DE19529941A1 - Spannungskonverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungskonverter zur Konvertierung einer Eingangs­ wechselspannung in eine Gleich-Hochspannung sowie weitere Versorgungs-Gleichspannungen, in welchem die dem Konverter zugeführte Wechselspannung einer Gleichrichteranordnung zugeführt wird, deren Ausgangssignal auf zwei hintereinander geschaltete elektronische Schalter gekoppelt ist, und in welchem diese Gleichspannung in die Gleich-Hochspannung sowie in die Versorgungs-Gleich­ spannungen konvertiert wird.

Derartige Spannungskonverter, die einerseits eine Hochspannung als Gleichspannung liefern und andererseits zusätzlich meist niedrigere Versorgungs-Gleichspannungen liefern, sind grundsätzlich in zwei Bauweisen bekannt.

Bei einer ersten Bauweise gliedern sich derartige Konverter in zwei Teile. In einem ersten Teil werden die im Gerät benötigten Versorgungsspannungen erzeugt. In einem zweiten, nachgeschalteten Teil, wird aus einer der im ersten Teil erzeugten Spannungen die Gleich-Hochspannung umgesetzt. Derartige Spannungsversorgungen haben vor allem den Nachteil, daß sie zwei Transformatoren benötigen.

Bei einer zweiten Bauart bekannter Spannungskonverter werden Hochspannungs­ transformatoren verwendet, die auf dem Flyback-Prinzip basieren. Derartige Transformatoren weisen relativ große Abmessungen auf, so daß sie für viele Einsatzgebiete nicht anwendbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannungskonverter der eingangs genannten Art anzugeben, der kleiner und einfacher im Aufbau als die bekannten Bauarten ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß parallel zu einem der elektronischen Schalter eine Reihenschaltung aus einer Kapazität, einer Induktivität und einer Primärwicklung eines Transformators geschaltet ist, daß einer Sekundärwicklung des Transformators eine ausgangsseitige Kapazität nachgeschaltet ist, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter so steuert, daß über der ausgangsseitigen Kapazität eine Gleichspannung gewünschter Höhe abfällt und daß an dem Transformator zusätzliche sekundärseitige Anzapfungen vorgesehen sind, denen die Versorgungs-Gleichspannungen entnehm­ bar sind.

Der Gleichspannungskonverter weist eine Halbbrücke auf, so daß zu einem der geschalteten elektronischen Schalter eine Reihenschaltung aus einer Kapazität, einer Induktivität und der Primärwicklung des Transformators parallelgeschaltet ist. Der Sekundärwicklung des Transformators ist eine Kapazität parallelgeschaltet. Die primärseitige Kapazität, die primärseitige Induktivität und auf die Primärseite transformierte sekundärseitige Kapazitäten bilden den Serien-Parallel-Schwingkreis. Dabei sind die primärseitigen Elemente Kapazität und Induktivität meist direkt aufgebaut, wohingegen die sekundärseitige Kapazität durch die ausgangsseitige Kapazität oder, wenigstens teilweise, durch die Eingangskapazität einer dieser vorgeschalteten Hochspannungskaskade, die gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein kann, gebildet sein kann. Ebenso kann die Kapazität teilweise auch durch die Sekundärwicklung des Transformators gebildet sein.

Es ist eine Steuerschaltung vorgesehen, welche die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter so steuert, daß die ausgangsseitige Kapazität unabhängig von der Last, die die Schaltung zu versorgen hat, immer auf einen gewünschten Hoch-Gleich­ spannungswert aufgeladen wird.

Die beiden eingangsseitig elektronisch gesteuerten Schalter werden durch ein Rechtecksignal mit hoher Frequenz im Gegentakt angesteuert. Der Serien-Parallel- Schwingkreis treibt einen nahezu sinusförmigen Strom durch die Primärwicklung des Transformators. Sekundärseitig wird wenigstens ein Teil dieses Stromes für das Umladen der sekundärseitigen Kapazität verwendet.

