DE19715259A1 - Speisespannungserzeugung an einem Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler, insbesondere einen Abwärtswandler.

Abwärtswandler werden auf vielfältigen Gebieten der Elektrotechnik und insbesondere in elektronischen Vor­ schaltgeräten für Gasentladungslampen verwendet. Der auch als Drosselwandler (auch Buck Converter) bekannte Abwärts­ wandler weist als Grundbauelemente einen elektrisch steu­ erbaren Schalter, beispielsweise einen MOSFET oder einen bipolaren Transistor auf, der mit seinem Stromeingang (Kollektor oder Drain) an einer, meist mehr oder weniger stabilen Gleichspannung und mit seinem Stromausgang (Emit­ ter oder Source) an ein Spulenbauelement angeschlossen ist. Der entsprechende Verbindungspunkt ist zusätzlich über eine Freilaufdiode gegen Bezugspotential geschaltet, um beim Sperren des Schalters den weiteren Stromfluß durch das als Speicher wirkende Spulenbauelement zu er­ möglichen.

Der steuerbare elektronische Schalter liegt, weil er, wie eingangs dargelegt, an die Eingangsspannung ange­ schlossen ist, auf hohem Potential. Dies kann, insbesonde­ re bei elektronischen Vorschaltgeräten, mehrere hundert Volt betragen. Entsprechend hoch ist das zur Ansteuerung des elektronischen Schalters geforderte Potential, das bereitgestellt werden muß. Insbesondere bei Anwendungs­ fällen, bei denen ein in Ansteuersignalen enthaltener Gleichanteil mit übertragen werden muß, sind transforma­ torische Übertragungen des Steuersignals auf den Steuer­ eingang des elektronischen Schalters problematisch oder scheiden ganz aus.

Zur Ansteuerung des elektronischen Schalters stehen integrierte Schaltungen zur Verfügung. Diese sind in der Lage, ein auf Masse bezogenes, potentialmäßig niedrig liegendes Ansteuersignal auf das hohe Potential der Steu­ erelektrode des elektronischen Schalters zu übertragen und liefern somit den gewünschten Potentialversatz. Dazu benötigen sie allerdings eine Speisespannung, die mög­ lichst zu jedem Zeitpunkt das an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters abzugebende Spannungssignal um einen Minimalbetrag überschreitet, der wenigstens einige Volt beträgt. Wegen der häufig relativ großen Amplitude des an die Steuerelektrode in Bezug auf Masse anzulegenden Steuersignals hat die Speisung aus der Zwischenkreisspan­ nung, auch wenn die Steuerelektrode des Schalters wenig oder keinen Strom benötigt, möglicherweise eine hohe Verlustleistung in der Ansteuerung zur Folge.

Abwärtswandler unterliegen, insbesondere wenn sie in elektronischen Vorschaltgeräten eingesetzt werden, unter­ schiedlichen Lastfällen, die vom Kurzschluß bis zum Leerlauf reichen können. In allen Lastfällen muß eine ordnungsgemäße Ansteuerung des elektronischen Schalters sichergestellt sein, um Fehlfunktionen zu vermeiden.

Daraus leitet sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ab, eine einen Abwärtswandler enthaltende Schal­ tung zu schaffen, bei der eine leistungsarme und sichere Ansteuerung des in dem Abwärtswandler enthaltenen elek­ tronischen Schalters sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird durch den Wandler mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Wandler enthält eine Ansteuer­ schaltung, die den erforderlichen Potentialversatz zwi­ schen dem massebezogenen Steuersignal und dem letztlich an der Steuerelektrode des elektronischen Schalters des Abwärtswandlers benötigten Signals erzeugt. Dieses ist beispielsweise auf das Potential bezogen, das der elek­ tronische Schalter an seinem Verbindungspunkt zu dem induktiven Bauelement (Speicherdrossel) aufweist (Emitter oder Source). Um das Ansteuersignal für die Steuerelek­ trode (Basis oder Gate) des elektronischen Schalters erzeugen zu können, erhält die Ansteuerschaltung (Potenti­ alversatzschaltung) eine auf den Ausgang des elektroni­ schen Schalters bezogene Speisespannung, die von einem Speicherkondensator gepuffert wird. Dieser wird über eine gesonderte Gleichrichterschaltung aufgeladen, die an einen Wechselspannungseingang angeschlossen ist. Dieser benötigt lediglich eine geringe Leistung. Der Speicherkondensator kann unabhängig von dem Lastzustand des Abwärtswandlers sicher auf die erforderliche Spannung aufgeladen werden, so daß eine ordnungsgemäße Ansteuerung des elektronischen Schalters sichergestellt werden kann.

