DE4319800C1 - Quasi-resonant transducer network stage - Google Patents

Quasi-resonant transducer network stage

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Abstract

The network stage has a DC source (Ue) connected across two series controlled switches (S1,S2), in parallel with two blocking diodes (D1,D2). One of the switches lies in parallel with a series resonance circuit with a coil (L) and a capacitor (C1).The coil is connected at one end to the junction between the two switches and at the other end to the junction between the two diodes, the capacitor connected across one of the diodes. The coil is pref. provided by the primary winding of a transformer (Tr) having a low permeability core.

Description

Die Erfindung betrifft ein Quasiresonanzwandler-Schalt­ netzteil, wie es im Prinzip in Fig. 1 dargestellt ist (DE 37 36 800 C2). Dort sind einer Gleichspannungsquelle Ue die Serienschal­ tung eines ersten steuerbaren Leistungsschalters S1 und eines zweiten steuerbaren Leistungsschalters S2, die bei­ spielsweise Leistungstransistoren sein können, und die Serienschaltung aus zwei in Sperrichtung gepolten Dioden D1 und D2, parallel geschaltet. Dem zweiten Leistungs­ schalter S2 ist die einen Serienresonanzkreis bildende Serienschaltung aus der Primärwicklung L eines Transforma­ tors Tr und eines Kondensators C1 parallel geschaltet, wobei die Primärwicklung L des Transformators Tr mit ihrem einen Ende mit dem Verbindungspunkt der beiden Leistungs­ schalter S1, S2 und mit ihrem anderen Ende mit dem Verbin­ dungspunkt der beiden Dioden D1, D2 verbunden ist. Die in den Serienresonanzkreis eingekoppelte Energie wird über die Sekundärwicklung des Transformators und einen aus zwei Dioden D3, D4 und einem weiteren Kondensator C2 gebildeten Gleichrichter einer Last R zugeführt.The invention relates to a quasi-resonance converter switching power supply, as shown in principle in Fig. 1 (DE 37 36 800 C2). There are a DC voltage source Ue, the series circuit device of a first controllable circuit breaker S1 and a second controllable circuit breaker S2, which can be power transistors in example, and the series circuit of two reverse-polarized diodes D1 and D2, connected in parallel. The second power switch S2 is a series resonance circuit forming the series circuit of the primary winding L of a transformer Tr and a capacitor C1 connected in parallel, the primary winding L of the transformer Tr with one end to the connection point of the two power switches S1, S2 and with it the other end is connected to the connection point of the two diodes D1, D2. The energy coupled into the series resonance circuit is fed to a load R via the secondary winding of the transformer and a rectifier formed from two diodes D3, D4 and a further capacitor C2.

