DE102004033377A1

DE102004033377A1 - Schaltungsanordnung mit einer schalterentlasteten Vollbrücke zum Betrieb von Lampen

Info

Publication number: DE102004033377A1
Application number: DE102004033377A
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. Franck; Wolfram Dr. Sowa
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US7394207B2; DE502005003947D1; CA2511706A1; EP1615476B1; ATE394908T1; EP1615476A3; EP1615476A2; US20060006819A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen. Im wesentlichen besteht die Schaltungsanordnung aus einer Vollbrücke. Erfindungsgemäß ist zur Schalterentlastung mindestens eine Drossel in Serie zu einem Vollbrückenast geschaltet. Die Schaltungsanordnung ist bevorzugt zum Betrieb mit einer Ladungspumpe geeignet. In einer einstufigen Anordnung wird damit eine PFC erreicht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Lampen. Der Begriff Lampe umfasst in der vorliegenden Patentanmeldung Vorrichtungen, die geeignet sind, um aus elektrischer Energie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 50 Nanometern und 50000 Nanometern zu erzeugen. Beispielsweise handelt es sich dabei um Glühlampen, Gasentladungslampen oder Leuchtdioden.
Bei der Schaltungsanordnung handelt es sich insbesondere um eine Vollbrücke, deren Schalter schaltentlastet sind. Weiterhin ist die Schaltungsanordnung auch geeignet Netzstrom-Oberschwingungen gering zu halten.

In der Schrift US 4 864 479 (Steigerwald) ist ein DC-DC Wandler beschrieben, der als Vollbrücke aufgebaut ist. Parasitäre Kapazitäten und Dioden der Schalter der Vollbrücke bewerkstelligen ein Entlasten der Schalter. Die Schalter schalten erst dann ein, wenn die Spannung, die an den Schaltern anliegt null ist. Dies wird in der Literatur mit "Zero Voltage Switching" (ZVS) bezeichnet. Das beschriebene Funktionsprinzip baut auf einem Resonanzvorgang zwischen den parasitären Kapazitäten und dem induktiven Anteil eines Lastwiderstands auf. Damit ist die Entlastung der Schalter nur in einem eingeschränkten Bereich der Betriebsfrequenz realisierbar. Da Lampen häufig in einem durch die Lampentechnik gegebenen Frequenzbereich be trieben werden müssen und zudem der induktive Anteil des Lastwiderstands durch Drosseln zur Strombegrenzung vorgegeben ist, ist eine Schalterentlastung bei Vollbrücken aus dem Stand der Technik bei Lampenbetrieb nur selten möglich.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung mit einer Vollbrücke zum Betrieb von Lampen bereit zu stellen, die eine Schalterentlastung bei einer wählbaren Betriebsfrequenz bewerkstelligt. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit einer Vollbrücke gelöst, die aus einem ersten und einem zweiten Vollbrückenast aufgebaut ist, wobei zwischen die Vollbrückenäste eine erste Drossel geschaltet ist und in Serie zu einem der Vollbrückenäste eine zweite Drossel geschaltet ist. Als Betriebsfrequenz wird in der vorliegenden Patentanmeldung die Frequenz eines Takts verstanden mit dem die Schalter eines Vollbrückenasts öffnen und schließen.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung schwingen die Potenziale der Vollbrückenäste so gegeneinander, dass sich ZVS einstellt. Dies bei einer Betriebsfrequenz, die durch die erste und die zweite Drossel eingestellt werden kann und nicht vom induktiven Anteil des Lastwiderstands abhängt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass eine Ladungspumpe zugefügt wird, die eine Reduzierung der Netzstrom Oberschwingung bewirkt.

Weiterhin kann durch eine Phasenverschiebung der Ansteuerung der beiden Vollbrückenäste wie sie in US 4 864 479 (Steigerwald) beschrieben ist auch auf eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angewendet werden. Damit kann mit Hilfe der Phasenverschiebung ein gewünschter Lampenstrom eingestellt werden.

Somit ermöglicht die Erfindung eine einstufige Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Lampe mit geringem Schaltungsaufwand, bei der über die o.g. Phasenverschiebung der Lampenstrom und über die Betriebsfrequenz die Energiebilanz der Ladungspumpe einstellbar ist, wobei alle enthaltenen Schalter schaltentlastet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, mit einer Ladungspumpe zur Reduzierung der Netzstrom-Oberschwingungen,
3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, mit einer alternativen Variante einer Ladungspumpe zur Reduzierung der Netzstrom-Oberschwingungen,
4 ein Ausführungsbeispiel gemäß 2, mit einem zusätzlichen Kondensator zur Schalterentlastung,
5 ein Ausführungsbeispiel gemäß 3, mit zusätzlichen Kondensatoren zur Schalterentlastung.
