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DE102004045718A1 - Isolierter DC-DC-Wandler - Google Patents

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DE102004045718A1
DE102004045718A1 DE102004045718A DE102004045718A DE102004045718A1 DE 102004045718 A1 DE102004045718 A1 DE 102004045718A1 DE 102004045718 A DE102004045718 A DE 102004045718A DE 102004045718 A DE102004045718 A DE 102004045718A DE 102004045718 A1 DE102004045718 A1 DE 102004045718A1
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DE
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voltage
converter
isolated
aci
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Withdrawn
Application number
DE102004045718A
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English (en)
Inventor
Virgil George Loveland Leenerts
David Paul Longmont Kjosness
Gerald Irwin Loveland Raak
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.)
Agilent Technologies Inc
Original Assignee
Agilent Technologies Inc
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.)
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Publication date
Application filed by Agilent Technologies Inc filed Critical Agilent Technologies Inc
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Abstract

Ein isolierter Gleichstrom-Gleichstom-(DC-DC-)Wandler und ein zugeordnetes Verfahren werden geliefert, die einen D-Klasse-Verstärker verwenden. Eine Wechselstrom-(AC-)Eingangsspannung und eine DC-Eingangsspannung treiben den D-Klasse-Verstärker, um eine AC-Primärspannung zu erzeugen. Die AC-Primärspannung treibt dann eine Primärwicklung eines Transformators, wodurch eine AC-Senkundärspannung an einer Sekundärwicklung des Transformators erzeugt wird. Die AC-Sekundärspannung treibt dann einen Gleichrichter, was eine gleichgerichtete Spannung liefert. Ein Tiefpassfilter nimmt dann die gleichgerichtete Spannung an, um eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.

Description

  • Die meisten Typen von unterhaltender und gewerblicher elektronischer Ausrüstung, die heute hergestellt werden, benötigen elektrische Leistung, die über Wechselstrom-(AC) Netzleitungen geliefert wird, die normalerweise auf Erde bezogen sind. Eine derartige Ausrüstung verwendet normalerweise Leistungsversorgungen, die die Spannungen der AC-Netzleitungen zu einem bestimmten Pegel von Gleichstrom-(DC-)Spannung umwandeln, um eine Leistung einer nützlicheren Form an die internen Schaltungen der Ausrüstung zu liefern. Viele dieser Ausrüstungen benötigen jedoch eine galvanische (d. h. DC-) Isolation zwischen Abschnitten ihrer systemeigenen Schaltungsanordnung und Erde für ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb und Benutzersicherheit. Folglich liefern die Leistungsversorgungen, die durch elektronische Ausrüstung verwendet werden, im Allgemeinen diese Isolation.
  • Eine derartige isolierte Leistungsversorgung besitzt idealerweise eine Anzahl von Charakteristika. Die Versorgung sollte einen großen Bereich von AC-Netzleitungsspannungen annehmen, während dieselbe eine stabile, konstante DC-Spannung erzeugt. Diese Funktion wird hoffentlich im Wesentlichen ohne Leistungsverlust durchgeführt und ohne ein Erzeugen irgendwelcher unerwünschten Nebenwirkungen, die sich nachteilig auf die Leistung der zugeordneten Ausrüstung auswirken.
  • Eine derartige Nebenwirkung, die gewöhnlich durch Leistungsversorgungen erzeugt wird, ist injizierter Strom, bei dem es sich um Gleichtakt-AC-Strom handelt, der in den DC-Ausgängen einer Leistungsversorgung aufgrund eines Koppelns zwischen den isolierten und den nicht isolierten Abschnitten der Versorgung bewirkt wird. Normalerweise liefert eine Wicklungskapazität bei einem Leistungstransformator innerhalb der Leistungsversorgung die Hauptquelle eines derartigen Koppelns. Folglich hängt der erzeugte injizierte Strom zu einem gewissen Grad von der Höhe der Wicklungskapazität ab, ebenso wie von der Höhe, der Primärfrequenz und dem Oberwellengehalt der Treibspannung, die an den Anschlüssen der Primärwicklung des Transformators angelegt ist.
