DE3709989A1 - Step-down controller for switched-mode power switchgear units - Google Patents
Step-down controller for switched-mode power switchgear unitsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiefsetzsteller für Schaltnetzteile, die nach dem Durchflußwandlerprinzip arbeiten und mit einem steuerbaren Schalter, einer Spei cherdrossel, einer Freilaufdiode, einem Kondensator und einem Lastwiderstand ausgerüstet sind. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Stromversorgungstechnik.The invention relates to a buck converter for Switching power supplies based on the forward converter principle work and with a controllable switch, a Spei choke, a freewheeling diode, a capacitor and are equipped with a load resistor. The invention is in the field of power supply technology.
Zur Versorgung von Geräten mit stabilisierter und gere gelter Spannung werden vielfach Schaltnetzteile einge setzt. Hierbei wird zunächst die Netzwechselspannung in üblicher Weise gleichgerichtet und die Gleichspannung dann einem gesteuerten Schalter (Schaltregler) zuge führt. Schaltnetzteile verwenden als Stellglied einen Leistungsschalter, sie weisen eine hohe Arbeitsfrequenz auf, und der für die Netztrennung erforderliche Trans formator arbeitet bei Frequenzen, die über 20 kHz lie gen. Je nach Betriebsart werden Schaltnetzteile als Durchflußwandler, Sperrwandler oder Gegentaktwandler bezeichnet. Je nach Regelart spricht man bei Schaltnetz teilen von Hochsetz- oder Tiefsetzstellern. Bei Tief setzstellern ist beispielsweise die geregelte und ver lustarme Ausgangsspannung tiefer als die Eingangsspan nung.To supply devices with stabilized and gere Switched-mode power supplies are often used puts. First the AC line voltage is in usually rectified and the DC voltage then a controlled switch (switching regulator) leads. Switching power supplies use one as an actuator Circuit breakers, they have a high working frequency on, and the Trans formator works at frequencies above 20 kHz Depending on the operating mode, switching power supplies are considered Flow converter, flyback converter or push-pull converter designated. Depending on the type of control, one speaks of switching network share from step-up or step-down converters. At low The regulators are, for example, the regulated and ver Low-pleasure output voltage lower than the input span nung.
Das Prinzip eines Schaltnetzteiles in Form eines Durch flußwandlers sei anhand der Fig. 1 noch einmal erläu tert.The principle of a switched-mode power supply in the form of a flux converter is explained again with reference to FIG. 1.
Durchflußwandler, bei denen bei geschlossenem Schalter Energie von der Quelle in die Speicherdrossel, in den Kondensator und in die Last fließt, sind allge mein bekannt ("Schaltnetzteile" von Wüstehube, VDE-Ver lag 1979, Seite 31 bis 33).Flow transducers, when closed Switch energy from the source to the storage choke, flowing into the capacitor and into the load are common my known ("switching power supplies" from Wüstehube, VDE-Ver 1979, pages 31 to 33).
Der positive Zweig der Gleichstromeingangsspannung Ue wird über die Reihenschaltung eines Schalters S und ei ner Speicherdrossel L 0 auf die Ausgangsspannung U A ge führt. Zwischen Schalter S und Drossel L 0 ist eine Frei laufdiode D 0 mit ihrer Kathode gelegt, während ihre An ode an den negativen Zweig (Minus-Potential) der Ein gangsspannung U e geführt ist. Nach der Drossel L 0 ist noch ein Kondensator C 0 und parallel dazu die Last R A (Arbeitswiderstand) vom Plus-Potential nach Minus-Poten tial geschaltet.The positive branch of the DC input voltage Ue is led to the output voltage U A via the series circuit of a switch S and a storage inductor L 0 . Between switch S and inductor L 0 , a free-wheeling diode D 0 is placed with its cathode, while its anode is led to the negative branch (minus potential) of the input voltage U e . After the inductor L 0 is still a capacitor C 0 and in parallel the load R A (load resistance) from the plus potential to the minus potential.
