DE1613032A1

DE1613032A1 - DC-DC converter

Info

Publication number: DE1613032A1
Application number: DE19671613032
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Johannes Backwinkel; Eckhardt Greyer
Original assignee: Blaupunkt Werke GmbH
Current assignee: Blaupunkt Werke GmbH
Priority date: 1967-09-30
Filing date: 1967-09-30
Publication date: 1970-12-23

Description

Gleichspannungswandler Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine erhöhte Ausgangs-.-. Bleichspannung mit einem Tränsistoroszillator und einem Transformator, von dessen Sekundärwicklung die Oszillatorschwingungen einem Gleichrichter zugeführt sind, der im Gleichstromkreis der Emitter-Basis-Strecke des Transistors und des Laststromkreises liegt.DC voltage converter The invention relates to a DC voltage converter for converting an input DC voltage into an increased output -.-. Bleaching voltage with a transistor oscillator and a transformer, from its secondary winding the oscillator vibrations are fed to a rectifier in the direct current circuit the emitter-base path of the transistor and the load circuit.

Derartige Gleichspannungswandler, bei denen der Laststrom gleichzeitig als Basisstrom für den Transistor benutzt wird) sind bekannt. Diese Gleichspannungswandler haben den Vorteil, daß mit dem Abschalten der Last der Basisstrom des Transistors unterbrochen und damit auch der Wandler abgeschaltet wird. Bei fehlender last wird damit die Eingangsgleichspannung praktisch nicht belastet.Such DC voltage converters, in which the load current is simultaneous used as base current for the transistor) are known. These DC-DC converters have the advantage that when the load is switched off, the base current of the transistor interrupted and thus the converter is also switched off. If there is no load so that the input DC voltage is practically not burdened.

Wird aber der Gleichspannungswandler für größere Leistungen ausgelegt, ao muß der Transistor beträchtlich überdimensioniert werden, da der Basisstrom die Wahl des Transistors bestimmt. Diese Tatsache ist nachteilig, da der Transistor einerseits nicht mit seinem zulässigen Kollektorstrom belastet wird und andererseits Leistungstransistoren mit sehr großen Basisströmen sehr °teuer sind. Weiterhin ist von Nachteil, daß der Transistor auch in bezug auf seine Sperrspannungen überdlmensioniert sein muß,,da die Basis-Emitter- und die Kollektor-Emitterspannung in den Schaltpausen des Oszillators stark ansteigt. Dieae Spannungsspitzen können zwar mit Hilfe zusätzlicher Schaltmittel herabgesetzt werden, aber damit wird der Wirkungsgrad, der bei diesen Gleichspannungswandlern mit zunehmender Ausgangsleistung stark abnimmt, weiter verringert. Erfindungsgemäß werden die Nachteile dadurch vermieden, daß der Transformator eine zweite Sekundärwicklung aufweist, von der das eine Wicklungsende zu einer Anschlußklemme der Eingangsseite führt und das andere Wicklungsende mit einem Pol eines zweiten Gleichrichters verbunden ist, dessen anderer Pol an einer Anschlußklemme der Ausgangsseite liegt.But if the DC / DC converter is designed for greater power, ao the transistor must be considerably oversized, since the base current the Choice of transistor determined. This fact is disadvantageous as the transistor on the one hand is not loaded with its permissible collector current and on the other hand Power transistors with very large base currents are very expensive. Furthermore is the disadvantage that the transistor is also overdimensioned with respect to its reverse voltages must be, because the base-emitter and collector-emitter voltage in the switching pauses of the oscillator increases sharply. Though the voltage peaks can with the help of additional Switching means are reduced, but this increases the efficiency of these DC-DC converters with increasing output power decreases sharply, further reduced. According to the invention the disadvantages are avoided in that the transformer has a second secondary winding has, of which one end of the winding to a connection terminal of the input side leads and the other end of the winding is connected to one pole of a second rectifier the other pole of which is connected to a terminal on the output side.