Die an dem Speicherkondensator anstehende Spannung weist eine Höhe auf, die eine sichere Ansteuerung dessel­ ben möglich macht. Insbesondere reicht sie zu seiner sicheren Öffnung und Sperrung aus, womit ein verlustarmer Betrieb des Schalters ermöglicht bzw. sichergestellt wird. Dies wird sogar dann ermöglicht, wenn der Abwärtswandler ausgangsseitig leerläuft, wobei der elektronische Schalter allenfalls noch ganz kurzzeitig oder überhaupt nicht mehr schließt oder kurzgeschlossen ist, so daß der elektroni­ sche Schalter nur noch ganz kurzzeitig öffnet.

Dem Abwärtswandler ist vorzugsweise ein weiterer Wandler, beispielsweise ein Aufwärtswandler vorgeschaltet, der an seinem Ausgang eine geeignete Spannung zum Betrieb des Abwärtswandlers abgibt. Der Aufwärtswandler oder sonstige Wandler enthalten dann ein Spulenelement, das eine an den Wechselspannungseingang angeschlossene Hilfs­ wicklung trägt. Das Spulenbauelement ist in der Regel von einem zeitlich veränderlichen Strom, beispielsweise einem welligen Gleichstrom, durchflossen, dessen Wechselanteil somit über die Hilfswicklung und die Gleichrichterschal­ tung zur Speisung des Speicherkondensators des Abwärts­ wandlers dient. Die Ladung des Speicherkondensators arbei­ tet somit unabhängig von dem Betriebszustand des Abwärts­ wandlers. Dies gilt insbesondere, wenn die weitere Wand­ lerschaltung (Aufwärtswandler) unabhängig von dem Abwärts­ wandler gesteuert ist.

Zusätzlich kann an dem Abwärtswandler eine Bootstrap- Schaltung zur Ladung des Speicherkondensators vorgesehen sein. Diese enthält eine Diode, die das obere Potential des Speicherkondensators auf eine Betriebsspannung U1 klemmt, wenn das untere Potential des Speicherkondensators dieses unterschreitet. Obwohl es prinzipiell möglich ist, daß sowohl die Bootstrap-Schaltung als auch die andere Speiseschaltung des Speicherkondensators zu dessen Aufla­ dung beitragen, ist es vorteilhaft, wenn bei ordnungs­ gemäßem Betrieb der Gleichrichterschaltung lediglich diese den Speicherkondensator lädt. Die Bootstrap-Schaltung bildet dann eine Sicherheitsreserve. In ihrer Wirksamkeit ist sie jedoch lastabhängig. Ist sie normalerweise von dem Speicherkondensator entkoppelt, können Störeinflüsse weitgehend ferngehalten werden.

Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn dem Speicherkondensator eine Stabilisierungsschaltung parallelgeschaltet wird. Dies kann im einfachsten Falle eine Z-Diode sein.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Gleichrichter­ schaltung den Speicherkondensator über Widerstände lädt, wobei vorzugsweise sowohl in der hin- als auch in der rückführenden Leitung Widerstände angeordnet sind. Diese dienen nicht lediglich der Strombegrenzung, sondern er­ möglichen zusätzlich eine Verminderung der kapazitiven Belastung des potentialmäßig springenden Speicherkondensa­ tors. Insbesondere wird eine kapazitive Entkopplung zwi­ schen Gleichrichterschaltung und Speicherkondensator geschaffen. Damit wird eine Beeinträchtigung der Ansteuer­ signale vermieden.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen, der Be­ schreibung sowie der zugehörigen Zeichnung.

In deren einziger Figur ist ein erfindungsgemäßer Wandler im Prinzipschaltbild dargestellt.

Beschreibung

Der in der Figur dargestellte Wandler 1 enthält einen Abwärtswandler 2, der einem Aufwärtswandler 3 nachgeschal­ tet ist. Dieser wird von einem Netzgleichrichter 4 ge­ speist.

Der Abwärtswandler 2 weist einen Transistor T1 auf, der als gesteuerter Schalter dient. Der Transistor T1 kann, wie dargestellt, ein Feldeffekttransistor sein; möglich sind auch Lösungen mit anderen Transistoren oder Schaltern. Die Sourceelektrode des Transistors T1 ist mit einer zu dem Wandlerausgang führenden Speicherdrossel L2 verbunden, wobei der entsprechende Verbindungspunkt mit einer Freilaufdiode D2 gegen Masse geschaltet ist. Die Freilaufdiode D2 ist, ausgehend von T1, in Sperr-Richtung gegen Masse gepolt. Bei positiver, über eine Leitung 6 dem Transistor T1 zugeführter Betriebsspannung liegt die Anode von D2 an Masse.