An dem Transformator sind zusätzliche sekundärseitige Anzapfungen vorgesehen, denen die zusätzlichen Versorgungs-Gleichspannungen entnehmbar sind.

Durch diesen Aufbau genügt ein Transformator, um einerseits die Gleich-Hoch­ spannung und andererseits die Versorgungs-Gleichspannungen zu generieren. Der Transformator weist relativ kleine Abmessungen auf, da er, im Gegensatz zu den Anordnungen nach dem Stande der Technik, mit einer hohen Frequenz beidseitig ausgesteuert wird. Gleichzeitig wird mittels dieses Transformators eine meist gewünschte Netztrennung der Gleich-Hochspannung und der Versorgungs-Gleichspannungen von dem Eingangsnetzsignal erreicht.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht darin, daß diese in der Lage ist, im Leerlauf zu arbeiten, also ohne nennenswerte externe Last. Hierzu ist der erfindungsgemäße Konverter mit dem Serien-Parallel-Schwingkreis ohne Ausgangs­ drossel besonders gut geeignet.

Der Spannungskonverter kann mit hohem Wirkungsgrad in einem Bereich von Vollast bis Leerlauf mit stabiler Ausgangsspannung arbeiten.

Wird dem Transformator, wie dies gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, eine Hochspannungskaskade zur Spannungsmultiplikation nach­ geschaltet, so ist es möglich, die Spannungsanforderungen an den Transformator deutlich zu reduzieren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen als zusätzliche Anzapfungen der Sekundärwicklung des Transformators ausgebildet sind. Es ist dann also insgesamt nur eine sekundärseitige Wicklung vorgesehen, der an verschiedenen Anzapfungen einerseits die hohe Gleichspannung, mittels der die sekundärseitig vorgesehene Kapazität aufgeladen wird, wie auch die Versorgungs-Gleichspannungen entnommen werden. Es sind für diese verschiedenen Spannungen jeweils Anzapfungen der einen Sekundärwicklung vorgesehen.

Alternativ hierzu kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehen sein, daß die zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen jeweils einer eigenen Sekundärwicklung des Transformators entnommen werden. In diesem Falle weist der Transformator mehrere sekundärseitige Wicklungen auf, entsprechend der Anzahl der gewünschten Versorgungs-Gleichspannungen plus der Hoch-Gleich­ spannung.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die den zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen entnommenen Versorgungs-Gleich­ spannungen Schaltungsanordnungen zur Spannungsstabilisierung zugeführt werden. Die an sich schon durch die Steuerschaltung geregelte Anordnung liefert schon relativ stabile Versorgungsspannungen. Um diese noch weiter zu stabilisieren, können die dem Transformator sekundärseitig entnommenen Versorgungs-Gleichspannungen weiter stabilisiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Steuerschaltung ein Optokoppler vorgesehen ist, der der Netztrennung dient. Für die Hoch-Gleichspannung und die Versorgungs-Gleichspannungen wird die Netztrennung durch den Transformator erzielt. Da jedoch die Steuerschaltung die Hoch-Gleich­ spannung messen muß und andererseits die elektronischen Schalter, die dem Transformator bzw. dem Serien-Parallel-Schwingkreis vorgeschaltet sind, steuern muß, ist hier eine weitere Netztrennung erforderlich. Diese kann vorteilhaft mittels eines Optokopplers vorgenommen werden.

Für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des durch die primärseitige Kapazität, die primärseitige Induktivität und zur Primärseite transformierte sekundärseitige Kapazitäten gebildeten Schwingkreises betrieben wird.

Durch einen Betrieb oberhalb der Resonanzfrequenz des Serien-Parallel-Schwing­ kreises gibt es keine Einschaltverluste der elektronischen Schalter und der ihnen gegebenenfalls parallelgeschalteten Dioden. Die Ausschaltverluste können gegebenenfalls durch parallel zu den Schaltern angeordnete Kondensatoren weiter reduziert werden. Im Ergebnis verursachen die Schalter praktisch nur rein ohmsche Schalterverluste.

Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften, insbesondere des guten Wirkungs­ grades und der Fähigkeit der Schaltung im gesamten Aussteuerungsbereich zwischen Leerlauf und Vollast immer die gewünschte Hoch-Gleichspannung und zusätzliche Versorgungs-Gleichspannungen zur Verfügung zu stellen, ist diese vorteilhaft für den Einsatz in Bildwiedergabegeräten zur Ansteuerung einer Bildwiedergaberöhre sowie zur Erzeugung weiterer benötigter Versorgungs-Gleichspannungen geeignet.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungs­ konverter, dem eingangsseitig eine Wechselspannung zugeführt wird, die in der Figur mit U ∼ gekennzeichnet ist. Mittels des in der Figur dargestellten Spannungs­ konverters soll diese Wechselspannung einerseits in eine hohe Gleichspannung konvertiert werden, die in der Figur mit V_EHT gekennzeichnet ist. Außerdem soll der Spannungskonverter beispielsweise zwei Versorgungs-Gleichspannungen verschiedener Größe zur Verfügung stellen, die in der Figur mit V₁ und V₂ bezeichnet sind.

Selbstverständlich können auch noch mehr Versorgungs-Gleichspannungen generiert werden.

Der Spannungskonverter weist eingangs eine Gleichrichteranordnung auf, welche aus vier Dioden 1, 2, 3 und 4 in Form einer an sich bekannten Gleichrichterbrücke aufgebaut ist. Der Gleichrichteranordnung ist zur Stabilisierung von deren Ausgangsspannung eine Kapazität 5 nachgeschaltet. Zwischen die Gleichrichter­ brücke und die Kapazität 5 kann ein in der Figur nicht dargestellter sogenannter Preconditioner geschaltet sein, der die Harmonischen Oberwellen des aufgenomme­ nen Netzstromes reduziert. Parallel zu der Kapazität 5 ist die Reihenschaltung zweier elektronischer Schalter 6 bzw. 7 vorgesehen.

Bei den elektronischen Schaltern 6 und 7 kann es sich beispielsweise um MOSFET- Transistoren handeln, die gegebenenfalls mit Antiparalleldioden versehen sein können.

Der Spannungskonverter ist eingangsseitig in Form einer sogenannten Halbbrücke aufgebaut, d. h. parallel zu einem der beiden Schalter 6, 7, in dem Ausführungs­ beispiel gemäß der Figur parallel zu dem Schalter 7, ist eine Serienschaltung aus einer Kapazität 8, einer Induktivität 9 und einer Primärwicklung 10 eines Trans­ formators 11 vorgesehen.

Der Transformator 11 weist ausgangsseitig eine Sekundärwicklung 12 auf, zu der eine Kapazität 13 parallelgeschaltet ist.

Die primärseitig vorgesehene Kapazität 8 und die Induktivität 9 bilden zusammen mit der sekundärseitig vorgesehenen Kapazität 13 den Serien-Parallel-Schwingkreis.

Der Kapazität 13 kann sekundärseitig eine Hochspannungs-Multiplikatorschaltung, die in der Figur mit 14 gekennzeichnet ist und bei der es sich beispielsweise um eine Hochspannungskaskade handeln kann, nachgeschaltet sein. Dieser Hochspannungs- Multiplikatorschaltung 14 ist wiederum eine ausgangsseitige Kapazität 15 nach­ geschaltet. Bei Ausführungsformen, bei denen keine Hochspannungs-Multiplikator­ schaltung vorgesehen ist, kann die Kapazität 13 entfallen.