  • Zum Beispiel weist eine herkömmliche isolierte Leistungsversorgung 100, wie es in 1 gezeigt ist, normalerweise einen gewissen Pegel injizierten Stromes auf. Eine AC-Leitungsspannung VACL, normalerweise mit einer Amplitude zwischen 90 und 264 Volt Effektivwert (RMS), treibt die Primärwicklungen eines Leistungsisolationstransformators 110, wodurch eine geringere AC-Spannung VACT in den Transformatorsekundärwicklungen bewirkt wird. Diese Spannung treibt dann einen Gleichrichter 120, der die geringere AC-Spannung VACT in eine halbwellen- oder vollwellengleichgerichtete Spannung VACR umwandelt. Ein Tiefpassfilter 130 wandelt dann die gleichgerichtete Spannung VACR in eine DC-Spannung VDCR um, die eine geringe AC-„Welligkeit" aufweist. In einigen Fällen wird dann ein Spannungsregler 140 verwendet, um eine DC-Ausgangsspannung VDCO mit einer verringerten AC-Welligkeit zu erzeugen, während ebenfalls eine DC-Spannungspegelstabilität gegenüber Amplitudenänderungen bei der AC-Leitungsspannung VACL geliefert wird.
  • Normalerweise erzeugt die ziemlich hohe Amplitude der AC-Leitungsspannung VACL mittels der bereits erwähnten Wicklungskapazität des Leistungstransformators 110 einen hohen Pegel injizierten Stromes. Um den Pegel des injizierten Stromes zu mäßigen, werden spezielle Wicklungstechniken und elektrostatische Abschirmung verwendet, um die Kapazität zu reduzieren, was jedoch einen kostspieligeren Transformator erfordert.
  • Zusätzlich weist die herkömmliche Leistungsversorgung 100 normalerweise einen niedrigen Leistungswirkungsgrad auf. Diese Charakteristik wird durch ein relativ geringes Transformator-Primär-Sekundär-Wicklungsverhältnis verursacht, um sicherzustellen, dass die geringere AC-Spannung VACT eine ausreichende Höhe aufweist, wenn sich die AC-Leitungsspannung VACL bei einem Minimum befindet. Deshalb ist die geringere AC-Spannung VACT, wenn die AC-Leitungsspannung VACL höher ist als ihr Minimum, höher als notwendig, um die erforderliche DC-Ausgangsspannung VDCO zu liefern, woraus sich eine höhere Leistungsdissipation ergibt, woraus sich bisweilen ein Leistungswirkungsgrad von nur 50% oder weniger ergibt.
  • Außerdem verwendet der Transformator 110, um die gleiche DC-Spannung für einen großen Bereich von AC-Leitungsspannungen VACT zu erzeugen, oft mehrere Wicklungen und Abgriffe, um es zu ermöglichen, dass unterschiedliche AC-Leitungsspannungen VACT die gleiche DC-Ausgangsspannung VDCO erzeugen. Der Abgriff, der unter bestimmten Umständen zu verwenden ist, wird mittels eines benutzereinstellbaren Schalters ausgewählt. Obwohl ein derartiger Entwurf Flexibilität bezüglich der verschiedenen AC-Leistungsleitungsspannungen verleiht, mit denen die zugeordnete Ausrüstung verwendet werden kann, ergeben sich gesteigerte Hardwarekosten und eine mögliche Ausrüstungsschädigung aufgrund einer falschen Schaltereinstellung.
  • Um dieses Wirkungsgradproblem anzugehen, kann ein Schaltmodus-DC-DC-Wandler 200, wie in 2 gezeigt, als Teil einer größeren Leistungsversorgung verwendet werden. Zunächst wird eine AC-Leistungsleitungsspannung (nicht gezeigt) mittels Gleichrichtern und Filterkondensatoren (ebenfalls nicht gezeigt), normalerweise mittels eines Leitungsspannungswählschalters, zu einer relativ hohen DC-Eingangsspannung VDCI umgewandelt. Die DC-Eingangsspannung VDCI wird dann rasch über eine elektronische Schaltschaltung 210 (die normalerweise einen Satz von Transistoren auf weist) intermittierend AN und AUS geschaltet, woraus sich eine geschaltete DC-Spannung VDCS ergibt. Die geschaltete Spannung VDCS, die zwischen der Höhe der DC-Eingangsspannung VDCS und Null Volt (oder dem „offenen" Zustand) wechselt, wird dann an die Primärwicklung eines Isolationstransformators 230 angelegt, um ein transformiertes geschaltetes DC-Signal VDCT an der Sekundärwicklung zu erzeugen. Diese Spannung wird dann durch einen Gleichrichter 240 gleichgerichtet, um eine gleichgerichtete Spannung VR zu erzeugen, die dann zu einem Tiefpassfilter 250 geleitet werden kann, um jegliche AC-Komponenten dieser Spannung VR zu reduzieren, woraus sich eine DC-Endausgangsspannung VDCO ergibt.