Diese zweite Sekundärwicklung, die mit dem zweiten Gleichrichter in Reihe geschaltet ist, liegt funktionsmäßig parallel zur ersten Sekundärwicklung des Transformators. Durch diese zweite Sekundärwicklung kann der größere Teil des Laststromes geleitet werden, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors entlastet wird. Dadurch ergibt sich eine bedeutende Verbesserung des Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Herabsetzung der Span-.nungsspitzen in-den Schaltpausen des Oszillators.This second secondary winding connected to the second rectifier in Is connected in series, is functionally parallel to the first secondary winding of the transformer. This second secondary winding allows the greater part of the Load current are passed, so that the base-emitter path of the transistor is relieved will. This results in a significant improvement in efficiency while at the same time Reduction of the voltage peaks in the switching pauses of the oscillator.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler bekommt die Eingangsgleichspannung an zwei Eingangsklemmen 1 und 2 zugeführt. Dabei bildet die Eingangsklemme 1 die positive Anschlußklemme und die Eingangsklemme 2 die negative Anschlußklemiiae. Die negative Anschlußklemme 2 ist über eine Verbindungsleitung 3 mit der negativen Anschlußklemme 4. der Ausgangsseite verbunden. Zwischen der positl.ven Eingangsklemme 1 und der negativen Eingangsklemme-2 liegt ein Elektrolytkondensator b. An die positive Eingangsklemme 1-ist der Emitter eines prip-Transiotors 7 angeschlosnen, dessen Kollektor über die Primärwicklung 9 eines Transformators S an die Verbindungsleitung 3 geschaltet ist. Die Basis des Transistors 7 ist mit- einem Wicklungsende einer ersten Gekundärwicklung °10 des Transformators ß verbunden, dessen zweites Wicklungsende zu der Anode eines mit seiner Katode an der positiven Anachlußklemme 5 der Ausgangsseite liegenden ersten Gleichrichters 12 geschaltet ist. Die Basis-Emitter-Strecke des.Transistors 7 ist mit einem Kondensator 13 überbrückt, außerdem ist-von der Basis dieses Transistors ein Kondensator 14 zu der Verbindungsleitung 3 geschaltet. An die positive Eingangsklemme 1 ist ein Wicklungsende einer zweiten Sekundärwicklung 11 des Transformators 8 geschaltet, dessen zweites Wicklungsende an der Anode eines mit seiner Katode an die positive Ausgangsklemme 5 geschalteten zweiten Gleichrichters 15 liegt. Die Anode des ersten Gleichrichters 12 ist mit der Anode des zweiten Gleichrichters 15 über einen Widerstand 16 verbunden. Von der Anode des ersten Gleichrichters 12 ist ein Kondensator 1'7 zu der Verbindungsleitung 3 geschaltet und zwischen der positiven Ausgangsklemme 5 und der. negativen Ausgangsklemme 4 liegt ein als Ladekondensator dienender Elektrolytkondensator 18.Further details of the invention are based on one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail. The DC voltage converter according to the invention receives the DC input voltage at two input terminals 1 and 2. Included input terminal 1 forms the positive connection terminal and input terminal 2 the negative terminal. The negative terminal 2 is via a connecting line 3 connected to the negative terminal 4. of the output side. Between the positl.ven input terminal 1 and the negative input terminal-2 is an electrolytic capacitor b. The emitter of a prip-Transiotor 7 is connected to the positive input terminal 1, its collector via the primary winding 9 of a transformer S to the connecting line 3 is switched. The base of the transistor 7 is one end of the winding first secondary winding ° 10 of the transformer ß connected, the second winding end to the anode one with its cathode on the positive connection terminal 5 of the output side lying first rectifier 12 is connected. The base-emitter path of the transistor 7 is bridged with a capacitor 13, and is -of the base of this transistor a capacitor 14 switched to the connecting line 3. To the positive input terminal 1 is one winding end of a second secondary winding 11 of the transformer 8 switched, the second winding end of which at the anode of a with its cathode connected to the positive output terminal 5 second rectifier 15 lies. The anode of the first rectifier 12 is with the anode of the second rectifier 15 connected via a resistor 16. From the anode of the first rectifier 12 a capacitor 1'7 is connected to the connecting line 3 and between the positive output terminal 5 and the. negative output terminal 4 is a charging capacitor Serving electrolytic capacitor 18.

Wird an die Eingangsklemme 1 und 2 des Gleichspannungswandlers eine Eingangsgleichspannung angelegt, so tritt der Gleichspannungswandler erst dann in Funktion, wenn zwischen die Ausgangsklemmen 4 und 5 eine Last eingeschaltet ist. Bei der.grundsätzliehen Funktionsbeschreibung des Gleichspannungswandlers wird zunächst auf die Wirkung der zweiten Sekundärwicklung 11 des Transformators 8 und den zweiten Gleichrichter nicht näher eingegangen. Ist der Laststromkreis geschlossen, dann entsteht ein k tromfluß; dgr von der pƒoitv@n Eingg-ngsklemng 1 über di@ Fin_itter-Basis-Strecke des Transistors 7 die erste Sekdndäicklung 10 des Transformators 8, den ersten Gleichrichter 12, die eingeschaltete Last und die Verbindungsleitung 3 zu der negativen Eingangsklemme«2 führt. Dieser Strom bildet den Basisstrom, der mit seinem Maximalwert einsetzt und mit der Zeitlinear abnimmt. Der Basisstrom hat aber einen ansteigenden durch die Primärwicklung 9 des Transformators 8 fließenden Zollektorstrom zur Folge, der in der ersten Sekundärwicklung 10 des Transformators 8 eine Spannung induziert. Der Kollektorstrom und der Basisstrom des Transistors 7 verhalten sich während der Flußphase des Transistors 7 gegenläufig. Erreicht der Kollektorstrom einen Wert, der dem Wert des Basisstromes multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor entspricht., s® kann der Kollektorstrom nicht weiter ansteigen und das Abschalten des Transistors wird eingeleitet. - Diepea-.bechalten erfolgt sehr rasch, da durch die fehlende Stromänderung des Kollektorstromes in der Sekundärwicklung 10 keine Spannung'mehr induziert wird und dadurch der Gleichrichter 12 gesperrt wird. Die Sperrung des Gleichrichters 12 und damit die Unterbrechung des Basisstromes wird durch die größere Ladespannung des Elektrolytkondensators 18 bewirkt.If an input DC voltage is applied to input terminals 1 and 2 of the DC / DC converter, the DC / DC converter only comes into operation when a load is switched on between the output terminals 4 and 5. In the basic description of the function of the DC-DC converter, the effect of the second secondary winding 11 of the transformer 8 and the second rectifier will not be discussed in detail. If the load circuit is closed, then there is a flow of current; dgr from the pƒoitv @ n input terminal 1 via the fin_itter base path of the transistor 7, the first secondary winding 10 of the transformer 8, the first rectifier 12, the switched-on load and the connecting line 3 to the negative input terminal «2. This current forms the base current, which starts at its maximum value and decreases linearly with time. The base current, however, results in an increasing collector current flowing through the primary winding 9 of the transformer 8, which induces a voltage in the first secondary winding 10 of the transformer 8. The collector current and the base current of the transistor 7 behave in opposite directions during the flow phase of the transistor 7. If the collector current reaches a value that corresponds to the value of the base current multiplied by the current amplification factor., S® the collector current cannot increase any further and the transistor is switched off . - Die-peak switching takes place very quickly, since no voltage is induced in the secondary winding 10 due to the lack of a current change in the collector current, and the rectifier 12 is blocked as a result. The blocking of the rectifier 12 and thus the interruption of the base current is brought about by the higher charging voltage of the electrolytic capacitor 18.

Während der Sperrphase ist die Last von der Sekundärwicklung 10 des Transformators 8 abgetrennt. Der Sekundärkreis des Trans- ' formators 8 besteht in der Sperrphase des Oszillators aus einem -Parallelschwingkreis. Dieser Parallelschwingkreis besteht aus der ersten Sekundärwicklung 10, zu der die Reihenschaltung der beiden Kondensatoren 14 und 17 parallel liegen. Dieser Parallelschwirigkreis ist nur sehr schwach gedämpft, und er führt während der Sperrzeit nahezu eine Sinusschwingung aus. Dabei ändert sich die Spannung an der Sekundärwicklung 10 von einem positiven Wert zunächst in negativer Richtung bis zu einem negativen Maximalwert und steigt danach wieder auf positive Werte an. Erreicht diese Spannung die Ladespannung des Elektrolytkondensators 18, dann wird der erste Gleichrichter 12 wieder leitend und der Basisstrom .des Transistors beginnt zu fließen. Damit setzt ein neues Spiel des Oszillatare ein. Diö Sperrphase des Oszillators ist bei diesem Ausführungsbeispiel geringer als die Plußphase. Die während der Flußphase des Oszillators in der ersten Sekundärwicklung 10 des Transformators 8 induzierte Spannung ist der Eingangsgleichspannung in Reihe geschaltet, so daß an den Aus gangsklemmen 4 und 5 eine gegenüber der Eingangsgleichspannung erhöhte Ausgangsspannung entnehmbar ist.During the blocking phase, the load is from the secondary winding 10 of the Transformer 8 disconnected. The secondary circuit of the transformer 8 exists in the blocking phase of the oscillator from a parallel resonant circuit. This parallel resonant circuit consists of the first secondary winding 10, to which the series connection of the two Capacitors 14 and 17 are parallel. This parallel orbit is just very weakly damped, and during the blocking time it almost oscillates as a sinusoid the end. The voltage on the secondary winding 10 changes from a positive one Value initially in a negative direction up to a negative maximum value and increases then again to positive values. If this voltage reaches the charging voltage of the Electrolytic capacitor 18, then the first rectifier 12 is again conductive and the base current of the transistor begins to flow. This sets a new game of the oscillator. The blocking phase of the oscillator is in this embodiment less than the plus phase. The one during the flow phase of the oscillator in the first Secondary winding 10 of the transformer 8 induced voltage is the DC input voltage connected in series, so that at the output terminals 4 and 5 from a compared to the input DC voltage increased output voltage can be taken.

Durch- die zweite Sekundärwicklung 11 des Transformators 8, die funktionsmäßig parallel zur ersten Sekundärwicklung 10 des Transformators 8 liegt, wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors entlastet und der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers erhöht. Die zweite Sekundärwicklung 11 besitzt die gleiche Windungszahl wie die erste Sekundärwicklung 10so daß beim Betrieb des Gleichspannungswandlers in beiden Sekundär- wicklungen die gleichen Spannungen induziert werden. Der Anteil. des Laststromes, der durch die zweite Sekundärwicklung 11 fließt, ist größer als der Teil des Laststromes,der über die Emitter-Basis-Strecke des.Transistors 7 fließt. Diese Tatsache ist durch den Basisbahnwideratand Und den Emitterbahnwiderstand des Transistors 7 bedingt, die im Stromkreis der zweiten Sekun- .därwicklung 11 des Transformators 8 fehlen. Die Funktionsweise des Gleichspannungswandlers wird durch die zweite Sekundär- wicklung 11 des Transformators 8 nicht verändert, dagegen wird-«@ der Wirkungsgrad stark verbessert, der bei Ausgangsleistungen oberhalb von 20 Watt ca. 85% beträgt. Außerdem wird der Transi- stor besser ausgenutzt, d.h. bei gleichen Ausgangsleistungen kann für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler ein Transistor mit geringerer Leistung verwendet werden. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler weist den zusätz- lichen Vorteil auf, daß der Oszillator bei einem Zusammenbruch der Eingangsspannung nichtabgeschaltet wird. Bei einer gegen- über dem Normalwert verringerten Eingangsspannung kann der Gleichspannungswandler auch nur eine geringere Ausgangsspannung erzeugen. Im Zeitpunkt des Zusammenbruchs der Eingangsspannung ist aber die Ladespannung des Elektrolytkondensators 18 auf der Ausgangsseite größer als die erzeugte Ausgangsspannung, so daß die Gleichrichter 12 und 15 gesperrt werden. Durch die Sperrung des Gleichrichters 11 wird aber der Basisstrom des Transistors 7 unterbrochen und damit eine Sperrphase des Oszillators einge- leitet. Bei anderen bekannten Gleichspannungswandlern bleibt der ,Oszillator solange abgeschaltet, bis der Elektrolytkonden- sator 18 auf der Ausgangsseite soweit entladen ist, daß_seine Ladespannung unter den Wert der Eingangsspannung abgesunken ist. Beim erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler bleibt der Oszillator weiter in Funktion, da in der Sperrphase der schwach gedämpfte Pärallelschwingkreis eine Schwingung ausführt und die Spannung an der ersten Sekundärwicklung 10 zunächst absinkt und dann soweit ansteigt, bis sie die Ladespannung das Elektro- lytkondensators 18 erreicht. Damit wird aber der erste Gleich- richter 12 wieder leitend und der Baeieetrom setzt ein-: Die in der zweiten Sekundärwicklung gespeicherte Energie wird in der Sperrphase des Oszillators dem Parallelschwingkreis über den Widerstand 16 zugeleitet und für das Schwingen des Parallel- schwingkreises ausgenutzt., Bei einem Zusammenbruch der Eingangsspannung sinkt natürlich durch die Belastung die Ladespannung am Elektrolytkondensator 18 und damit die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers.' Da aber der Oszillator weiter in Funktion bleibt, ist durch die verringerte Eingangsspannung dem Gleichspannungswandler weiter eine Ausgangsspannung entnehmbar, die zwar geringer ist als die im Normalfall entnehmbare Ausgangsspannung, sie sinkt aber niemals unter den Wert der Eingangsspannung. Through the second secondary winding 11 of the transformer 8, which is functionally parallel to the first secondary winding 10 of the transformer 8, the base-emitter path of the transistor is relieved and the efficiency of the DC-DC converter is increased. The second secondary winding 11 has the same number of turns as the first secondary winding 10 so that when the DC voltage converter is in operation in both secondary windings induce the same voltages. The amount. of the load current flowing through the second secondary winding 11 flows is greater than the part of the load current that flows through the Emitter-base path of the transistor 7 flows. this fact is by the base path resistance and the emitter path resistance of transistor 7, which in the circuit of the second second .Därwickung 11 of the transformer 8 are missing. How it works of the DC / DC converter is replaced by the second secondary winding 11 of transformer 8 is not changed, however - «@ the efficiency greatly improved, the output power above 20 watts is approx. 85%. In addition, the transit stor better used, ie with the same output power can be used for the DC voltage converter according to the invention Lower power transistor can be used. The DC voltage converter according to the invention has the additional union advantage that the oscillator breaks down the input voltage is not switched off. At an opposite the input voltage reduced above the normal value can be the DC voltage converter also only has a lower output voltage produce. At the time of the collapse of the input voltage but the charging voltage of the electrolytic capacitor 18 is on the Output side greater than the generated output voltage, so that the rectifiers 12 and 15 are blocked. By blocking of the rectifier 11 is the base current of the transistor 7 is interrupted and a blocking phase of the oscillator is directs. With other known DC voltage converters remains the oscillator is switched off until the electrolyte condenser Sator 18 on the output side is so far discharged that_seine Charging voltage has dropped below the value of the input voltage is. When the DC voltage converter according to the invention remains The oscillator continues to function because it is weak in the blocking phase damped parallel resonant circuit carries out an oscillation and the voltage across the first secondary winding 10 initially drops and then increases until it reduces the charging voltage to the electrical Lytkondensators 18 reached. But with this the first equal Richter 12 is in charge again and the Baeieetrom kicks in: The in The energy stored in the second secondary winding is in the Blocking phase of the oscillator to the parallel resonant circuit via the Resistance 16 fed and for the oscillation of the parallel resonant circuit exploited., In the event of a collapse of the input voltage, it naturally drops the charging voltage on the electrolytic capacitor due to the load 18 and thus the output voltage of the DC / DC converter. ' But since the oscillator continues to function, it is through the reduced input voltage to the DC / DC converter furthermore, an output voltage can be taken that is lower than the output voltage that can normally be taken, it drops but never below the value of the input voltage.

Claims

Claims 1. DC voltage converter for converting an input DC voltage into an increased DC output voltage with a transistor oscillator and a Transformer whose secondary winding sends the oscillator vibrations to a rectifier are fed to the emitter-base path of the transistor and in the direct current circuit of the load circuit is characterized in that the transformer (8) is a second secondary winding (11), one end of which leads to a connection terminal (1) the entry side leads. and the other end of the winding with one pole of a second Rectifier (15) is connected, the other pole of which is connected to a terminal (5) the starting side.

2. DC voltage converter according to claim 1, characterized in that the second secondary winding (11) has the same number of turns as the first secondary winding (10), and that the primary winding (9) is wound between the two secondary windings on the bobbin of the transformer (8) .

3. DC voltage converter according to claim 1 to 2, characterized in that the emitter of the transistor (7) is connected to a connection terminal on the input side (1) and the base of this transistor (7) via the first secondary winding (10) of the transformer (8) and the first rectifier (12) leads to a connection terminal (5) of the output side *, and that the series circuit consisting of the second secondary winding (11) of the transformer (8) and the second rectifier (15) is connected in parallel to this circuit .