Der Transistor T1 ist mit seiner Gateelektrode zur Ansteuerung mit einer Ansteuerschaltung 7 verbunden, die beispielsweise als integrierte Schaltung ausgeführt ist. Diese erzeugt den erforderlichen Potentialversatz zwischen der Gateelektrode des Transistors T1 und einem an einem Eingang E anliegenden Steuersignal US. Nachdem US eine auf Masse bezogene Spannung nicht allzu große Amplitude ist und die Gateelektrode von T1 auf Spannungen gebracht werden muß, die die an der Leitung 6 anliegende Spannung von beispielsweise von mehreren hundert Volt erreichen oder übersteigen kann, besteht zwischen beiden Signalen ein beträchtlicher Potentialversatz, der von der Ansteuer­ schaltung 7 erzeugt wird. Diese benötigt dazu eine wenig­ stens einige Volt oberhalb der zu erzeugenden Spannung liegende Speisespannung, die an einem Speisespannungs­ anschluß 8 zugeführt wird. Die hier anstehende Speise­ spannung muß einige Volt, beispielsweise 10 oder 15 V größer sein als die an dem Ausgang von T1 anliegende Spannung. Der Ausgang wird von seiner Sourceelektrode gebildet. Zur Bereitstellung der Speisespannung und zur Pufferung desselben dient ein Speicherkondensator C1, der mit der Sourceelektrode von T1 und mit dem Speisespan­ nungsanschluß 8 verbunden ist. Außerdem wird der Ansteu­ erschaltung 7 das Sourcepotential des Transistors bei einem entsprechenden Anschluß 9 zugeführt.

Zur Aufladung des Speicherkondensators C1 dient eine Ladeschaltung 11, die an einem Wechselspannungseingang 12 des Abwärtswandlers 2 angeschlossen ist. Der Wechselspan­ nungseingang 12 ist mit einem Wechselspannungsausgang 14 des Aufwärtswandlers 3 verbunden.

Die Gleichrichterschaltung 11 wird durch eine Span­ nungsverdopplerschaltung gebildet, zu der zwei Dioden D3, D4 und Kondensatoren C3, C4 gehören. Die von einer ankom­ menden Leitung her gegensinnig abzweigenden Dioden D3, D4 sind jeweils mit einem Ende des entsprechenden Kondensa­ tors C3, C4 verbunden. Die Kondensatoren C3, C4 sind untereinander und mit einer weiter ankommenden Leitung verbunden. Ein weiterer Kondensator C5 ist der Reihen­ schaltung der Kondensatoren C3, C4 parallel geschaltet. An C5 steht eine unstabilisierte Gleichspannung an, die der Speisung des Speisekondensators C1 dient. Die Speisung er­ folgt die Widerstände R1, R2, von denen R2 zu dem An­ schluß 9 der Ansteuerschaltung 7 und R2 zu dem Anschluß 8 der Ansteuerschaltung 7 führt.

Der Aufwärtswandler 3 weist ein Spulenbauelement L auf, dessen Primärwicklung L1.1 in einer Leitung liegt, die von dem Netzgleichrichter 4 herkommend zu einem Schal­ ter T2 führt. Dieser ist gegen Masse geschaltet. Von dem Spulenbauelement 11 führt eine Diode D5 zu der Leitung 6, an der ein Pufferkondensator C6 zur Stützung der hier anstehenden, relativ hohen Spannung von mehreren hundert Volt angeschossen ist.

Das Spulenbauelement L weist neben seiner Primärwick­ lung L1.1 eine Sekundärwicklung L1.2 auf, die den Wechsel­ spannungsausgang 14 des Aufwärtswandlers 3 bildet. Die Wicklung L1.1 auf der Drossel oder Spule L ist nahe dem netzseitigen Wicklungsanschluß der Spule L kapazitätsarm angeordnet. Die gesamte Hilfsschaltung, die von der Sekun­ därwicklung L1.2 der Gleichrichterschaltung 11 und dem Speicherkondensator C1 gebildet wird, liegt auf dem Poten­ tial der Steuerelektrode von T1 (Sourcepotential), wo Impulse von bis zu 400 V mit Anstiegszeiten von 7 bis 14 ns anstehen. Die an der Reihenschaltung von C3 und C4 bzw. an C5 anstehende Spannung liegt oberhalb der durch Bootstrapping von U1 an der Ansteuerschaltung 7 erzeugten Spannung und wird über R1 und R2 sowie ZD1 auf einen Wert herabgesetzt, der noch oberhalb der durch Bootstrapping erzeugten Spannung liegt. Das Bootstrapping mit der Diode D1 wird lediglich zusätzlich vorgesehen, weil Betriebs­ zustände eintreten können, in der der Aufwärtswandler 3 kurzzeitig abgeschaltet wird. Es darf aber die Wandler­ ausgangsspannung für die Lampe keinesfalls aussetzen oder zu sehr absinken; die Lampe würde sonst sofort löschen und könnte erst nach mehreren Minuten erneut zünden.

