primärwicklung 3a, an der der erste Kondensator angeschlossen ist, wird positiv durch die in der Primärwicklung 3a induzierte Spannung. Daher fließt der Strom 111 durch die erste Diode 5, um die Gleichspannungsquelle 1 aufzuladen, und die im Transformator 3 während der Ausschaltperiode gespeicherte Energie wird an die Gleichspannungsquelle 1 zurückge­ führt.

t6 = t1: wenn das erste Schaltgerät 4 durch ein Signal von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet wird, fließt der Primärstrom I11 entweder durch die erste Diode 5 oder durch das erste Schaltgerät 4. Die Funktion ist jedoch dieselbe, egal durch welches der beiden Elemente der Primärstrom I11 fließt.

Wenn all die Energie, die im Transformator 3 während der Ausschalt­ periode gespeichert wurde, freigesetzt wurde und der Primärstrom zu Null geworden ist, fließt der Strom I11 in der zur vorher genannten entgegengesetzten Richtung von der Gleichspannungsquelle 1 durch das erste Schaltgerät in die Primärwicklung 3a, und ein Fluß wird im Transformator 3 induziert, wobei Energie gespeichert wird. In diesem Zustand wechselt die in der Primärwicklung 3a induzierte Spannung ihre Polarität nicht und das erste Schaltgerät 4 bleibt entsprechend dem Ein/Aus-Signal von der Steuerschaltung 14 eingeschaltet. Durch die wiederholte Durchführung der obengenannten Schritte liegt eine Gleichspannung an den Ausgangsanschlüssen 13 und 13′ an. Obwohl der Einschaltzeitpunkt (Beginn des Leitens) der zweiten Diode 8 und der Einschaltzeitpunkt der Gleichrichterdiode 10 in Abhängigkeit vom Laststrom variieren können, entstehen keine Probleme bei der Strom­ resonanz.

Wenn eine Einschaltdauer des ersten Schaltgeräts 4 oder der ersten Diode 5 Tan ist, eine Einschaltperiode des zweiten Schaltgeräts 7 oder der zweiten Diode 8 Taus ist, und die Zeitdauern (t3-t4) und (t5-t6), in denen alle Schaltgeräte und die Dioden ausgeschaltet bzw. gesperrt sind, vernachlässigt werden, kann die folgende Gleichung un­ ter einer Rückstellbedingung eines magnetischen Flusses in der Pri­ märwicklung 3a hergeleitet werden:

(Vein-Vc)×Tan = Vc×Taus.

Daher ist die Spannung Vc am ersten Kondensator 6

Vc = (Tan/(Tan+Taus))×Vein.

Wenn das Windungszahlverhältnis zwischen der Primärwicklung 3a und der Sekundärwicklung 3b (n:1) ist, so ist die Ausgangsgleichspan­ nung

Vaus = (Vein-Vc)/n
= (Taus/(Tan+Taus))×(Vein/n).

Daher kann die Ausgangsgleichspannung durch Variation des Ein/Aus- Verhältnisses des ersten Schaltgeräts 4 und des zweiten Schaltge­ räts 7 geregelt werden.

Wie obenstehend beschrieben wurde, kann das Schalten dann erfolgen, wenn der Strom Null ist, da der Strom durch die Gleichrichterdiode 10 eine resonanzartige (periodische) Kurvenform besitzt, und somit können der Abschaltstrom des zweiten Schaltgeräts sowie die Schaltverluste beim Abschalten verringert werden. Da weiterhin auch die Kurvenformen der Spannungen, die am ersten Schaltgerät 4 und am zweiten Schaltgerät 7 anliegen, keine steilen Flanken enthalten, besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß störendes Rauschen und Schaltverluste im ersten Schaltgerät 4 und im zweiten Schaltgerät 7 unterdrückt werden. Da der erste Kondensator 6 und die zweite Diode 8 in einer Blockierschaltung (clamping Schaltung) angeordnet sind, werden keine Spannungsprünge erzeugt, wie dies beim Abschalten des ersten Schaltgeräts 4 beim Stand der Technik der Fall ist. Dies ist ebenfalls ein Vorteil der vorliegenden Erfindung. Da die beiden Spannungen, die am ersten Schaltgerät 4 und am zweiten Schaltgerät 7 anliegen, nicht höher als die Quellengleichspannung Vein sind, ist hier im Vergleich zum Stand der Technik eine niedrigere Spannungsauslegung der Schaltung möglich.

Wie voranstehend beschrieben wurde, ist hier der zweite Kondensator dem ersten Schaltgerät 4 parallel geschaltet, er kann jedoch auch nur dem zweiten Schaltgerät 7 oder auch beiden Schaltgeräten 4 und 7 parallel geschaltet sein.

Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt das Einschalten des ersten und zweiten Schaltgerätes, nachdem die Energie, die in parasitären Kapazitäten dieser Schaltgeräte oder in verteilten Kapazitäten des Transformators gespeichert war, abgegeben wurde. Daher erfolgt keine Erzeugung von Spitzenströmen. Weiterhin erfolgt auch beim Abschalten des ersten und zweiten Schaltgeräts 4 und 7 keine Erzeugung von Spit­ zenspannungen durch Leckinduktivitäten des Transformators. Außerdem ist ein Strom, der in den Transformator fließt, immer stetig, und Va­ riationen der Einschaltdauer und Ausschaltdauer der Schaltgeräte durch den Lastzustand werden unterdrückt. Da wegen der resonanzarti­ gen (periodischen) Kurvenform des Stromes die Gleichrichterdiode bei einem Strom gleich Null geschaltet werden kann, entsteht in der Gleichrichterdiode beim Abschalten keine einlaufende Spannung, der Abschaltstrom der Schaltgeräte und die Schaltverluste beim Abschalten können reduziert werden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung mit anderen Details sind denkbar, ohne vom Grundgedanken oder den prinzipiellen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung soll daher in jeder Hinsicht der Illustration und nicht der Einschränkung dienen, wobei der gesamte Anwendungsbereich der Erfin­ dung eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die voranstehende Beschreibung dargestellt werden soll. Alle Änderungen dieses Ausfüh­ rungsbeispieles, die ein ähnliches oder gleichwertiges Resultat zur Folge haben, sollen daher durch die Patentansprüche abgedeckt werden.