Ein Durchflußwandler entsteht im Grunde genommen aus der konventionellen Stromversorgung mit Serienregler, bei dem der Regler durch einen gesteuerten Schalter ersetzt wird. Daß dabei ergänzend eine Drossel zwischen Schalter und Verbraucher eingefügt ist, erklärt sich aus der nun nur zeitweise erfolgenden Stromlieferung. Man muß in den Stromflußzeiten einen Speicher (die Speicherdrossel L 0) aufladen, um in den Pausen Strom für die Last entnehmen zu können. A flow converter basically arises from the conventional power supply with a series regulator, in which the regulator is replaced by a controlled switch. The fact that an additional choke is inserted between the switch and the consumer can be explained by the fact that the electricity supply is now only temporary. A memory (the storage choke L 0 ) must be charged in the current flow times in order to be able to draw current for the load during the breaks.
Damit ist die Funktion des Durchflußwandlers wie folgt zu beschreiben: Bei geschlossenem Schalter S fließt Strom durch die Speicherdrossel L 0 und die Last R A . Da bei wird in L 0 ein Magnetfeld aufgebaut. Bei geöffnetem Schalter S sorgt die im Magnetfeld der Drossel L 0 ge speicherte Energie dafür, daß der von der Last R A gefor derte Strom sowohl vom Kondensator C 0 als auch von der Drossel L 0 geliefert wird; die Diode D 0 (Freilaufdiode) wird dabei in Durchlaßrichtung beansprucht. Die Regelung der Ausgangsspannung U A erfolgt dabei über das EIN/AUS- Verhältnis des Schalters S.The function of the forward converter can thus be described as follows: When switch S is closed, current flows through the storage inductor L 0 and the load R A. Since a magnetic field is built up in L 0 . When the switch S is open, the energy stored in the magnetic field of the choke L 0 ensures that the current required by the load R A is supplied by both the capacitor C 0 and the choke L 0 ; the diode D 0 (freewheeling diode) is stressed in the forward direction. The output voltage U A is regulated via the ON / OFF ratio of the switch S.
Der Schalter S (beispielsweise Transistor, MOS-FET, Thy ristor) muß zu einem frei wählbaren Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden. Das Verhältnis der Einschaltdauer dieses Schalters zu der Gesamtdauer der Periode bestimmt das Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen U e und U A .The switch S (for example transistor, MOS-FET, Thy ristor) must be switched on and off at a freely selectable point in time. The ratio of the duty cycle of this switch to the total duration of the period determines the voltage transformation ratio between U e and U A.
Um die Abmessungen (und damit die Kosten) der Speicher drossel möglichst klein zu bekommen, kann die Schaltfrequenz des Schalters S erhöht werden. Dabei ma chen sich aber physikalische Eigenschaften der Freilauf diode D 0 ungünstig bemerkbar. Die sogenannte Sperrverzö gerungszeit (reverse-recovery-time, Rückwärtserholzeit, Sperrträgheit) der Diode führt zu unerwünschten Verlu sten und hohen Störspannungsspitzen. Dieser Vorgang, der beim Umschalten der Diode vom Durchlaßzustand in den Sperrzustand eintritt und bei dem die in der Diode ge speicherten restlichen Ladungen verschwinden müssen, ehe die Diode vollständig gesperrt wird, ist sehr hinder lich.In order to keep the dimensions (and thus the costs) of the storage choke as small as possible, the switching frequency of the switch S can be increased. However, physical properties of the freewheeling diode D 0 are noticeably noticeable. The so-called reverse delay time (reverse recovery time, reverse inertia) of the diode leads to undesirable losses and high interference voltage peaks. This process, which occurs when the diode is switched from the on state to the blocking state and in which the remaining charges stored in the diode must disappear before the diode is completely blocked, is very obstructive.