Die Funktion dieser bekannten Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 mittels Signallaufplänen als strichlierte Alterna­ tive dargestellt. Wenn der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet wird, fließt ein Strom I durch den ersten Schalter S1 und die Primärwicklung L des Transformators Tr und lädt den Kondensator C1 auf, bis die Spannung U2 am Kondensator C1 den Wert der Gleichspan­ nungsquelle Ue erreicht hat. Der Kondensator C1 kann sich aufgrund der Diode D1 nicht weiter aufladen. Der Strom I durch die Primärwicklung L des Transformators Tr wird zunächst durch die Diode D1 und den Schalter S1 weiter­ fließen und dann auf Null Ampere abklingen. Die Spannung U1 am zweiten Schalter S2 nimmt dann denselben Wert an wie die Spannung U2 am Kondensator C. Dieser Zustand ist der Ausgangszustand im Diagramm gemäß Fig. 2. Wenn nun der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen wird, wird die Spannung U1 am zweiten Schalter S2 sprungartig auf Null Volt gehen - bzw. auf die Durch­ laßspannung des verwendeten Schaltertyps -, während sich die Spannung U2 am Kondensator C1 langsam verringern wird, bis sich der Kondensator C1 über die Primärwicklung L des Transformators Tr und den zweiten Schalter S2 entladen hat. Aufgrund der zweiten Diode D2 kann sich der Konden­ sator C1 nicht auf negative Werte aufladen. Durch die Ent­ ladung des Kondensators C1 fließt ein negativer Strom I durch die Primärwicklung L des Transformators Tr. Nach einer gewissen Zeit erreicht die Schaltungsanordnung wie­ der einen stabilen Zustand. Wird dann der erste Schalter S1 wieder geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet, so beginnt der gesamt Ablauf von vorne.The function of this known circuit arrangement is shown in Fig. 2 by means of signal schemes as dashed alternatives. When the first switch S1 is closed and the second switch S2 is opened, a current I flows through the first switch S1 and the primary winding L of the transformer Tr and charges the capacitor C1 until the voltage U2 across the capacitor C1 reaches the value of the DC voltage source Ue has reached. The capacitor C1 cannot continue to charge due to the diode D1. The current I through the primary winding L of the transformer Tr will initially continue to flow through the diode D1 and the switch S1 and then decay to zero amperes. The voltage U1 at the second switch S2 then takes on the same value as the voltage U2 at the capacitor C. This state is the initial state in the diagram according to FIG. 2. If the first switch S1 is now opened and the second switch S2 is closed, the voltage becomes U1 on the second switch S2 suddenly go to zero volts - or on the let-through voltage of the switch type used - while the voltage U2 on the capacitor C1 will slowly decrease until the capacitor C1 is above the primary winding L of the transformer Tr and the second switch S2 has discharged. Due to the second diode D2, the capacitor C1 cannot charge to negative values. By discharging the capacitor C1, a negative current I flows through the primary winding L of the transformer Tr. After a certain time, the circuit arrangement again reaches a stable state. If the first switch S1 is then closed again and the second switch S2 is opened, the entire process begins again.

Bei dem beschriebenen Typ eines Quasiresonanzwandler- Schaltnetzteils geht der Strom durch einen Leistungsschal­ ter aufgrund eines Serienresonanzkreises auf Null zurück, so daß der Leistungsschalter stromlos schalten kann. Da jedoch die am Schalter anliegende Spannung im Moment des Einschaltens hoch ist, muß der Schalter die in parasitären Kapazitäten enthaltene Energie verarbeiten.In the described type of quasi-resonance converter Switching power supply, the current goes through a power scarf ter returns to zero due to a series resonance circuit, so that the circuit breaker can switch off. There however the voltage at the switch at the moment of Turn on is high, the switch must be in parasitic Process capacities contained energy.

Bei einer weiteren Realisierungsform eines Quasiresonanz­ wandler-Schaltnetzteils schaltet der Leistungsschalter aufgrund eines vorhandenen Parallelresonanzkreises span­ nungslos. Der Stromfluß muß jedoch in der Umgebung eines Strommaximums unterbrochen werden. Da der Schaltvorgang aus Verlustleistungsgründen sehr schnell erfolgen muß, entstehen dabei elektromagnetische Störungen, die bis über 100 MHz reichen und mit Funkentstörmitteln nur schwer in Griff zu bekommen sind.In another implementation of quasi-resonance The power switch switches the converter switching power supply due to an existing parallel resonance circuit span unsuspecting. However, the current flow must be in the vicinity of a  Current maximum are interrupted. Because the switching process must be done very quickly for power loss reasons, This creates electromagnetic interference that exceeds 100 MHz is sufficient and difficult to use with radio interference suppression Are under control.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist es, ein Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil anzugeben, bei dem die Schalter annähernd spannungs- und stromlos geschaltet wer­ den können.The problem underlying the invention is a Specify quasi-resonance converter switching power supply, in which the Switch switched almost voltage and currentless that can.

Das Problem wird gelöst durch ein Quasiresonanzwandler- Schaltnetzteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schaltnetzteils gemäß Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The problem is solved by a quasi-resonance converter Switched-mode power supply according to Claim 1 and a method for Operating such a switching power supply according to claim 6. Preferred embodiments are in the subclaims specified.