Claims (4)

1. Schaltnetzteil, dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste Schalteinrichtung (4, 5) und eine zweite Schalteinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die hintereinander in Serie geschaltet und einer Gleichspannungsquelle (1) parallel geschaltet sind, wobei die erste Schalteinrichtung (4, 5) und die zweite Schalteinrichtung (7, 8) wiederholt und zueinander abwechselnd nach Maßgabe eines entsprechenden Steuersignals aus einer Mehrzahl von Steuersignalen (Vg1, Vg2), die von einer Steuerschaltung (14) erzeugt werden, ein- und ausgeschaltet werden, wobei die erste und zweite Schalteinrichtung (4, 5; 7, 8) aus einem Schaltgerät (4; 7) und einer dazu parallel geschalteten Diode (5; 8) bestehen;
eine Serienschaltung (6, 3a) aus einem ersten Kondensator (6) und einer Primärwicklung (3a) eines Transformators (3) vorgesehen ist, wobei der Transformator (3) mindestens die Primärwicklung (3a) und eine Sekundärwicklung (3b) besitzt und diese Serienschaltung (6, 3a) der zweiten Schalteinrichtung (7, 8) parallel geschaltet ist;
eine Gleichrichtungs-Filterungseinrichtung (10, 11) vorgesehen ist, die der Sekundärwicklung (3b) parallel geschaltet ist;
ein Ausgangs-Gleichspannungssignal (Vaus) von der Sekundärwicklung (3b) über die Gleichrichtungs-Filterungseinrichtung (10, 11) erhalten wird, während die zweite Schalteinrichtung (7, 8) eingeschaltet ist;
eine Resonanz in einem geschlossenen Schaltkreis durch den ersten Kondensator (6) und eine Schaltungsinduktivität erzeugt wird, wobei der geschlossene Schaltkreis aus dem ersten Kondensator (6), einer Leckinduktivität des Transformators (3) und/oder einer extern be­ schalteten Spule (12), der Primärwicklung (3a) des Transformators (3) und der zweiten Schalteinrichtung (7, 8) besteht; und
ein Resonanzstrom in der Primärwicklung (3a) und in der Sekundärwick­ lung (3b) des Transformators (3) fließt.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein zweiter Kondensator (9) mindestens einer der Schalteinrichtungen (4, 5; 7, 8) parallel geschaltet ist, und
die von der Steuerschaltung (14) erzeugten Steuersignale (Vg1, Vg2) einen Zeitabschnitt besitzen, während dem die erste Schalteinrichtung (4, 5) und die zweite Schalteinrichtung (7, 8) ausgeschaltet sind.

3. Schaltnetzteil, dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste Schalteinrichtung (4, 5) und eine zweite Schalteinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die hintereinander in Serie geschaltet und einer Gleichspannungsquelle (1) parallel geschaltet sind, wobei die erste Schalteinrichtung (4, 5) und die zweite Schalteinrichtung (7, 8) wiederholt und zueinander abwechselnd nach Maßgabe eines entsprechenden Steuersignals aus einer Mehrzahl von Steuersignalen (Vg1, Vg2), die von einer Steuerschaltung (14) erzeugt werden, ein- und ausgeschaltet werden, wobei die erste und zweite Schalteinrichtung (4, 5; 7, 8) aus einem Schaltgerät (4; 7) und einer dazu parallel geschalteten Diode (5; 8) bestehen,
eine Serienschaltung (6, 3a) aus einem ersten Kondensator (6) und einer Primärwicklung (3a) eines Transformators (3) vorgesehen ist, wobei der Transformator (3) mindestens die Primärwicklung (3a) und eine Sekundärwicklung (3b) besitzt und diese Serienschaltung (6, 3a) der zweiten Schalteinrichtung (7, 8) parallel geschaltet ist;
eine Gleichrichtungs-Filterungseinrichtung (10, 11) vorgesehen ist, die der Sekundärwicklung (3b) parallel geschaltet ist;
ein Ausgangs-Gleichspannungssignal (Vaus) von der Sekundärwicklung (3b) über die Gleichrichtungs-Filterungseinrichtung (10, 11) erhalten wird, während die erste Schalteinrichtung (4, 5) eingeschaltet ist;
eine Resonanz in einem geschlossenen Schaltkreis durch den ersten Kondensator (6) und eine Schaltungsinduktivität erzeugt wird, wobei der geschlossene Schaltkreis aus dem ersten Kondensator (6), einer Leckinduktivität des Transformators (3) und/oder einer extern be­ schalteten Spule (12), der Primärwicklung (3a) des Transformators (3), der ersten Schalteinrichtung (4, 5) und der Gleichspannungs­ quelle (1) besteht; und
ein Resonanzstrom in der Primärwicklung (3a) und in der Sekundärwick­ lung (3b) des Transformators (3) fließt.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein zweiter Kondensator (9) mindestens einer der Schalteinrichtungen (4, 5; 7, 8) parallel geschaltet ist, und
die von der Steuerschaltung (14) erzeugten Steuersignale (Vg1, Vg2) einen Zeitabschnitt besitzen, während dem die erste Schalteinrichtung (4, 5) und die zweite Schalteinrichtung (7, 8) ausgeschaltet sind.