Die Übergänge der Speisung der Ansteuerschaltung 7 von der Hilfsspannungsquelle zum Bootstrapping und umge­ kehrt sind gleitend, so daß die üblicherweise vorhandene Unterspannungserkennung der Ansteuerschaltung 7 nicht ansprechen kann.

Der Aufwärtswandler 3 dient unter anderem zur Lei­ stungsfaktorkorrektur, so daß netzseitig ein gewünschtes Lastverhalten entsteht.

Zur Versorgung des Schalttransistors T1 eines Buck Converters (Abwärtswandler) 6 dient eine Ansteuerschaltung 7, die zur Erzeugung eines Ansteuersignals für den Schalt­ transistor T1 an einem Anschluß 8 eine Spannung benötigt, die potentialmäßig immer etwas über dem zu erzeugenden Steuersignal liegt. Dazu dient ein mit der Ausgangselek­ trode des Schalttransistors T1 verbundener Speicherkon­ densator C1, der über eine gesonderte Speiseschaltung aufgeladen wird, die die gewünschte Gleichspannung poten­ tialfrei erzeugt. Die Speiseschaltung 11 wird vorzugsweise über eine Wechselspannung mit Leistung versorgt, die potentialfrei an einem Transformator eines weiteren, vorgeschalteten Wandlers abgenommen wird.

Claims (12)

1. Wandler (1), insbesondere für elektronische Vor­ schaltgeräte,
mit einem Abwärtswandler (6), der einen steuerbaren Schalter (T1) enthält, der zwischen eine in Betrieb Gleichspannung führende Leitung (6) und eine gegen Bezugs­ potential geschaltete Freilaufdiode (D2) geschaltet ist, an deren Katode ein zum Wandlerausgang führendes indukti­ ves Bauelement (L2) angeschlossen ist,
mit einer Ansteuerschaltung (7) für den steuerbaren Schalter (T1), die mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters (T1) verbunden ist, um diesen anzusteuern, und die an einem Spannungseingang (8) eine eigene Speisespan­ nung benötigt, die eine zur Ansteuerung des Schalters (T1) ausreichende Höhe aufweist,
mit einem Speicherkondensator (C1), der zwischen den Spannungseingang (8) und den von dem Wandlerausgang ablie­ genden Anschluß des induktiven Bauelements (L2) geschaltet ist,
mit einer an einen Wechselspannungseingang (12) angeschlossenen Gleichrichterschaltung (11), die mit dem Speicherkondensator (C1) verbunden ist, um diesen zu speisen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abwärtswandler (6) eine Wandlerschaltung (3) vorgeschaltet ist, die ein von einem zeitlich veränder­ lichen Strom durchflossenes Spulenbauelement (L) aufweist, das mit einer Hilfswicklung (L1.2) versehen ist, die mit dem Wechselspannungseingang (12) der Gleichrichterschal­ tung (11) verbunden ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung (3) ein Aufwärtswandler ist.

4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung (3) unabhängig von dem Abwärts­ wandler (6) gesteuert ist.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C1) an seinem span­ nungseingangsseitigen Ende über eine Diode (D1) mit einer Gleichspannung (U) verbunden ist, wobei die Diode (D1) derart geschaltet ist, daß sie nur dann leitet, wenn das an dem Spannungseingang (8) anliegende Potential geringer ist als diese Gleichspannung.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicherkondensator (C1) eine spannungsstabili­ sierenden Schaltung vor- oder parallelgeschaltet ist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsstabilisierenden Schaltung eine Z-Diode (ZD) enthält, die dem Speicherkondensator (C1) parallel­ geschaltet ist.

8. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (11) über wenigstens einen Widerstand (R1, R2) mit dem Speicherkondensator verbunden ist.

9. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (11) über wenigstens zwei Widerstände (R1, R2) mit dem Speicherkondensator (C1) verbunden ist, von denen einer in einer hinführenden und der andere in einer rückführenden Leitung liegt.

10. Wandler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die spannungsstabilisierende Schaltung (ZD) an dem Speicherkondensator (C1) eine Spannung einstellt, die in jedem ordnungsgemäßen Betriebsfall größer ist, als eine Ladespannung, die sich ohne Spannungseinspeisung durch die Gleichrichterschaltung (11) über die mit der Gleichspannung verbundene Diode (D1) erzielen ließe, so daß diese gesperrt bleibt.

11. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdoppler­ schaltung ist.

12. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (11) eine Vollwellen­ gleichrichterschaltung ist.