Im folgenden werden Schalter durch den Buchstaben S, Dioden durch den Buchstaben D, Kondensatoren durch den Buchstaben C, Knoten durch den Buchstaben N und Drosseln durch den Buchstaben L jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet. Auch werden im folgenden für gleiche und gleichwirkende Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele durchweg gleiche Bezugszeichen verwendet.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Im folgenden ist die Topologie dieser Schaltungsanordnung beschrieben.
Ein erster Vollbrückenast umfasst die Serienschaltung eines ersten und eines dritten elektronischen Schalters S1, S3, die in einem ersten Mittelpunkt N1 verbunden sind.
Ein zweiter Vollbrückenast umfasst die Serienschaltung eines zweiten und eines vierten elektronischen Schalters S2, S4, die in einem zweiten Mittelpunkt N2 verbunden sind.
Der erste und der zweite Vollbrückenast sind jeweils mit einem Anschluss mit einem positiven Knoten N3 und mit dem anderen Anschluss mit einem negativen Knoten N4 verbunden. Nicht dargestellt ist eine Energiequelle, die zwischen dem positiven Knoten N3 und dem negativen Knoten N4 eine Gleichspannung einspeist. Zwischen den positiven Knoten N3 und den negativen Knoten N4 ist ein Speicher-Kondensator C6 geschaltet.
Der erste und der zweite Mittelpunkt N1, N2 sind über eine erste Drossel L1 verbunden. Erfindungsgemäß ist im zweiten Vollbrückenast in Serie zum zweiten und vierten elektronischen Schalter S2, S4 mindestens eine zweite Drossel L2 geschaltet ist.
Im Ausführungsbeispiel ist die zweite Drossel L2 zwischen den dritten Knoten N3 und den zweiten elektronischen Schalter S2 geschaltet. Eine vierte Drossel L4 ist zwischen den vierten Knoten N4 und den vierten elektronischen Schalter S4 geschaltet. Im Ausführungsbeispiel sind die zweite und die vierte Drossel L2, L4 magnetisch gekoppelt. Durch diese Kopplung werden die Ströme in den Schaltern symmetrisiert, was zu reduzierten Funkstörungen führt.
Parallel zur Serienschaltung des zweiten und vierten elektronischen Schalters S2, S4 ist die Serienschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators C1, C2 geschaltet, die an einem fünften Knoten N5 verbunden sind. Die Werte von C1 und C2 sind so gewählt, dass die Spannung an C1 und C2 während einer Periode der Betriebsfrequenz als konstant angenommen werden kann. An N5 wird damit ein Anschluss für einen Lastkreis geschaffen.
Im Ausführungsbeispiel ist der Lastkreis zwischen den fünften Knoten N5 und den ersten Mittelpunkt N1 geschaltet. An den Lastkreis sind Lampen Lp ankoppelbar.
Im Ausführungsbeispiel besteht der Lastkreis aus einem Tiefpass bestehend aus der Serienschaltung einer dritten Drossel L3 und eines dritten Kondensators C3. Eine Lampe Lp ist parallel zum dritten Kondensator C3 geschaltet. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses liegt bevorzugt unterhalb der Betriebsfrequenz der Vollbrücke. Damit wird ein sinusförmiger Lampenstrom erreicht.
Zur Symmetrisierung der Schaltungsanordnung ist im Ausführungsbeispiel zwischen den zweiten und den dritten Knoten N2, N3 die Parallelschaltung eines vierten Kondensators C4 und einer ersten Diode D1 geschaltet und zwischen den zweiten und den vierten Knoten N2, N4 die Parallelschaltung eines fünften Kondensators C5 und einer zweiten Diode D2 geschaltet.
Parallel zu jedem elektronischen Schalter S1, S2, S3, S4 ist jeweils eine Diode und ein Kondensator geschaltet. Dabei handelt es sich um parasitäre Elemente, die ein elektronischer Schalter in seiner praktischen Ausführung mit sich bringt. Die Dioden sind bei Bipolartransistoren und IGBTs nicht prinzipbedingt vorhanden, werden aber häufig als Freilaufdioden in den Schaltern integriert. Verbreitet ist der Einsatz von MOSFETs als elektronische Schalter, bei denen immer eine sog. Bodydiode prinzipbedingt eingebaut ist. Erfindungsgemäß bilden die parasitären Kondensatoren der elektronischen Schalter zusammen mit den Drosseln L1, L2 und L4 einen Resonanzkreis, der eine Schalterentlastung bewirkt.