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Entlastungs netzwerk zu finden, das die Umschaltung der Freilaufdi ode von dem Durchlaßzustand in den Sperrzustand sanfter und gleitender ermöglicht. Dabei soll eine Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Freilaufdiode zur Reduzierung der Rückstromspitze erfolgen.It is therefore an object of the invention to provide relief network to find that switching the freewheel di ode more gently from the on state to the off state and allows sliding. This is supposed to be a limitation the rate of current rise in the freewheeling diode to reduce the reverse current peak.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patent anspruchs 1 erzielt.According to the invention, this is due to the features of the patent claim 1 achieved.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung ist der fließende Übergang der Diode von dem einen Zustand in den anderen. Dadurch wird die Diode nicht zusätzlich belastet, die ganze Anordnung arbeitet we sentlich verlustfreier, und Störstromspitzen können weitgehendst vermieden werden. Zusätzlich wird die Ener gie, die in dem erfindungsgemäßen Entlastungsnetzwerk eingespeichert wird, dem Gesamtkreis wieder zur Verfü gung gestellt, so daß keine Energie verlorengeht und der Wirkungsgrad erhöht wird.Advantageous in the circuit arrangement according to the invention voltage is the smooth transition of the diode from one Condition in the others. This will not make the diode additionally burdened, the whole arrangement works considerably less loss, and interference current peaks can be largely avoided. In addition, the Ener gie in the relief network according to the invention is saved, available to the entire group again provided so that no energy is lost and the efficiency is increased.
Weitere Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgen den Beschreibung ersichtlich.Further advantages of the invention are shown in the following the description can be seen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. WährendAn embodiment of the invention is shown below explained in more detail with reference to the drawing. While
Fig. 1 ein übliches nach dem Durchflußwandlerprinzip arbeitendes Schaltnetzteil zeigt, ist in Fig. 1 shows a conventional working according to the forward converter switching power supply is in
Fig. 2 das erfindungsgemäße Entlastungsnetzwerk zusätzlich eingezeichnet. Fig. 2 additionally drawn the relief network according to the invention.
Eine An ordnung gemäß der Fig. 2 ist aber auch als Stellglied zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren einsetzbar.An arrangement according to FIG. 2 can also be used as an actuator for controlling DC motors.
In Fig. 2 ist zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Bau teilen Schalter S, Drossel L 0, Freilaufdiode D 0. Konden sator C 0 und Belastungswiderstand R A eine Zusatzdrossel L 1 zwischen dem Schalter S und die Speicherdrossel L₀ geschaltet. Zwischen dem Schalter S und der Zusatzdros sel befindet sich ein Verzweigungspunkt A, von dem die Reihenschaltung eines Zusatzkondensators C 1 und einer Diode D 1 nach Minus-Potential geführt ist. Zwischen dem Zusatzkondensator C 1 und der Diode D 1 befindet sich der Verzweigungspunkt B. Die Diode D 1 ist mit ihrer Kathode an den Verzweigungspunkt B geschaltet. Von dem Verzwei gungspunkt B ist die Reihenschaltung einer Drossel L 2 und einer Diode D 2 vor dem Schalter S gelegt, also an die positive Eingangsspannung U e . Die Kathode der Diode D 2 liegt dabei an der positiven Spannung U e .In Fig. 2 in addition to the construction shown in Fig. 1 share switch S , inductor L 0 , freewheeling diode D 0 . Capacitor C 0 and load resistor R A an additional choke L 1 between the switch S and the storage choke L ₀ switched. Between the switch S and the Zusatzdros sel is a branch point A , from which the series circuit of an additional capacitor C 1 and a diode D 1 is led to negative potential. The branching point B is located between the additional capacitor C 1 and the diode D 1 . The diode D 1 is connected with its cathode to the branch point B. From the branching point B , the series connection of a choke L 2 and a diode D 2 is placed in front of the switch S , that is to say to the positive input voltage U e . The cathode of the diode D 2 is connected to the positive voltage U e .