Die sekundärseitige Wicklung 12 des Transformators 11 weist neben den End­ anzapfungen, denen die Kapazität 13 nachgeschaltet ist, weitere Teilanzapfungen 16 bzw. 17 auf. Diesen Anzapfungen können geringere Spannungen entnommen werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur wird eine erste Versorgungs- Gleichspannung der Anzapfung 17 der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 entnommen und einer in der Figur nicht näher dargestellten Schaltungsanordnung 18 zur Spannungsstabilisierung zugeführt. Diese Schaltungsanordnung 18 liefert ausgangsseitig eine erste Versorgungs-Gleichspannung V₁.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur weist die Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 ferner eine weitere sekundärseitige Anzapfung 16 auf, der eine etwas geringere Spannung als der Anzapfung 17 entnommen werden kann. Diese Anzapfung 16 ist mit einer weiteren Schaltungsanordnung zur Spannungsstabili­ sierung 19 gekoppelt, der ausgangsseitig eine weitere Versorgungs-Gleichspannung V₂ entnehmbar ist.

Der Spannungskonverter weist ferner eine Steuerspannung 20 auf, welche die Spannung über der ausgangsseitigen Kapazität 15 abgreift und die elektronischen Schalter 7 und 8 so steuert, daß die über der Kapazität 15 abfallende Gleich­ spannung immer den gewünschten Wert aufweist. Dies hat in entsprechender Weise auch zur Folge, daß die den Anzapfungen 16 bzw. 17 entnommenen Versorgungs-Gleichspannungen, die in nochmals stabilisierter Form als Versorgungs-Gleich­ spannung V₁ bzw. V₂ zur Verfügung gestellt werden, ebenfalls bezüglich ihrer Spannungshöhe geregelt sind.

Die primärseitig vorgesehene Kapazität 8 und die Induktivität 9 sind meist als diskrete Bauelemente aufgebaut, wohingegen die Kapazität 13 teilweise durch die Kapazität der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 gebildet wird. Die Kapazität 8 und die Induktivität 9 sowie der über den Transformator 11 zur Primärseite transformierte Kapazitätswert der Kapazität 13 bilden einen Serien- Parallel-Schwingkreis, welcher eine Resonanzfrequenz aufweist. Diese Resonanz­ frequenz ändert sich mit der Belastung der Schaltung. Die Schaltung wird vorteilhaft mit einer Arbeitsfrequenz betrieben, welche oberhalb der Resonanzfrequenz des Serien-Parallel-Schwingkreises liegt.

Ist dies der Fall, so bedeutet eine höhere Taktfrequenz der elektronischen Schalter 6, 7, die durch die Steuerschaltung 20 in entsprechender Weise angesteuert werden, eine geringere und eine sich der Resonanzfrequenz nähernde, niedrigere Schalt­ frequenz der elektronischen Schalter 7 und 8 eine höhere Ausgangsspannung. Diese Eigenschaft kann dazu benutzt werden, den über der Kapazität 15 abfallenden Spannungswert auf einem gewünschten Wert zu halten. Dies ist Aufgabe der Steuerschaltung 20, welche den über der Kapazität 15 abfallenden Spannungswert abtastet und die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter 6 und 7 so steuert, daß der gewünschte Spannungswert jederzeit erhalten bleibt.

Für die oben beschriebene Konstellation, bei der die Schaltfrequenz der elektro­ nischen Schalter 6 bzw. 7 über der Resonanzfrequenz des Serien-Parallel-Schwing­ kreises liegt, bedeutet dies, daß bei einem zu geringen Spannungswert über der Kapazität 15 die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter 6 und 7 abgesenkt wird. Im umgekehrten Falle wird diese Schaltfrequenz heraufgesetzt. Damit ist es möglich, die Schaltung sowohl unter voller Last wie auch im Leerlauf zu betreiben, wobei die Ausgangsspannung jederzeit konstant bleibt.

Dies macht die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere zur Ansteuerung einer Bildwiedergaberöhre geeignet, bei der unabhängig von der Last, also vom Bildinhalt, jederzeit eine konstante Gleichspannung zur Verfügung gestellt werden kann.

Ferner liefert die Schaltungsanordnung weitere, in dem gleichen Gerät gegebenen­ falls benötigte Versorgungs-Gleichspannungen V₁ bzw. V₂.

Die Schaltung weist einen relativ einfachen Aufbau mit nur einem Transformator auf, der gleichzeitig die Netztrennung für die benötigten Spannungen gewährleistet.

Der Transformator wird bezüglich seines magnetischen Materials zu beiden Polaritäten hin voll ausgesteuert, so daß er relativ klein ausgelegt sein kann.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ist eine Hochspannungs-Multiplikator­ schaltung 14 vorgesehen. In diesem Falle bildet die Kapazität 13, die der Multiplikatorschaltung 14 vorgeschaltet ist, transformiert auf die Primärseite, ein Element des Serien-Parallel-Schwingkreises. Die von der Schaltungsanordnung ausgangsseitig zur Verfügung gestellte Spannung fällt über der der Multiplikator­ schaltung 14 nachgeschalteten Kapazität 15 ab. Weist die Schaltungsanordnung keine Multiplikatorschaltung 14 auf, so kann nur eine Kapazität vorgesehen sein, die, transformiert auf die Primärseite, Element des Serien-Parallel-Schwingkreises ist und die gleichzeitig diejenige Ausgangskapazität darstellt, über der die gewünschte Hoch-Gleichspannung abfällt.

Claims (9)

1. Spannungskonverter zur Konvertierung einer Eingangswechselspannung in eine Gleich-Hochspannung sowie weitere Versorgungs-Gleichspannungen, in welchem die dem Konverter zugeführte Wechselspannung einer Gleichrichteranordnung (1 ,2, 3, 4) zugeführt wird, deren Ausgangssignal auf zwei hintereinander geschaltete elektro­ nische Schalter (6, 7) gekoppelt ist, und in welchem diese Gleichspannung in die Gleich-Hochspannung sowie in die Versorgungs-Gleichspannungen konvertiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem der elektronischen Schalter (6, 7) eine Reihenschaltung aus einer Kapazität (8), einer Induktivität (9) und einer Primärwicklung (10) eines Transformators (11) geschaltet ist, daß einer Sekundärwicklung (12) des Trans­ formators (11) eine ausgangsseitige Kapazität (15) nachgeschaltet ist, daß eine Steuerschaltung (20) vorgesehen ist, die die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter (6, 7) so steuert, daß über der ausgangsseitigen Kapazität (15) eine Gleichspannung gewünschter Höhe abfällt und daß an dem Transformator (11) zusätzliche sekundärseitige Anzapfungen (16, 17) vorgesehen sind, denen die Versorgungs-Gleichspannungen entnehmbar sind.

2. Spannungskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitigen Kapazität (15) eine Hochspannungs-Multiplikatorschaltung (14) vorgeschaltet ist.

3. Spannungskonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen (16, 17) als zusätzliche Anzapfungen der Sekundärwicklung (12) des Transformators (11) ausgebildet sind.

4. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen (16, 17) jeweils mit einer eigenen, getrennten Sekundärwicklung des Transformators (11) verbunden sind.

5. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den zusätzlichen sekundärseitigen Anzapfungen (16, 17) entnommenen Versorgungs-Gleichspannungen Schaltungsanordnungen (18, 19) zur Spannungs­ stabilisierung zugeführt werden.

6. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung (20) ein Optokoppler vorgesehen ist, der der Netz­ trennung dient.

7. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichteranordnung eine Schaltungsanordnung nachgeschaltet ist, welche die Harmonischen Oberwellen der Wechselspannung reduziert.

8. Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des durch die primärseitige Kapazität (8), die primärseitige Induktivität (9) und zur Primärseite transformierte sekundärseitige Kapazitäten (13; 15) gebildeten Schwingkreises betrieben wird.

9. Verwendung des Spannungskonverters nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Bildwiedergabegerät zur Ansteuerung einer Bildwiedergaberöhre sowie zur Erzeugung weiterer Versorgungs-Gleichspannungen.