In jedem Vollbrückenast werden die elektronischen Schalter S1, S3 bzw. S2, S4 abwechselnd mit einem Takt geöffnet und geschlossen, wobei die Frequenz des Takts in jedem Vollbrückenast gleich ist. Ansteuervorrichtungen, die das Öffnen und Schließen der elektronischen Schalter S1, S3, S2, S4 bewirken sind in 1 nicht dargestellt. Durch eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Takt ist der Strom durch die Lampe einstellbar.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zur Reduzierung der Netzstrom-Oberschwingungen dargestellt. In 2 ist im Vergleich zu 1 zusätzlich zwischen dem zweiten Knoten N2 und einem sechsten Knoten N6 ein Pump-Kondensator C7 geschaltet ist und zwischen dem sechsten Knoten N6 und dem dritten Knoten N3 eine Pump-Diode D7 geschaltet. Die Energie wird nun nicht mehr wie im vorigen Ausführungs beispiel in den positiven Knoten N3 und den negativen Knoten N4 eingespeist, sondern in den sechsten Knoten N6 und den negativen Knoten N4. Die Energie stammt von einer Netzspannungsquelle UN, die an Netzspannungs-Anschlüssen J1, J2 angeschlossen ist. J1 und J2 ist mit dem Wechselspannungs-Eingang eines Brückengleichrichters bestehend aus den Dioden D3, D4, D5, D6 verbunden. Der positive Ausgang des Brückengleichrichters ist mit dem sechsten Knoten N6 verbunden. Der negative Ausgang des Brückengleichrichters ist mit dem vierten Knoten N4 verbunden. Die Dioden D3 und D4 sind ausgefüllt gezeichnet, während D5 und D6 nicht ausgefüllt sind. Damit wird angedeutet, dass D3 und D4 langsame Dioden sein können, die mit der Netzfrequenz schalten, während D5 und D6 schnelle Dioden sein müssen, die mit der Betriebsfrequenz der Vollbrücke arbeiten.
Parallel zu D3 und D4 ist jeweils ein Kondensator C8, C9 geschaltet, der zu Entstörzwecken dient. D1, D2 und C4, C5 sind gestrichelt gezeichnet, da sie entfallen können.
Mit der beschriebenen Topologie wird eine Ladungspumpe zur Reduzierung von Netzstrom-Oberschwingungen realisiert, wie sie aus der Literatur z. B. aus US 6 259 213 (Rudolph) bekannt ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus 1 kann mit sehr geringem Schaltungsaufwand mit einer Ladungspumpe ausgestattet werden. Mit Hilfe der Betriebsfrequenz kann die Energiebilanz der Ladungspumpe eingestellt werden.
In 3 ist eine Ladungspumpe in einer erfindungsgemäßen Schaltung realisiert, wie sie in der Schrift US 6 208 085 (Lehnert) beschrieben ist. Eine Netzspannungsquelle UN ist wieder mit Netzspannungsanschlüssen J1, J2 verbunden.
Mit den Netzspannungsanschlüssen J1, J2 ist der Wechselspannungseingang eines Vollbrücken-Gleichrichters D8, D9, D10, D11 verbunden. Der positive Ausgang des Vollbrücken-Gleichrichters D8, D9, D10, D11 ist mit dem positiven Knoten N3 und der negative Ausgang des Vollbrücken-Gleichrichters D8, D9, D10, D11 ist mit dem negativen Knoten N4 verbunden.
Mindestens ein Netzspannungsanschluss J1, J2 ist über einen Kondensator C8, C9 mit dem zweiten Knoten N2 verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind beide Kondensatoren ausgeführt. Dies ist bei Lampen mir großer Leistung erforderlich, um genügend Pumpenergie zur Verfügung zu stellen. Die Kondensatoren C4 und C5 sind gestrichelt gezeichnet, um anzudeuten, dass auch nur diese entfallen können, während D1 und D2 bestückt sind.
4 unterscheidet sich bezüglich 2 durch die Parallelschaltung eines Kondensators C10 zur Pumpdiode D7. Damit verbessert sich die Schalterentlastung der elektronischen Schalter S1, S2, S3 und S4 noch weiter.