Diese Anordnung von Bauteilen arbeitet wie folgt:
Im Ruhezustand ist der Schalter S geschlossen. Die Ein
gangsgleichspannung U e ist höher als die Ausgangsspan
nung U A . Durch die Drossel L 1 und die Drossel L 0 fließt
der Laststrom. Zur Erklärung wird angenommen, daß dieser
Laststrom konstant ist. Die Freilaufdiode D 0 und die
Zusatzdiode D 1 sind gesperrt. Der Kondensator C 1 ist
aufgeladen. Jetzt wird der Schalter S geöffnet und die
Drosseln L 0 und L 1 versuchen, den Stromfluß über D 1, C 1
aufrecht zu erhalten. Damit wird der vorher positive
Verzweigungspunkt A immer negativer und zieht auch den
Verzweigungspunkt B mehr ins negative. Dies geht soweit,
bis der Punkt B negativer ist, als das Minus-Potential
(Anode von D 1). Jetzt ist die Kathode der Diode D 1 nega
tiver als ihre Anode und die Diode D 1 wird somit lei
tend. Der Stromfluß erfolgt jetzt über die Diode D 1, den
Kondensator C 1 und die beiden Drosseln L 1, L 0. Der Kon
densator C 1 gibt somit seine Energie langsam an den Aus
gang ab. Der Strom durch den Kondensator C 1 fließt wei
ter und baut ein Potential auf (dreht seine Polarität
um), so daß die Drossel L 1 ihre Energie an den Kondensa
tor C 1 abgibt (C 1 wird negativ aufgeladen). Die Drossel
entlädt sich langsam und zieht die Kathode der Freilauf
diode D 0 auch langsam ins negative. Wird die Kathode von
D 0 negativer als ihre Anode, schaltet die Diode D 0 lang
sam durch und übernimmt den vollen Laststrom.
This arrangement of components works as follows:
In the idle state, the switch S is closed. The DC input voltage U e is higher than the output voltage U A. The load current flows through the choke L 1 and the choke L 0 . As an explanation, it is assumed that this load current is constant. The freewheeling diode D 0 and the additional diode D 1 are blocked. The capacitor C 1 is charged. Now the switch S is opened and the chokes L 0 and L 1 try to maintain the current flow through D 1 , C 1 . This makes the previously positive branch point A more and more negative and also pulls branch point B more into the negative. This continues until point B is more negative than the minus potential (anode of D 1 ). Now the cathode of the diode D 1 is more negative than its anode and the diode D 1 thus becomes conductive. The current flow now takes place via the diode D 1 , the capacitor C 1 and the two chokes L 1 , L 0 . The condenser C 1 thus slowly releases its energy to the output. The current through the capacitor C 1 flows wei ter and establishes a potential on (turns to its polarity) such that the inductor L 1 of its energy to the Kondensa tor C 1 emits (C 1 is negatively charged). The choke slowly discharges and slowly pulls the cathode of the freewheeling diode D 0 into negative. If the cathode of D 0 becomes more negative than its anode, the diode D 0 switches through slowly and takes over the full load current.
Beim Startvorgang (Schalter S von geschlossen auf geöff net) übernehmen also zunächst Diode D 1, Kondensator C 1 und Drossel L 1 den Laststrom, während nach dem langsamen Zuschalten der Freilaufdiode D 0 diese den vollen Strom übernimmt.During the starting process (switch S from closed to open), diode D 1 , capacitor C 1 and choke L 1 initially take over the load current, while after the freewheeling diode D 0 is slowly switched on, it takes over the full current.
Beim erneuten Schließen des Schalters S überlagern sich zwei Vorgänge.When switch S is closed again, two processes overlap.