Erfindungsgemäß wird der Magnetisierungsstrom der Spule oder des Transformators dazu verwendet, die parasitären Kapazitäten umzuladen. Dazu muß der Magnetisierungsstrom ausreichend groß sein, d. h. der Spulen- bzw. Transforma­ torkern muß eine geringe Permeabilität oder einen Luft­ spalt haben. Eine weitere Möglichkeit, den Magnetisie­ rungsstrom ausreichend groß zu machen, besteht darin, ei­ ner Trafowicklung eine Induktivität parallel zu schalten.According to the magnetizing current of the coil or the transformer used to the parasitic Reload capacities. To do this, the magnetizing current be sufficiently large, d. H. the coil or transforma The core must have a low permeability or an air have a gap. Another way to get the magnetisie ration current is sufficiently large, egg ner transformer winding to connect an inductor in parallel.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:The invention is based on an embodiment with With the help of figures are explained in more detail. Show:

Fig. 1 ein Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil und Fig. 1 shows a quasi-resonance converter switching power supply and

Fig. 2 dazugehörige Signaldiagramme. Fig. 2 associated signal diagrams.

Der prinzipielle Aufbau des Quasiresonanzwandler-Schalt­ netzteils gemäß Fig. 1 wurde bereits in der Beschrei­ bungseinleitung beschrieben und seine Funktion anhand des strichliert dargestellten Signaldiagramms gemäß Fig. 2 erläutert. Die Spulen oder Transformatoren, die für solche Schaltnetzteile üblicherweise verwendet werden, weisen eine Hauptinduktivität auf, die um einen Faktor 500 bis 1000 größer ist als die Streuinduktivität, so daß deren Magnetisierungsstrom nicht ausreichend groß ist, um die parasitären Kapazitäten zu entladen. Aus diesem Grund muß der zweite Schalter S2 der bekannten Schaltungsanordnung bei einer hohen Spannung geschaltet werden. Durch Verwen­ dung eines Spulen- oder Transformatorkerns mit geringer Permeabilität wird aber erreicht, daß die Hauptinduktivi­ tät nur um einen Faktor 5 bis 50 größer ist als die Streuinduktivität, so daß der Magnetisierungsstrom aus­ reicht, bei geöffneten Schaltern S1, S2 die parasitären Kapazitäten zu entladen. Der ausreichend große Magnetisie­ rungsstrom kann auch durch Verwendung einer Spule oder eines Transformators mit Luftspalt erreicht werden.The basic structure of the quasi-resonance converter switching power supply according to FIG. 1 has already been described in the introduction to the description and its function has been explained with the aid of the signal diagram shown in broken lines according to FIG. 2. The coils or transformers that are usually used for such switching power supplies have a main inductance which is 500 to 1000 times greater than the leakage inductance, so that their magnetizing current is not large enough to discharge the parasitic capacitances. For this reason, the second switch S2 of the known circuit arrangement must be switched at a high voltage. By using a coil or transformer core with low permeability, however, it is achieved that the main inductance is only 5 to 50 times greater than the leakage inductance, so that the magnetizing current is sufficient to discharge the parasitic capacitances when switches S1, S2 are open . The sufficiently large magnetizing current can also be achieved by using a coil or a transformer with an air gap.

Fig. 2 zeigt in der durchgezeichneten Alternative den erfindungsgemäßen Betrieb eines Quasiresonanzwandler- Schaltnetzteils mit einer erfindungsgemäßen Spule oder Transformator. Der jeweils geschlossene Schalter - in der Darstellung gemäß Fig. 2 mit "ein" bezeichnet - wird eine gewisse Zeitdauer vor dem Schließen des jeweils geöffneten Schalters - in Fig. 2 mit "aus" bezeichnet - geöffnet, so daß aufgrund des größeren Magnetisierungsstroms die para­ sitären Kapazitäten entladen werden, wobei die Zeitdauer entsprechend dem Magnetisierungsstrom und der Größe der parasitären Kapazitäten gewählt wird. Durch diese erfin­ dungsgemäße Vorgehensweise muß der zuvor geöffnete Schal­ ter nicht bei einer hohen anliegenden Spannung geschlossen werden. Man erhält somit einen Quasiresonanzwandler vom Typ, der bei einem Nulldurchgang der Spannung schaltet, allerdings mit der besonderen Eigenschaft, daß der Strom, unter dem die Leistungsschalter abschalten müssen, weit geringer ist als die Stromamplitude der Halbwellen und die elektromagnetischen Störungen somit leichter auszufiltern sind. Fig. 2 shows in the alternative drawn through the operation of a quasi-resonance converter switching power supply according to the invention with a coil or transformer according to the invention. The respectively closed switch - labeled "on" in the illustration according to FIG. 2 - is opened for a certain period of time before the respective open switch closes - labeled "off" in FIG. 2, so that due to the larger magnetizing current the para are discharged, the time duration is selected according to the magnetizing current and the size of the parasitic capacitances. By this inven tion according procedure, the previously opened scarf ter does not have to be closed at a high voltage. One thus obtains a quasi-resonance converter of the type which switches when the voltage crosses zero, but with the special property that the current at which the circuit breakers have to switch off is far less than the current amplitude of the half-waves and the electromagnetic disturbances are thus easier to filter out.

Claims (6)

1. Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil mit folgenden Merk­ malen:
  • - einer Gleichspannungsquelle (Ue) sind die Serien­ schaltung aus einem ersten steuerbaren Schalter (S1) und einem zweiten steuerbaren Schalter (S2) sowie die Serien­ schaltung aus einer ersten in Sperrichtung gepolten Diode (D1) und einer zweiten in Sperrichtung gepolten Diode (D2) parallel geschaltet,
  • - parallel zu einem der beiden Schalter (S1; S2) ist ein Serienresonanzkreis aus einer Spule (L) und einem Kon­ densator (C1) derart angeordnet, daß die Spule (L) mit ihrem einen Ende mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter (S1, S2) und mit ihrem anderen Ende mit dem Ver­ bindungspunkt der beiden Dioden (D1, D2) verbunden ist,
  • - die Spule ist derart ausgebildet, daß aufgrund des Verhältnisses ihrer Hauptinduktivität zu ihrer Streuinduk­ tivität ein großer Magnetisierungsstrom fließt.
1. Paint the quasi-resonance converter switching power supply with the following characteristics:
  • - A DC voltage source (Ue) are the series circuit comprising a first controllable switch (S1) and a second controllable switch (S2) and the series circuit comprising a first reverse-biased diode (D1) and a second reverse-biased diode (D2) connected in parallel,
  • - In parallel to one of the two switches (S1; S2), a series resonance circuit consisting of a coil (L) and a capacitor (C1) is arranged such that the coil (L) has one end with the connection point of the two switches (S1, S2) and is connected at its other end to the connection point of the two diodes (D1, D2),
  • - The coil is designed such that a large magnetizing current flows due to the ratio of its main inductance to its leakage inductance.
2. Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil nach Anspruch 1, bei dem die Spule (L) durch die Primärwicklung eines Transformators (Tr) gegeben ist.2. Quasi-resonance converter switching power supply according to claim 1, in which the coil (L) through the primary winding of a Transformer (Tr) is given. 3. Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Spulenkern eine geringe Permeabilität hat.3. Quasi-resonance converter switching power supply according to one of the Claims 1 or 2, wherein the coil core has a low Has permeability. 4. Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Spulenkern einen Luftspalt hat. 4. Quasi-resonance converter switching power supply according to one of the Claims 1 or 2, wherein the coil core has an air gap Has.   5. Quasiresonanzwandler-Schaltnetzteil nach Anspruch 2, bei dem einer der Wicklungen des Transformators (Tr) eine weitere Spule parallel geschaltet ist.5. Quasi-resonance converter switching power supply according to claim 2, in which one of the windings of the transformer (Tr) is one another coil is connected in parallel. 6. Verfahren zum Betreiben eines Quasiresonanzwandler- Schaltnetzteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der jeweils geschlossene Schalter (S1; S2) eine Zeitdauer vor dem Schließen des geöffneten Schalters (S2; S1) geöff­ net wird, wobei die Zeitdauer derart gewählt ist, daß der Magnetisierungsstrom (I) durch die Spule (L) parasitäre Kapazitäten entladen kann.6. Method for operating a quasi-resonance converter Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 5, in which the respectively closed switch (S1; S2) a period of time open before closing the open switch (S2; S1) is net, the duration being chosen such that the Magnetizing current (I) through the coil (L) parasitic Can discharge capacity.
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