5 unterscheidet sich bezüglich 3 dadurch, dass zwischen den ersten Netzspannungsanschluss J1 und den dritten Knoten N3 ein elfter Kondensator C11 geschaltet ist und/oder dass zwischen den zweiten Netzspannungsanschluss J2 und den vierten Knoten N4 ein zwölfter Kondensator C12 geschaltet ist. Damit verbessert sich die Schalterentlastung der elektronischen Schalter S1, S2, S3 und S4 noch weiter. In Ausführungsbeispiel in 5 ist C11 und C12 bestückt. Dies ist erforderlich, falls eine Symmetrisierung der Schaltungsanordnung gewünscht ist.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen mit folgenden Merkmalen: • ein erster Vollbrückenast, der die Serienschaltung eines ersten und eines dritten elektronischen Schalters (S1, S3) umfasst, die in einem ersten Mittelpunkt (N1) verbunden sind, • ein zweiter Vollbrückenast, der die Serienschaltung eines zweiten und eines vierten elektronischen Schalters (S2, S4) umfasst, die in einem zweiten Mittelpunkt (N2) verbunden sind, • der erste und der zweite Vollbrückenast sind jeweils mit einem Anschluss mit einem positiven Knoten (N3) und mit dem anderen Anschluss mit einem negativen Knoten (N4) verbunden, • zwischen den positiven Knoten (N3) und den negativen Knoten (N4) ist ein Speicher-Kondensator (C6) geschaltet, • der erste und der zweite Mittelpunkt (N1, N2) sind über eine erste Drossel (L1) verbunden, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Vollbrückenast in Serie zum zweiten und vierten elektronischen Schalter (S2, S4) mindestens eine zweite Drossel (L2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • parallel zur Serienschaltung des zweiten und vierten elektronischen Schalters (S2, S4) ist die Serienschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators (C1, C2) geschaltet, die an einem fünften Knoten (N5) verbunden sind, • zwischen den fünften Knoten (N5) und den ersten Mittelpunkt (N1) ist ein Lastkreis geschaltet, an den Lampen (Lp) ankoppelbar sind.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastkreis einen Tiefpass (L3, C3) enthält, über den Lampen (Lp) ankoppelbar sind.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass (L3, C3) eine Serienschaltung einer dritten Drossel (L3) mit einem dritten Kondensator (C3) umfasst.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drossel (L2) zwischen den dritten Knoten (N3) und den zweiten elektronischen Schalter (S2) geschaltet ist und dass eine vierte Drossel (L4) zwischen den vierten Knoten (N4) und den vierten elektronischen Schalter (S4) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die vierte Drossel (L2, L4) magnetisch gekoppelt sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zweiten und den dritten Knoten (N2, N3) die Parallelschaltung eines vierten Kondensators (C4) und einer ersten Diode (D1) geschaltet ist und dass zwischen den zweiten und den vierten Knoten (N2, N4) die Parallelschaltung eines fünften Kondensators (C5) und einer zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Knoten (N2) und einem sechsten Knoten (N6) ein Pump-Kondensator (C7) geschaltet ist und zwischen dem sechsten Knoten (N6) und dem dritten Knoten (N3) eine Pump-Diode (D7) geschaltet ist, wobei zwischen dem sechsten Knoten (N6) und dem vierten Knoten (N4) eine gleichgerichtete Netzspannung (UN) einspeisbar ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Vollbrücken-Gleichrichter (D3, D4, D5, D6) aufweist, dessen positiver Ausgang mit dem sechsten Knoten (N6) und dessen negativer Ausgang mit dem vierten Knoten (N4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem sechsten Knoten (N6) und dem dritten Knoten (N3) ein zehnter Kondensator (C10) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • ein erster und ein zweiter Netzspannungsanschluss (J1, J2), • ein Vollbrücken-Gleichrichter (D8, D9, D10, D11) dessen Wechselspannungseingänge mit den Netzspannungsanschlüssen (J1, J2) verbunden sind, dessen positiver Ausgang mit dem dritten Knoten (N3) und dessen negativer Ausgang mit dem vierten Knoten (N4) verbunden ist, • mindestens ein Netzspannungsanschluss (J1, J2) ist über einen Kondensator (C8, C9) mit dem zweiten Knoten (N2) verbunden.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Netzspannungsanschluss (J1) und den dritten Knoten (N3) ein elfter Kondensator (C11) geschaltet ist und/oder dass zwischen den zweiten Netzspannungsanschluss (J2) und den vierten Knoten (N4) ein zwölfter Kondensator (C12) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • der erste und der dritte elektronische Schalter (S1, S3) öffnen und schließen abwechselnd mit einem ersten Takt, • der zweite und der vierte elektronische Schalter (S2, S4) öffnen und schließen abwechselnd mit einem zweiten Takt, • der erste und der zweite Takt weisen die gleiche Frequenz auf, • eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Takt ist einstellbar.