Zunächst fließt der Strom noch über die leitende Diode D 0. Durch den geschlossenen Schalter S wird der Punkt A schnell auf Plus-Potential gezogen. In der Drossel L 1 baut sich entsprechend di/dt ein Strom auf. Dabei ist di/dt = Spannung durch Induktivität (U/L) = Stromände rungsgeschwindigkeit. Damit ergibt sich ein definiertes di/dt für die Diode D 0, d. h. durch die Dimensionierung der Drossel L 1 ist die Stromänderungsgeschwindigkeit und damit die Sperrfähigkeit in der Diode D 0 zu verändern. So ergibt sich in vorteilhafter Weise ein kontrollierba res reverse-recovery-Verhalten der Freilaufdiode D 0.First, the current still flows through the conductive diode D 0 . The closed switch S quickly pulls point A to plus potential. A current builds up accordingly in the choke L 1 di / dt . Here di / dt = voltage through inductance (U / L) = current change rate. This results in a defined di / dt for the diode D 0 , ie the dimensioning of the inductor L 1 means that the current change rate and thus the blocking capability in the diode D 0 can be changed. This advantageously results in controllable reverse recovery behavior of the freewheeling diode D 0 .
Die Diode D 0 geht langsam wieder in den Sperrzustand (nach di/dt) und die Drosseln L 1, L 0 übernehmen den Laststrom.The diode D 0 slowly goes back to the blocking state (according to di / dt) and the chokes L 1 , L 0 take over the load current.
Die Freilaufdiode D 0 wird also durch die Bauglieder Di ode D 1, Kondensator C 1, Drossel L 1 verzögernd leitend geschaltet und durch die Drossel L 1 verzögernd in den Sperrzustand versetzt.The freewheeling diode D 0 is thus delayed by the components Di ode D 1 , capacitor C 1 , inductor L 1 switched and delayed by the inductor L 1 in the blocking state.
Bei geschlossenem Schalter S fließt auch ein Strom über den immer noch negativ geladenen Kondensator C 1, die Drossel L 2 und die Diode D 2. Die Energie wird zunächst in der Drossel L 2 eingespeichert und fließt, bedingt durch die jetzt leitende Diode D 2, mit umgekehrter Pola rität auf den Kondensator C 1 zurück. Der Kondensator C 1 wird also wieder aufgeladen, d. h. seine Ladung wird um gekehrt. Der Kondensator C 1 ist dann wieder derart auf geladen, daß er später den Laststrom übernehmen kann, wenn der Schalter S - wie oben beschrieben - wieder ge öffnet wird. Die zusätzlichen Bauteile L 2 und D 2 sind also nur dazu vorgesehen, um den Kondensator C 1 wieder in den geladenen Zustand (bei geschlossenem Schalter S liegt Plus-Potential am Bezugspunkt A) zu bringen, damit die Energie des Kondensators für den Ausgang nutzbar wird.When the switch S is closed, a current also flows through the capacitor C 1 , which is still negatively charged, the inductor L 2 and the diode D 2 . The energy is first stored in the inductor L 2 and flows back due to the now conductive diode D 2 , with reverse polarity on the capacitor C 1 . The capacitor C 1 is thus recharged, ie its charge is reversed. The capacitor C 1 is then again charged such that it can later take over the load current when the switch S - as described above - is opened again. The additional components L 2 and D 2 are therefore only intended to bring the capacitor C 1 back into the charged state (when the switch S is closed there is positive potential at the reference point A) so that the energy of the capacitor can be used for the output .
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19873709989 DE3709989A1 (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Step-down controller for switched-mode power switchgear units |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19873709989 DE3709989A1 (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Step-down controller for switched-mode power switchgear units |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3709989A1 true DE3709989A1 (en) | 1988-10-06 |
Family
ID=6324053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19873709989 Withdrawn DE3709989A1 (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Step-down controller for switched-mode power switchgear units |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3709989A1 (en) |
Cited By (3)
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1987
- 1987-03-26 DE DE19873709989 patent/DE3709989A1/en not_active Withdrawn
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|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |