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WO1999014844A1 - Verfahren zur leistungsoptimierung von schaltnetzteilen sowie schaltnetzteil zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur leistungsoptimierung von schaltnetzteilen sowie schaltnetzteil zur durchführung dieses verfahrens Download PDF

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WO1999014844A1
WO1999014844A1 PCT/AT1998/000208 AT9800208W WO9914844A1 WO 1999014844 A1 WO1999014844 A1 WO 1999014844A1 AT 9800208 W AT9800208 W AT 9800208W WO 9914844 A1 WO9914844 A1 WO 9914844A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transformer
current
choke
magnetic field
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/AT1998/000208
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Croce
Günther Danhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU89640/98A priority Critical patent/AU8964098A/en
Priority to DE29824172U priority patent/DE29824172U1/de
Publication of WO1999014844A1 publication Critical patent/WO1999014844A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/40—Means for preventing magnetic saturation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC

Definitions

  • Power supplies are necessary for the supply of electronic devices which derive one or more DC or AC voltages of the appropriate size from the AC network.
  • the voltage translation and the mostly required galvanic isolation from the network are taken over by a transformer.
  • such network transformers can only be reduced in volume and weight to a limited extent, which is why such power supplies do not meet today's miniaturization requirements.
  • the relatively high power loss requires the use of large heat sinks, which further increases the total volume and weight of the power supplies.
  • switched-mode power supplies in which the mains voltage is rectified and screened and then "chopped" with a relatively high frequency.
  • the disadvantages of conventional power supplies with 50 Hz transformers can be greatly reduced, since the higher frequencies Voltages can be translated with much higher efficiency, which results in switching power supplies that have a significantly lower volume and weight than conventional power supplies.
  • the working area is usually chosen to be so small for safety reasons that it is highly unlikely that saturation will occur.
  • the current in the primary winding of the transformer would in fact have impermissibly high values.
  • a certain residual magnetism can build up when the control is not completely symmetrical, which is equivalent to a zero point shift. Because of this shift, the distance decreases on one side of the magnetization characteristic for core saturation, which is why the safety margin is chosen even larger. Due to the core saturation on the one hand and the remanence on the other hand, only a part of the possible work area is used for safety reasons.
  • the transformer is therefore not optimally used for the desired output power, but rather oversized, or the power yield achieved in a switched-mode power supply with a transformer of a certain size will be very low.
  • the circuit according to US Pat. No. 4,553,198 A aims to control the transformer as symmetrically as possible by detecting the primary-side current.
  • No. 4,939,633 A also shows the regulation of a symmetrical current load on the primary winding of the transformer, the primary-side current of the transformer being detected with the aid of a magnetic sensor in its own magnetic core.
  • the self-oscillating circuits according to US 4,395,751 A and US 4,519,023 A in which the transistors are controlled via their own load current via an auxiliary winding, good control symmetry of the transformer can be achieved.
  • the object of the invention is to provide measures by means of which the power yield of switching power supplies with transformers can be increased. The usual over-dimensioning of the transformers or chokes in switching power supplies is to be avoided in this way.
  • the object of the invention is achieved in that the current magnetic field in the transformer or in the choke is measured, and in that at least one parameter of the input voltage U e or of the input current I is used to regulate the magnetic field for the purpose of preventing saturation of the transformer or the choke e is changed depending on the current magnetic field.
  • the air gap in the core of the transformer or the choke which is necessary in particular in the case of forward converters and which serves to counteract possible residual magnetization, can be eliminated. This reduces the leakage losses and the magnetic resistance, which means that increased performance can be achieved.
  • the method according to the invention can be improved in that the primary current I p of the transformer or the inductor is measured and that the primary current I p of the transformer or the inductor is used to regulate the magnetic field of the transformer or the inductor. Since the relationship between the primary current I p and the magnetic field changes due to the non-linear relationship outside of specified conditions, the core saturation can be recognized more accurately, faster and more reliably by recording both parameters.
  • the switching times ti, t 2 of the input voltage U e or the input current l e are dependent on the current one Magnetic field in the transformer or the choke changed.
  • the control of the switching times is a simple and quick way.
  • the switching frequency f of the input voltage U e or the input current L can also be changed as a function of the current magnetic field.
  • the amplitude of the input voltage U e or the input current L can also be changed as a function of the current magnetic field in the transformer or the inductor and thus also the output voltage U a or the output current I a independently of the respective load conditions at the output of the switching power supply and without the risk of core saturation.
  • a corresponding counter-magnetization in the transformer or the choke to eliminate the remanence is caused by a corresponding change in the parameters of the input voltage Ue or the input current le.
  • This is particularly necessary in the case of switched-mode power supplies which operate on the principle of the single-ended converter in order to prevent residual magnetism (zero point shift) and consequently saturation.
  • the residual magnetism can be reduced simply by changing the duty cycle of the switching times tj, t 2 of the input voltage U e or the input current L.
  • Another object of the invention is to provide a switching power supply for carrying out the above-mentioned method for performance optimization.
  • a sensor for example a Hall sensor or a magnetoresistive sensor for measuring the current magnetic field
  • the sensor is connected to a control unit, the output of which is connected to the switching stage . It follows that with a certain nominal output power of the power supply, this can be made much smaller, since the efficiency is higher and the losses in the transformer or in the choke are lower, so that the transformer or the choke does not have to be oversized as usual, but rather can be made much smaller.
  • control unit is connected to the primary side of the transformer or the choke, so that the primary current I p of the transformer or the choke can be used as an input variable for the control, the control can be carried out faster and more accurately, since the core saturation can be detected more quickly and reliably can.
  • Fig. 2 shows a switching power supply according to the principle of a bridge push-pull converter in a schematic representation, Fig. 3a-3c, the control voltages and currents of the switching transistors and the
  • FIGS. 5a-5d the temporal profiles of the primary voltage of the transformer to illustrate some possibilities of the regulation according to the invention.
  • Figures la and lb schematically show the magnetization characteristic of a transformer.
  • the magnetic induction B as a function of the magnetic field strength H or the magnetic flux ⁇ as a function of the flooding ⁇ is shown.
  • the area of the core saturation is characterized in that the magnetic flux ⁇ or the induction B cannot be significantly increased despite the increase in the current in the primary winding of the transformer or the flux ⁇ . Almost all elementary magnets of the core material are aligned in the area of saturation.
  • the inductive resistance of the winding decreases in the area of saturation, as a result of which only the undesirable ohmic component of the resistance limits the current in the winding and this reaches inadmissibly high values.
  • Fig. Lb the working range of a switching power supply according to the invention is shown, which is achieved in that the magnetic flux ⁇ or the magnetic field strength H is measured and the input variables of the switching power supply are regulated depending on the flux Fluss so that no core saturation and none Zero shift occurs.
  • the zero point shift is prevented, for example, in such a way that the magnetic core is magnetized longer or more in the opposite direction to the shift.
  • the magnetic flux ⁇ is not increased further, ie it is blocked off. So can the entire working area can be used without running the risk that the working area runs into the saturation of the magnetization characteristic.
  • Fig. 2 shows the circuit diagram of a switched-mode power supply based on the principle of a bridge push-pull converter, in which the input voltage U e or the input current L is periodically switched on and off with the aid of four transistors T-T in a bridge circuit.
  • the currents Ii and I 2 flow in phase opposition over the primary winding of the transformer and cause a primary voltage Ui there, which is transformed into a desired output voltage U a .
  • To stabilize the output voltage U a it is known to regulate the duty cycle and the frequency of the switching operations of the transistors.
  • a bridge push-pull converter has the advantage that a lower number of turns on the transformer is necessary, and the disadvantage that four transistors are required.
  • the present invention can also be applied to other types of switching power supplies.
  • Transistors T 2 and T 4 turned on simultaneously for a duration t 2 , so that a current I 2 in
  • the duration tj or t 2 per period T is set in accordance with the power desired at the output.
  • the time period is selected according to a 50% power yield at the output, and on
  • 3c shows the resulting voltage U [on the primary side of the transformer.
  • 4 schematically shows a block diagram of a switching power supply according to the invention with active control of the nuclear magnetization.
  • a switching stage 1 which is usually constructed from switching transistors, the input voltage U e is periodically switched on and off at a relatively high frequency f, that is to say "chopped up" to a certain extent.
  • is translated with the aid of a transformer 2.
  • a smaller transformer 2 is required compared to a 50 Hz transformer
  • the transformer 2 also takes on the frequently required galvanic isolation between the primary and secondary side. If such galvanic isolation is not necessary, the squarewave voltage Uj can also be converted by a choke Subsequently, the secondary voltage U 2 is rectified and sieved in a subsequent stage 3, so that a stable output voltage U a is present, according to the invention a sensor 4 is provided for measuring the magnetic field strength in the transformer 2.
  • This sensor 4 can be designed, for example, as a Hall sensor be the s I use the Hall effect.
  • a semiconductor wafer arranged in a magnetic field and through which a current flows delivers a voltage proportional to the magnetic flux density.
  • the senor 4 can be designed as a magnetoresistive sensor which shows a resistance dependent on the magnetic field.
  • the sensor 4 can, for example, be glued into a slot in the core material of the transformer 2, the adhesive advantageously being mixed with ferrite particles.
  • the slot should be made as small as possible so that the homogeneity of the magnetic field is not significantly disturbed and the possible scatter losses are kept small.
  • the signal originating from the sensor 4 is fed to a control unit 5.
  • the control unit 5 prepares the sensor signal for further processing.
  • the control unit 5 delivers a corresponding control signal with which the switching stage 1 is controlled.
  • the frequency of the oscillator in the switching stage 1, which generates the frequency f with which the input voltage U e is periodically switched on and off, can be changed as a function of the control signal, ie as a function of the magnetic field in the core of the transformer 2.
  • the switch-on time of the input voltage U e can also be changed depending on the control signal or the magnetic field.
  • the output voltage U a or the output current I a or the secondary voltage U 2 is also fed into the control circuit. This However, feedback could also be omitted for constant load conditions and applications that are independent of network fluctuations.
  • the primary current I p of the transformer 2 or the choke can also be included in the control. This measure detects core saturation faster and more reliably than when only the magnetic field is detected.
  • FIGS. 5a-5d schematically show the time profiles of the primary voltage Uj on the transformer in different control cases for a switched-mode power supply with a push-pull converter.
  • 5a shows the course for symmetrical operation, ie the same residual magnetism in both directions.
  • the transistors of the switching stage are switched on for a certain time t in accordance with the required output power.
  • t ⁇ t. If residual magnetism builds up in one direction of the magnetization characteristic, this situation is immediately recognized by the sensor and appropriate control is carried out. This case is shown in FIG.
  • the switched-mode power supply is dimensioned in such a way that, with maximum power requirement at the output, the working area in the magnetization just reaches the areas of the core saturation and thus the full working area is used. 5d finally shows the case of lower power requirements, the switch-on times ti and t 2 in the switching stage being reduced to a corresponding value t ".
  • the frequency f and the amplitude of the input voltage U e or the input current L can be regulated (not shown).
  • the power supplies according to the invention can also bring extreme advantages in traffic engineering, since, for example, electric traction vehicles require much smaller and lighter converters with the same drive power.
  • the application possibilities are almost unlimited.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsoptimierung von Schaltnetzteilen, bei denen die Eingangsspannung Ue bzw. der Eingangsstrom Ie mit einer Schaltfrequenz f periodsch ein- und ausgeschaltet wird und mit einem Transformator oder einer Drossel eine Ausgangsspannung Ua bzw. ein Ausgangsstrom Ia gewonnen wird, bei dem zuindest ein Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes Ie veränderbar ist, sowie ein Schaltnetzteil zur Durchführung dieses Verfahrens. Zur Erhöhung der Leistungsausbeute von Schaltnetzteilen mit Transformatoren und Vermeidung der Überdimensionierung der Transformatoren oder Drosseln, ist vorgesehen, dass das aktuelle Magnetfeld im Transformator oder in der Drossel gemessen wird, und dass zur Regelung des Magnetfeldes zum Zwecke der Verhinderung einer Sättigung des Transformator bzw. der Drossel zumindest ein Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes Ie in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird. Durch diese aktive Regelung der Kernmagnetisierung kann auch auf den Luftspalt im Kern des Transformators ohne Sättigungsrisiko verzichtet werden.

Description

Verfahren zur Leistungsoptimierung von Schaltnetzteilen sowie Schaltnetzteil zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsoptimierung von Schaltnetzteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Schaltnetzteil zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Für die Versorgung elektronischer Geräte sind Netzteile notwendig, die aus dem Wechselstromnetz eine oder mehrere Gleich- oder Wechselspannungen entsprechender Größe ableiten. Bei herkömmlichen Netzteilen wird die Spannungsübersetzimg und die meistens verlangte galvanische Trennung vom Netz von einem Transformator übernommen. Solche Netztransformatoren lassen sich in Volumen und Gewicht allerdings nur beschränkt reduzieren, weshalb derartige Netzteile nicht den heutigen Anforderungen einer Miniaturisierung genügen. Darüber hinaus macht im Falle einer Spannungs- oder Stromregelung die relativ hohe Verlustleistung den Einsatz großer Kühlkörper notwendig, wodurch das Gesamtvolumen und -gewicht der Netzteile weiter erhöht wird.
Abhilfe wurde durch sogenannte Schaltnetzteile geschaffen, bei denen die Netzspannung gleichgerichtet und gesiebt wird und diese dann mit einer relativ hohen Frequenz „zerhackt" wird. Durch Anhebung der Betriebsfrequenz lassen sich die Nachteile herkömmlicher Netzteile mit 50 Hz - Transformatoren sehr stark reduzieren, da die höherfrequenten Spannungen mit wesentlich höherem Wirkungsgrad übersetzt werden können. Daraus resultieren Schaltnetzteile, welche gegenüber herkömmlichen Netzteilen wesentlich geringeres Volumen und wesentlich geringeres Gewicht aufweisen.
Bei der Dimensionierung der Transformatoren von Schaltnetzteilen wird üblicherweise der Arbeitsbereich sicherheitshalber so klein gewählt, daß eine Sättigung mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht eintritt. Im Bereich der Kernsättigung würde der Strom in der Primärwicklung des Transformators nämlich unzulässig hohe Werte annehmen. Weiters kann sich bei nicht vollkommen symmetrischer Aussteuerung ein gewisser Restmagnetismus (Remanenz) aufbauen, was gleichbedeutend mit einer Nullpunktsverschiebung ist. Aufgrund dieser Verschiebung verringert sich auf einer Seite der Magnetisierungskennlinie der Abstand zur Kernsättigung, weshalb der Sicherheitsabstand noch größer gewählt wird. Aufgrund der Kernsättigung einerseits und der Remanenz andererseits wird sicherheitshalber nur ein Teil des möglichen Arbeitsbereichs ausgenützt. Der Transformator wird somit für die gewünschte Ausgangsleistung nicht optimal eingesetzt, sondern überdimensioniert bzw. es wird die bei einem Schaltnetzteil mit einem Transformator bestimmter Größe erzielte Leistungsausbeute sehr gering sein.
Mit verschiedenen Schaltungsanordnungen wird versucht, die Nullpunktsverschiebung und in der Folge eine Sättigung des Transformators zu verhindern. Beispielsweise wird mit der Schaltung gemäß der US 4 553 198 A durch Erfassung des primärseitigen Stromes eine möglichst symmetrische Ansteuerung des Transformators angestrebt. Auch die US 4 939 633 A zeigt die Regelung einer symmetrischen Strombelastung der Primärwicklung des Transformators, wobei der primärseitige Strom des Übertragers mit Hilfe eines Magnetsensors in einem eigenen Magnetkern erfaßt wird. Mit den selbstschwingend ausgeführten Schaltungen gemäß der US 4 395 751 A und der US 4 519 023 A bei der die Ansteuerung der Transistoren über den eigenen Laststrom über eine Hilfswicklung erfolgt, ist eine gute Ansteuersymmetrie des Transformators erreichbar. Bei diesen bekannten Schaltungen führen allerdings Bauteiltoleranzen und Offsetfehler auch zu Nullpunktsverschiebungen des Magnetfeldes des Transformators. Durch die Regelung der Ansteuersymmetrie wird nur eine Ursache des unerwünschten Effektes einer asymmetrischen Dauermagnetisierung bekämpft. Andere Einflüsse auf die Kernmagnetisierung werden nicht berücksichtigt. Das Problem der asymmetrischen Ansteuerung durch Bauteiltoleranzen wird dadurch nur von der Leistungsstufe auf die Steuerungselektronik verlagert. Undefinierte Zustände der Elektronik in der Aus- und Einschaltphase aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung der Steuerung und des Leistungsteils können ebenfalls asymmetrische Ansteuerungen zur Folge haben. Auch sekundärseitige Lasten, beispielsweise beim Anschließen oder Abschließen können auch kurzfristig asymmetrische Ströme und somit Kernmagnetisierungen hervorrufen. Es ist daher eine Überdimensionierung des Kerns erforderlich, um die nötigen Sicherheitsabstände zur Kernsättigung zu erreichen. Ein Verzicht auf den Luftspalt im Kern wäre nur mit erhöhtem Sättigungsrisiko bei entsprechend großen Sicherheitsabständen denkbar. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Maßnahmen, mit deren Hilfe die Leistungsausbeute von Schaltnetzteilen mit Transformatoren erhöht werden kann. Die übliche Überdimensionierung der Transformatoren bzw. Drosseln in Schaltnetzteilen soll dadurch vermieden werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch, daß das aktuelle Magnetfeld im Transformator oder in der Drossel gemessen wird, und daß zur Regelung des Magnetfeldes zum Zwecke der Verhinderung einer Sättigung des Transformators bzw. der Drossel zumindest ein Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes Ie in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird. Durch die Erfassung des Magnetfelds im Transformator oder in der Drossel kann durch entsprechende Regelung der Parameter der Eingangsgrößen verhindert werden, daß der Transformator in die Sättigung gerät und in der Folge überlastet werden könnte. Dadurch ist es möglich, die Leistungsausbeute gegenüber herkömmlichen Schaltnetzteilen gleicher Baugröße wesentlich zu erhöhen, da der gesamte Arbeitsbereich gemäß der Magnetisierungskennlinie des Transformators oder der Drossel ausgenützt wird. Durch die aktive Regelung der Kernmagnetisierung wird die Gefahr einer Sättigung gebannt. Gleichzeitig kann der insbesondere bei Durchflußwandlern notwendige Luftspalt im Kern des Transformators oder der Drossel, der dazu dient, einer möglichen Restmagnetisierung entgegenzuwirken, entfallen. Dadurch werden die Streuverluste gesenkt und der magnetische Widerstand gesenkt, wodurch eine erhöhte Leistung erzielt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch verbessert werden, daß der Primärstrom Ip des Transformators oder der Drossel gemessen wird, und daß der Primärstrom Ip des Transformators oder der Drossel zur Regelung des Magnetfeldes des Transformators oder der Drossel herangezogen wird. Da sich die Beziehung zwischen Primärstrom Ip und Magnetfeld aufgrund des nichtlinearen Zusammenhanges außerhalb spezifizierter Verhältnisse ändert, ist durch die Erfassung beider Kenngrößen die Kernsättigung genauer, schneller und sicherer erkennbar.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schaltzeiten ti, t2 der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfelds im Transformator oder der Drossel verändert. Die Regelung der Schaltzeiten stellt eine einfache und rasche Möglichkeit dar.
Alternativ dazu oder in Kombination mit der Veränderung der Schaltzeiten kann auch die Schaltfrequenz f der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert werden.
Darüber hinaus kann alternativ dazu oder zusätzlich zu den obengenannten Variationsmöglichkeiten auch die Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfelds im Transformator oder der Drossel verändert werden und auch damit die Ausgangsspannung Ua bzw. der Ausgangsstrom Ia unabhängig von den jeweiligen Lastverhältnissen am Ausgang des Schaltnetzteils und ohne der Gefahr der Kernsättigung geregelt werden.
Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmai ist vorgesehen, daß bei Messung einer allfalligen Remanenz (Restmagnetismus) des Transformators oder der Drossel durch entsprechende Änderung der Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le eine entsprechende Gegenmagnetisierung im Transformator bzw. der Drossel zur Eliminierung der Remanenz hervorgerufen wird. Dies ist insbesondere bei Schaltnetzteilen, welche nach dem Prinzip des Eintaktwandlers arbeiten zur Verhinderung eines Restmagnetismus (Nullpunktverschiebung) und in der Folge einer Sättigung notwendig. Im Falle eines Schaltnetzteils, welches nach dem Prinzip eines Gegentaktwandlers arbeitet, kann der Restmagnetismus allein durch Veränderung des Tastverhältnisses der Schaltzeiten tj, t2 der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L abgebaut werden. So wird die Einschaltzeit jener Spannung bzw. jenes Stromes, welche(r) eine Magnetisierung in Gegenrichtung der Remanenz hervorruft gegenüber der Einschaltzeit der Spannung bzw. des Stromes in entgegengesetzter Polarität entsprechend erhöht, um eine entsprechende Gegenmagnetisierung hervorzurufen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schaltnetzteils zur Durchführung des oben erwähnten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsoptimierung. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß im Transformator oder in der Drossel ein Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor zur Messung des aktuellen Magnetfeldes vorgesehen ist, und daß der Sensor mit einer Regeleinheit verbunden ist, dessen Ausgang mit der Schaltstufe verbunden ist. Daraus folgt, daß bei bestimmter Nennausgangsleistung des Netzteils dieses wesentlich kleiner ausgeführt werden kann, da der Wirkungsgrad höher ist und die Verluste im Transformator oder in der Drossel niedriger sind, sodaß der Transformator oder die Drossel nicht, wie üblich, stark überdimensioniert werden muß, sondern wesentlich kleiner ausgeführt werden kann.
Wenn zusätzlich die Regeleinheit mit der Primärseite des Transformators oder der Drossel verbunden ist, sodaß der Primärstrom Ip des Transformators oder der Drossel als Eingangsgröße für die Regelung heranziehbar ist, kann die Regelung schneller und exakter durchgeführt werden, da die Kernsättigung schneller und sicherer erfaßt werden kann.
Wenn die Regeleinheit durch einen Mikrokontroller gebildet ist, ergeben sich alle damit verbundenen Vorteile, wie Miniaturisierung, Flexibilität bei der Programmierung oder rasche Regelung. Anstelle eines Mikrokontrollers kann allerdings auch eine analoge Schaltung vorliegen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert und mit bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen verglichen.
Darin zeigen
Fig. la-lb den Arbeitsbereich eines herkömmlichen Schaltnetzteil-Transformators im
Vergleich zum Arbeitsbereich des Transformators eines Schaltnetzteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 ein Schaltnetzteil nach dem Prinzip eines Brücken-Gegentaktwandlers in schematischer Darstellung, Fig. 3a-3c die Steuerspannungen bzw. -ströme der Schalttransistoren sowie die
Primärspannung des Transformators aus der Schaltung gemäß Fig. 2 im zeitlichen
Verlauf, Fig. 4 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils mit aktiver Regelung der Kernmagnetisierung, und Fig. 5a-5d die zeitlichen Verläufe der Primärspannung des Transformators zur Veranschaulichung einiger Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Regelung.
Die Figuren la und lb zeigen schematisch die Magnetisierungskennlinie eines Transformators. Dabei ist die magnetische Induktion B in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke H bzw. die magnetische Fluß Φ in Abhängigkeit der Durchflutung Θ dargestellt. Der Bereich der Kernsättigung ist dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß Φ bzw. die Induktion B trotz Erhöhung des Stromes in der Primärwicklung des Transformators bzw. der Durchflutung Θ nicht nennenswert erhöht werden kann. Im Bereich der Sättigung sind annähernd sämtliche Elementarmagnete des Kernmaterials ausgerichtet. Im Bereich der Sättigung sinkt der induktive Widerstand der Wicklung, wodurch nur der unerwünschte ohm'sche Anteil des Widerstandes den Strom in der Wicklung begrenzt und dieser unzulässig hohe Werte erreicht. Um nicht in den Bereich der Kernsättigung zu kommen, werden daher Sicherheitsabstände in der Magnetisierungskennlinie eingehalten, wodurch der maximal mögliche magnetische Fluß Φ aber nicht genutzt wird. Weiters kann sich bei nicht vollkommen symmetrischer Aussteuerung von Schaltnetzteilen, welche nach dem Prinzip von Gegentaktwandlern arbeiten, sowie bei Schaltnetzteilen, die nach dem Eintaktprinzip arbeiten, ein gewisser Restmagnetismus aufbauen, der als Remanenz bezeichnet wird. Dies kommt einer Nullpunktverschiebung des magnetischen Flusses Φ gleich. Durch diese Unsymmetrie verringert sich auf der Seite der Magnetisierungskurve, auf welcher der Restmagnetismus auftritt, der Abstand zur Kernsättigung, weshalb der Sicherheitsabstand noch größer gewählt wird. Der übliche Arbeitsbereich ist in Fig. la durch die durchgehende Linie gekennzeichnet.
In Fig. lb dagegen ist der Arbeitsbereich eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils dargestellt, der dadurch erreicht wird, daß der magnetische Fluß Φ bzw. die magnetische Feldstärke H gemessen wird und die Eingangsgrößen des Schaltnetzteils in Abhängigkeit des Flusses Φ so geregelt werden, daß keine Kernsättigung und keine Nullpunktsverschiebung eintritt. Die Nullpunktsverschiebung wird beispielsweise in der Weise verhindert, daß der Magnetkern in Gegenrichtung zur Verschiebung länger oder stärker magnetisiert wird. Bei Erkennen der Kernsättigung wird der magnetische Fluß Φ nicht weiter erhöht, d.h. abgeriegelt. Somit kann der gesamte Arbeitsbereich ausgenützt werden, ohne Gefahr zu laufen, daß der Arbeitsbereich in die Sättigung der Magnetisierungskennlinie läuft. Eine trotz der aktiven Regelung auftretende Überlastung kann zu keinen Schäden fuhren, da die Kernsättigung nicht plötzlich eintritt und der Übergang zur Kernsättigung daher „rund" ist und somit die Induktivität nicht sprunghaft absinkt. Es ist daher sogar möglich, den Arbeitsbereich etwas über den Knick der Magnetisierungslinie hinaus in die Sättigung zu erweitern.
Fig. 2 zeigt den Schaltplan eines Schaltnetzteils nach dem Prinzip eines Brücken- Gegentaktwandlers, bei dem die Eingangsspannung Ue bzw. der Eingangsstrom L mit Hilfe von vier Transistoren Tι-T in Brückenschaltung periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Die Ströme Ii und I2 fließen gegenphasig über die Primärwicklung des Transformators und rufen dort eine Primärspannung Ui hervor, welche in eine gewünschte Ausgangsspannung Ua transformiert wird. Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung Ua ist es bekannt, das Tastverhältnis und die Frequenz der Schaltvorgänge der Transistoren zu regeln. Ein Brücken- Gegentaktwandler hat den Vorteil, daß eine geringere Windungszahl am Transformator notwendig ist, und den Nachteil, daß vier Transistoren erforderlich sind. Grundsätzlich ist die gegenständliche Erfindung auch auf andere Arten von Schaltnetzteilen anwendbar.
In den Fig. 3a und 3b sind die Steuerspannungen bzw. Steuerströme der Transistoren in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Die Transistoren Ti und T3 werden gleichzeitig die
Zeitdauer ti durchgeschaltet, worauf ein Strom durch die Primärwicklung des
Transformators fließt. Während der Sperrphase der Transistoren Ti und T3 werden die
Transistoren T2 und T4 gleichzeitig für eine Dauer t2 durchgeschaltet, sodaß ein Strom I2 in
Gegenrichtung zum Strom L durch die Primärwicklung des Transformators fließt. Diese Schaltfolge wird mit der Periodendauer T entsprechend einer Betriebsfrequenz f wiederholt.
Im Normalfall werden die Zeiten tι=t2 gewählt. Die Dauer tj bzw. t2 je Periode T wird entsprechend der am Ausgang gewünschten Leistung eingestellt. Zu Beginn der Diagramme ist die Zeitdauer entsprechend einer 50%igen Leistungsausbeute am Ausgang gewählt, und am
Ende der Diagramme für eine 100%ige Leistungsausbeute. Fig. 3c zeigt die resultierende Spannung U[ an der Primärseite des Transformators. In Fig. 4 ist schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils mit aktiver Regelung der Kernmagnetisierung dargestellt. Nach allfälligen Transformatoren und Gleichrichtern (nicht dargestellt) liegt eine Eingangsspannung Ue vor, welche einer Schaltstufe 1 zugeführt wird. In der Schaltstufe 1, die üblicherweise aus Schalttransistoren aufgebaut ist, wird die Eingangsspannung Ue mit einer relativ hohen Frequenz f periodisch ein- und ausgeschaltet, also gewissermaßen „zerhackt". Die resultierende Rechteckspannung U| wird mit Hilfe eines Transformators 2 übersetzt. Aufgrund der höheren Frequenz f ist gegenüber einem 50 Hz - Transformator ein kleinerer Transformator 2 notwendig. Der Transformator 2 übernimmt auch die häufig geforderte galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite. Ist eine solche galvanische Trennung nicht erforderlich, kann die Übersetzung der Rechteckspannung Uj auch durch eine Drossel geschehen. Anschließend wird die Sekundärspannung U2 in einer nachfolgenden Stufe 3 gleichgerichtet und gesiebt, sodaß eine stabile Ausgangsspannung Ua vorliegt. Erfindungsgemäß ist ein Sensor 4 zur Messung der magnetischen Feldstärke im Transformator 2 vorgesehen. Dieser Sensor 4 kann z.B. als Hall-Sensor ausgeführt sein, der sich den Hall-Effekt zunutze macht. Dabei liefert ein in einem Magnetfeld angeordnetes Halbleiterplättchen, das von einem Strom durchflössen wird, eine zur magnetischen Flußdichte proportionale Spannung. Ebenso kann der Sensor 4 als magnetoresistiver Sensor ausgeführt sein, der einen vom Magnetfeld abhängigen Widerstand zeigt. Der Sensor 4 kann beispielsweise in einen Schlitz im Kernmaterial des Transformators 2 eingeklebt werden, wobei vorteilhafterweise der Klebstoff mit Ferrit- Partikeln vermischt wird. Der Schlitz sollte dabei möglichst klein ausgeführt werden, daß die Homogenität des Magnetfeldes nicht wesentlich gestört wird und die allfälligen Streuverluste klein gehalten werden. Das vom Sensor 4 herrührende Signal wird einer Regeleinheit 5 zugeführt. Die Regeleinheit 5 bereitet das Sensorsignal für die weitere Verarbeitung auf. Die Regeleinheit 5 liefert ein entsprechendes Regelsignal, mit dem die Schaltstufe 1 gesteuert wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Oszillators in der Schaltstufe 1, der die Frequenz f erzeugt, mit der die Eingangsspannung Ue periodisch ein- und ausgeschaltet wird in Abhängigkeit des Regelsignals also in Abhängigkeit des Magnetfeldes im Kern des Transformators 2 geändert werden. Mit Hilfe eines Pulsweitenmodulators kann auch die Einschaltzeit der Eingangsspannung Ue in Abhängigkeit des Regelsignals bzw. des Magnetfelds geändert werden. Üblicherweise wird auch die Ausgangsspannung Ua oder der Ausgangsstrom Ia oder die Sekundärspannung U2 in die Regelschaltung geführt. Diese Rückkopplung könnte aber bei konstanten Lastverhältnissen und Anwendungsfällen, die unabhängig von Netzschwankungen sind, auch entfallen. Zur Verbesserung des Verfahrens kann auch der Primärstrom Ip des Transformators 2 oder der Drossel in die Regelung mit einbezogen werden. Durch diese Maßnahme wird die Kernsättigung schneller und sicherer erkannt, als bei der Erfassung nur des Magnetfelds.
Zur Verdeutlichung zeigen die Fig. 5a-5d schematisch die zeitlichen Verläufe der Primärspannung Uj am Transformator bei verschiedenen Regelfällen für ein Schaltnetzteil mit Gegentaktwandler. Fig. 5a zeigt den Verlauf für symmetrischen Betrieb, d.h. gleichen Restmagnetismus in beide Richtungen. Die Transistoren der Schaltstufe werden entsprechend der geforderten Leistung am Ausgang eine bestimmte Zeit t eingeschaltet. In diesem Fall gilt tι=t . Sollte sich in einer Richtung der Magnetisierungskennlinie ein Restmagnetismus aufbauen, so wird dieser Sachverhalt vom Sensor sofort erkannt und eine entsprechende Regelung durchgeführt. Diesen Fall zeigt Fig. 5b, wo die Einschaltzeit jener Transistoren, welche ein Magnetfeld in Gegenrichtung der Remanenz hervorrufen um einen Betrag Δt erhöht wird und die Einschaltzeit der anderen Transistoren um den Betrag Δt verringert wird. Durch diesen unsymmetrischen Betrieb wird die Remanenz abgebaut und die Nullpunktsverschiebung korrigiert. Dadurch wird verhindert, daß der Arbeitsbereich in die Kernsättigung gelangt. In Fig. 5c ist der Fall dargestellt, bei dem am Ausgang des Schaltnetzteils höhere Leistung gefordert wird. Unter ständiger Kontrolle des aktuellen Magnetfeldes werden die Einschaltzeiten ti und t2 in der Schaltstufe auf einen Wert t' erhöht, um die geforderte Leistung am Ausgang zu erzielen. Das Schaltnetzteil ist dabei so dimensioniert, daß bei maximalem Leistungsbedarf am Ausgang der Arbeitsbereich in der Magnetisierung gerade an die Bereiche der Kernsättigung heranreicht und somit der volle Arbeitsbereich ausgenützt wird. Fig. 5d zeigt schließlich den Fall geringerer Leistungsanforderung, wobei die Einschaltzeiten ti und t2 in der Schaltstufe auf einen entsprechenden Wert t" gesenkt werden. Zusätzlich kann noch eine Regelung der Frequenz f und der Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L erfolgen (nicht dargestellt).
Durch das geringe Volumen und das geringe Gewicht solcher Netzteile ergeben sich auf den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten extreme Vorteile. Man denke an die Beleuchtungstechnik, wo die für Gasentladungs- oder Halogenlampen notwendigen Netzteile nicht mehr, wie bisher in einem zusätzlichen Gehäuse untergebracht werden müssen, sondern aufgrund der geringen Größe in die Gehäuse der Lampen selbst eingebaut werden können. Ebenso kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Netzteile das Volumen und Gewicht von Elektroschweißgeräten so weit reduziert werden, daß die Netzteile sogar in den Handgriff des Schweißgerätes eingebaut oder bequem am Gürtel getragen werden können. Dadurch können kompliziertere Schweißarbeiten wie z.B. auf einem Gerüst od. dgl. viel einfacher und bequemer durchgeführt werden.
Auch in der Verkehrstechnik können die erfindungsgemäßen Netzteile extreme Vorteile hervorrufen, da beispielsweise elektrische Triebfahrzeuge bei gleicher Antriebsleistung viel kleinere und leichtere Umformer benötigen. Den Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu keine Grenzen gesetzt.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Leistungsoptimierung von Schaltnetzteilen, bei denen die Eingangsspannung Ue bzw. der Eingangsstrom L mit einer Schaltfrequenz f periodisch ein- und ausgeschaltet wird und mit einem Transformator oder einer Drossel eine
Ausgangsspannung Ua bzw. ein Ausgangsstrom Ia gewonnen wird, bei dem zumindest ein Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aktuelle Magnetfeld im Transformator oder in der Drossel gemessen wird, und daß zur Regelung des Magnetfeldes zum Zwecke der Verhinderung einer Sättigung des Transformators bzw. der Drossel zumindest ein
Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrom Ip des Transformators oder der Drossel gemessen wird, und daß der Primärstrom Ip des
Transformators oder der Drossel zur Regelung des Magnetfeldes des Transformators oder der Drossel herangezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeiten ti, t2 der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des aktuellen
Magnetfeldes verändert werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz f der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messung einer allfälligen Remanenz des Transformators oder der Drossel durch entsprechende Änderung der Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le eine entsprechende Gegenmagnetisierung im Transformator bzw. der Drossel zur Eliminierung der Remanenz hervorgerufen wird.
7. Schaltnetzteil zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Schaltstufe (1) zum periodischen Ein- und Ausschalten einer Eingangsspannung Ue bzw. eines Eingangsstromes le, und einem Transformator (2) oder einer Drossel zur Gewinnung einer Ausgangsspannung Ua bzw. eines Ausgangsstromes
Ia, wobei die Schaltfrequenz (f) und/oder die Schaltzeiten (ti, t2) und/oder die Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes L veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Transformator (2) oder in der Drossel ein Sensor (4), beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor zur Messung des aktuellen Magnetfeldes vorgesehen ist, und daß der Sensor (4) mit einer Regeleinheit (5) verbunden ist, dessen Ausgang mit der Schaltstufe (1) verbunden ist.
8. Schaltnetzteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (5) mit der Primärseite des Transformators (2) oder der Drossel verbunden ist sodaß der Primärstrom Ip des Transformators (2) oder der Drossel als Eingangsgröße für die Regelung heranziehbar ist.
9. Schaltnetzteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (5) durch einen Mikrokontroller gebildet ist.
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