  • Die Höhe der DC-Ausgangsspannung VDCO wird hauptsächlich durch den Betrieb der elektronischen Schaltschaltung 210 beeinflusst, der durch eine Steuerschaltung 220 gehandhabt wird. Genauer gesagt, je höher der Arbeitszyklus der Schalter (d. h. je länger dieselben sich in dem geschlossenen oder AN-Zustand befinden), desto höher die DC-Ausgangsspannung VDCO. Somit überwacht die Steuerschaltung 220 die DC-Ausgangsspannung VDCO, um den Arbeitszyklus richtig einzustellen, oft durch eine Isolationsschaltung 260, um eine galvanische Isolation zwischen der AC-Eingangsleistungsleitung und dem Ausgang des DC-DC-Wandlers 200 aufrechtzuerhalten.
  • Viele derartige Wandler 200, die heute verfügbar sind, können einen großen Bereich von DC-Leistungsleitungsspannungen ohne die Notwendigkeit mehrerer Abgriffe oder eines Schalter tolerieren. Leistungsversorgungen, die einen derartigen Wandler 200 verwenden, werden als „Universaleingangs-" Leistungsversorgungen bezeichnet.
  • Ein weiterer Vorteil eines derartigen Entwurfs besteht darin, dass sich aus der Verwendung einer elektronischen Schaltschaltung 210 ergibt, dass die betreffenden Transistoren sehr rasch entweder in den AN-(gesättigten) oder AUS-(nicht leitenden) Zustand übergehen, woraus sich ein sehr geringer Leistungsverlust ergibt, was den DC-DC-Wandler 200 ziemlich effizient macht. Aus diesem Entwurf ergibt sich jedoch auch im Wesentlichen eine Rechteckwelle für die geschaltete DC-Spannung VDCS, die direkt an den Transformator angelegt ist. Ein derartiges Signal besitzt einen starken Oberwellengehalt bei hohen Frequenzen, und somit wird eine erhebliche Menge injizierten Stromes in den nicht isolierten Abschnitt des Wandlers 200 erzeugt.
  • Auch treibt, um die Verwendung eines kleineren Transformators und anderer Komponenten zu ermöglichen, die Steuerschaltung 220 die Schalter normalerweise bei einer viel höheren Frequenz (z. B. 20 Kilohertz (kHz) bis zu einigen Megahertz (MHz)) als derjenigen einer AC-Leistungsleitung. Leider koppeln derartige hohe Frequenzen leicht durch die Wicklungskapazität des Transformators 230, weshalb der erzeugte injizierte Strom verstärkt wird. Zusätzlich wird dieses Phänomen noch dadurch verschlimmert, dass die Höhe der geschalteten DC-Spannung VDCS relativ hoch ist.
  • Folglich besteht angesichts der vorhergehenden Erörterung derzeit ein Bedarf an einem isolierten DC-DC-Wandler, der eine verbesserte Verringerung injizierten Stromes aufweist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, eine Leistungsversorgung, eine elektronische Vorrichtung, eine elektronische Schaltung zum Umwandeln einer ersten DC-Spannung zu einer zweiten DC-Spannung und ein Verfahren zum Umwandeln einer ersten DC-Spannung in eine zweite DC-Spannung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Wandler gemäß Anspruch 1, eine Leistungsversorgung gemäß Anspruch 16 oder 20, eine elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 21, eine elektronische Schaltung gemäß Anspruch 18 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 22 gelöst.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden im Detail erörtert werden sollen, liefern einen verbesserten isolierten DC-DC-Wandler und ein zugeordnetes Verfahren, die einen D-Klasse-Verstärker verwenden. Eine AC-Eingangsspannung treibt zusammen mit einer DC-Eingangsspannung den D-Klasse-Verstärker, um eine AC-Primärspannung zu erzeugen. Die AC-Primärspannung treibt eine Primärwicklung eines Transformators, um eine AC-Sekundärspannung an einer Sekundärwicklung des Transformators zu erzeugen. Die AC-Sekundärspannung treibt dann einen Gleichrichter, der wiederum ein Tiefpassfilter treibt, das eine DC-Ausgangsspannung erzeugt.
    •
  • Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, die mittels Beispielen die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen, ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen isolierten Leistungsversorgung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Blockdiagramm eines isolierten DC-DC-Wandlers gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 ein Blockdiagramm eines verbesserten DC-DC-Wandlers mit einem verringerten Injektionsstrom gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Umwandeln einer ersten DC-Spannung zu einer zweiten DC-Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ein mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ein isolierter DC-DC-Wandler 300 mit einem geringen injizierten Strom, ist in 3 gezeigt. Ähnlich dem Wand ler 200 von 2 verwendet der verbesserte Wandler 300 als Eingang eine DC-Eingangsspannung UDCI die zuerst von einer AC-Leistungsleitungsquelle abgeleitet sein kann. Wie es oben erörtert ist, kann die AC-Leitungsspannung mittels eines AC-DC-Spannungswandlers, der normalerweise hauptsächlich aus Gleichrichtern und Filterkondensatoren besteht, obwohl auch andere bekannte Einrichtungen verwendet werden können, zu der DC-Eingangsspannung VDCI umgewandelt werden.
  • Anstatt die geschaltete DC-Spannung VDCS des Wandlers 200 von 2 zu erzeugen, bei der es sich im Wesentlichen um eine Rechteckwelle handelt, die erhebliche Hochfrequenzoberschwingungen enthält, und dieselbe direkt an einen Transformator anzulegen, wird zu diesem Zweck schließlich eine AC-Primärspannung VACI mit einem geringeren Hochfrequenzoberwellengehalt erzeugt. Zu diesem Zweck wird eine AC-Eingangsspannungsquelle 320 mit einem begrenzten Hochfrequenzoberwellengehalt verwendet, um eine AC-Eingangsspannung VACI zu erzeugen, die den Steuereingang eines D-Klasse-Verstärkers 310 treibt, um die AC-Primärspannung VAC1 zu erzeugen. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden offenbart sind, erzeugt eine derartige Konfiguration eine höchst effiziente Spannungsumwandlung, während die Menge des erzeugten injizierten Stromes begrenzt ist.
  • Idealerweise wäre die AC-Eingangsspannung VACI, die durch die AC-Eingangsspannungsquelle 320 erzeugt wird, in ihrer Beschaffenheit sinusförmig, um jegliche Oberschwingungen über der Primärfrequenz zu beseitigen. Es können jedoch andere AC-Eingangsspannungsquellen für eine ähnliche Wirkung verwendet werden. Zum Beispiel kann eine abgestufte 4-Bit-Näherung einer sinusförmigen AC-Spannung vorteilhaft verwendet werden, obwohl dieselbe einige gedämpfte Hochfrequenzkomponenten enthält. Ebenso kann auch eine tiefpassgefilterte Rechteckwelle verwendet werden. Während nicht sinusförmige AC-Spannungsquellen es ermöglichen können, dass ein geringfügiger injizierter Strom erzeugt wird, sind ei nige Schaltungen, die durch den Wandler 300 getrieben werden, nicht so empfindlich gegenüber unsachgemäßen Betriebs bei geringeren Pegeln injizierten Stromes. Außerdem ermöglichen nicht sinusförmige Spannungsquellen, wie dieselben bei dem Wandler 300 verwendet werden, trotzdem, dass eine effiziente Spannungsumwandlung erfolgt.
  • Abhängig von den Bedürfnissen des Benutzers kann die AC-Eingangsspannungsquelle 320 in den Wandler 300 integriert sein, oder dieselbe kann extern bereitgestellt sein. Ein Integrieren der AC-Spannungsquelle 320 in den Wandler 300 reduziert die Anzahl erforderlicher externer Verbindungen und möglicherweise die Gesamtmenge verbrauchten Platzes. Wenn mehrere Wandler 300 verwendet werden sollen, kann jedoch eine einzige extern bereitgestellte AC-Spannungsquelle 320 mehrere Wandler 300 treiben, wodurch ein synchroner Betrieb dieser Wandler 300 geliefert wird, während die Gesamtgröße des Spannungsumwandlungssystems reduziert wird.
  • Der D-Klasse-Verstärker 310 ist mit seinen verschiedenen Funktionsblöcken in 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel treibt die AC-Eingangsspannung VACI, die durch die AC-Spannungsquelle 320 erzeugt wird, einen Pulsbreitenmodulator (PWM) 312. Der PWM 312 wiederum steuert eine elektronische Schaltschaltung 314, die in einer ähnlichen Weise wirksam ist wie die elektronische Schaltschaltung 210 von 2. Die Schalter (normalerweise Transistoren) der elektronischen Schaltschaltung 314 bewirken, dass eine geschaltete DC-Spannung VDCS, die von der DC-Eingangsspannung VDCI abgeleitet ist, erzeugt wird, wobei die geschaltete DC-Spannung VDCS zwischen der Höhe der DC-Eingangsspannung VDCI und Null Volt (oder dem offenen Zustand) wechselt. Der PWM 312 bewirkt, dass sich diese Schalter mit einer relativ hohen konstanten Frequenz AN und AUS schalten, wobei der Arbeitszyklus der Schalter proportional zu der AC-Eingangsspannung VACI ist. Die Minimalfrequenz des Schaltens durch den PWM 312 ist die Nyquist-Frequenz oder etwa das Doppelte der Frequenz der sinusförmigen AC-Spannung VACS.
  • Normalerweise ist die Schaltfrequenz jedoch zumindest viermal so hoch wie diejenige der sinusförmigen AC-Spannung VACS. Die geschaltete DC-Spannung VDCS wird dann mittels eines Tiefpassfilters 316 gefiltert, der konzipiert ist, um harmonische Komponenten mit der Schaltfrequenz und darüber zu entfernen, sodass die Ausgabe des Tiefpassfilters 316, die AC-Primärspannung VAC1 erzeugt wird. Folglich ist die AC-Primärspannung VAC1 im Wesentlichen proportional zu der AC-Eingangsspannung VACI, die durch die AC-Eingangsspannungsquelle 320 erzeugt wird.
  • Die AC-Primärspannung VAC1 treibt dann die Primärwicklung eines Isolationstransformators 330, wie es bei anderen DC-DC-Wandlern gemäß dem Stand der Technik zu sehen ist. Da jedoch die Primärwicklung durch ein AC-Signal mit einem begrenzten Hochfrequenzgehalt, im Gegensatz zu einem geschalteten DC-Signal großer Höhe und hoher Frequenz, getrieben wird, sind an der Primärwicklung des Transformators 330 weniger Hochfrequenzkomponenten vorhanden. Idealerweise ist bei dieser Stufe lediglich die Grundfrequenz der AC-Eingangsspannung VACI vorhanden. Deshalb wird aufgrund jeglicher Wicklungskapazität innerhalb des Isolationstransformators 330 wesentlich weniger Strom in den isolierten Abschnitt des Wandlers 300 injiziert.
  • Da die Primärwicklung des Transformators durch eine AC-Spannung getrieben wird, die begrenzte Hochfrequenzoberschwingungen enthält, ist die Spannung, die durch die Sekundärwicklung erzeugt wird, die AC-Sekundärspannung VAC2 ebenfalls auf die gleiche Weise begrenzt und ist der AC-Primärspannung VAC1 proportional. Die AC-Sekundärspannung VAC2 wird dann mittels eines Gleichrichters 340 halbwellen- oder vollwellengleichgerichtet, woraus sich eine gleichgerichtete Spannung VR ergibt, und dann durch ein Tiefpassfilter 350 gefiltert, um eine DC-Ausgangsspannung VDCO zu erzeugen.
  • Zusätzlich zu den spezifischen Vorzügen des D-Klasse-Verstärkers 310 bezüglich des geringen injizierten Stromes können auch andere Maßnahmen eingesetzt werden, die darauf abzielen, den injizierten Strom weiter zu verringern. Zum Beispiel können D-Klasse-Verstärker konzipiert sein, um die beiden Anschlüsse der Primärwicklungen des Transformators 330 mit Spannungen gleicher Amplitude und entgegengesetzter Polarität zu treiben, woraus sich an den Primäranschlüssen eine mittlere Spannung von Null relativ zu Masse ergibt, wodurch der injizierte Strom in dem isolierten Abschnitt des Wandlers 300 weiter reduziert wird. Dieses Verfahren des Treibens der Primärwicklungen steht im Gegensatz zu den geläufigeren Verfahren eines Treibens der AC-Primärspannung VAC1 an einem Anschluss, während der andere Anschluss bei einer einzigen Referenzspannung gehalten wird, wie zum Beispiel Masse. Außerdem können, wie es oben angezeigt ist, ein spezielles Wickeln und Abschirmen, um die Wicklungskapazität zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators 330 zu reduzieren, ebenfalls verwendet werden, um den injizierten Strom weiter zu verringern.
  • Wird angenommen, dass die Höhe der DC-Eingangsspannung VDCI und die Amplitude der AC-Eingangsspannung VACI konstant sind, bleibt die isolierte DC-Ausgangsspannung VDCO zu einem gewissen Grad geregelt. Da jedoch der Wandler 300, wie im Wesentlichen alle elektronischen Systeme, eine Ausgangsimpedanz ungleich Null aufweist, kann die DC-Ausgangsspannung VDCO durch die Strommenge an dem Ausgang und somit die Größe der Last, die an den Ausgang gelegt ist, beeinflusst werden. Um eine Regelung des Ausgangs zu verbessern, kann eine Rückkopplungsschaltung 360, wie es in 3 gezeigt ist, zu dem Wandler 300 hinzugefügt werden, sodass zum Beispiel entweder die Höhe der DC-Eingangsspannung VDCI oder die Amplitude der AC-Eingangsspannung VACI modifiziert werden kann, abhängig von einem gemessenen Pegel der DC-Ausgangsspannung VDCO. Eine derartige Modifizierung ergibt eine Veränderung der Amplitude der AC-Primärspannung VACI, die wiederum die Amplitude der RC-Sekundärspannung VAC2 und damit die DC-Ausgangsspannung VDCO beeinflusst.
  • Da der Isolationstransformator 330 durch eine AC-Spannung mit einer Primärfrequenz und begrenzten Oberschwingungen (idealerweise sinusförmig) getrieben wird, hat jegliches Rauschen, das durch den DC-DC-Wandler 300 in die Ausrüstung, die den Wandler 300 verwendet, übertragen werden kann, günstigerweise wahrscheinlich diese Primärfrequenz und ihre Oberschwingungen. Ein Rauschen, das in einem derartig begrenzten Frequenzspektrum erzeugt wird, ermöglicht es, dass die Ausrüstung, die den Wandler 300 verwendet, dieses Rauschen leichter unterdrückt. Zum Beispiel ist ein Digitalvoltmeter (DVM) normalerweise konzipiert, um die normalen AC-Leistungsleitungsfrequenzen von 50 und 60 Hz plus der Oberschwingungen dieser Grundfrequenzen zu unterdrücken. In diesem Fall bestünde eine vorteilhafte Entwurfswahl für den Wandler 300 darin, eine Primärfrequenz für die AC-Eingangsspannung VACI von 300 Hz zu verwenden, die eine Harmonische von sowohl 50 Hz als auch 60 Hz ist. Deshalb würde das DVM aufgrund der normalen Entwurfswahlen beim Unterdrücken der normalen AC-Leistungsleitungsfrequenzen im Wesentlichen jegliches Rauschen unterdrücken, das durch den Wandler 300 erzeugt wird.
  • Wie es im Vorhergehenden erwähnt ist, stellt der Wandler 300 von 3 auch eine höchst effiziente DC-DC-Umwandlungslösung dar. Im Allgemeinen sind D-Klasse-Verstärker bei Fachleuten dafür bekannt, dass dieselben mit Hinblick auf eine Leistungsdissipation extrem effizient sind. Die meisten derartigen Verstärker weisen einen Leistungswirkungsgrad von mehr als 90% auf, wobei einige fast 100% erreichen. Da der D-Klasse-Verstärker 310 des Wandlers 330 von 1 einen großen Abschnitt des Gesamtwandlerentwurfs darstellt, und Leistungsverluste in den verbleibenden Abschnitten des Wandlers 300 (die AC-Eingangsspannungsquelle 320, der Isolationstransformator 330, der Gleichrichter 340 und das Tiefpassfilter 350) nor malerweise durch richtige bekannte elektronische Entwurfstechniken minimiert werden können, ist der Gesamtleistungsverlust vergleichsweise niedrig.
  • Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auch die Form eines Verfahrens 400 zum Umwandeln einer ersten DC-Spannung zu einer zweiten DC-Spannung annehmen, wie es in 4 gezeigt ist. Zuerst wird eine AC-Eingangsspannung erzeugt (Schritt 410), die idealerweise in ihrer Beschaffenheit sinusförmig ist, obwohl andere Signale, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, ebenfalls verwendet werden können. Dieses Signal wird dann verwendet, um eine pulsbreitenmodulierte Spannung zu erzeugen, deren Pulsbreite mit der AC-Eingangsspannung variiert (Schritt 420). Die erste DC-Spannung wird dann AN und AUS geschaltet, basierend auf dem Zustand der pulsbreitenmodulierten Spannung, woraus sich eine geschaltete DC-Spannung ergibt (Schritt 430). Die geschaltete DC-Spannung wird dann tiefpassgefiltert (Schritt 440), wodurch eine AC-Primärspannung erzeugt wird, die an die Primärwicklung eines Isolationstransformators anzulegen ist, woraus sich eine AC-Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators ergibt (Schritt 450). Die AC-Sekundärspannung wird dann gleichgerichtet, um eine gleichgerichtete Spannung zu liefern (Schritt 460), die tiefpassgefiltert wird (Schritt 470), woraus sich die zweite DC-Spannung ergibt. Wahlweise kann die zweite DC-Spannung als Rückkopplung zum Ändern der Höhe der AC-Primärspannung verwendet werden, sodass die zweite DC-Spannung geregelt wird (Schritt 480). Dieser Änderungsschritt kann zum Beispiel durch ein Ändern der Höhe der ersten DC-Spannung oder der Amplitude der AC-Eingangsspannung durchgeführt werden.
  • Aus dem Vorhergehenden liefern Ausführungsbeispiele der Erfindung einen isolierten DC-DC-Wandler mit geringerem injiziertem Strom als bislang normalerweise verfügbar war. Zusätzlich liefern derartige Ausführungsbeispiele diese Funktionalität normalerweise mit einem vergleichsweise hohen Leistungswirkungsgrad. Andere spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung als diejenigen, die im Vorhergehenden gezeigt sind, sind ebenfalls möglich. Folglich soll die Erfindung nicht auf die spezifischen so beschriebenen und veranschaulichten Formen beschränkt sein; die Erfindung ist lediglich durch die Ansprüche beschränkt.

Claims (34)

  1. Ein isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300), der folgende Merkmale aufweist: einen D-Klasse-Verstärker (310), der konfiguriert ist, um durch eine Wechselstrom-Eingangsspannung und eine Eingangsgleichspannung getrieben zu werden, wobei der D-Klasse-Verstärker (310) somit konfiguriert ist, um eine Primärwechselspannung (VAC1) zu erzeugen; einen Transformator (330), der eine Primärwicklung aufweist, die konfiguriert ist, um durch die Primärwechselspannung (VAC1) getrieben zu werden, wobei der Transformator (330) somit konfiguriert ist, um eine Sekundärwechselspannung (VAC2) an einer Sekundärwicklung zu erzeugen; einen Gleichrichter (340), der konfiguriert ist, um durch die Sekundärwechselspannung (VAC2) getrieben zu werden, wobei der Gleichrichter (340) somit konfiguriert ist, um eine gleichgerichtete Spannung (VR) zu erzeugen; und ein Tiefpassfilter (350), das konfiguriert ist, um durch die gleichgerichtete Spannung (VR) getrieben zu werden, wobei das Tiefpassfilter (350) somit konfiguriert ist, um eine Ausgangsgleichspannung (VDCO) zu erzeugen.
  2. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß Anspruch 1, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) sinusförmig ist.
  3. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß Anspruch 1, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) eine 4-Bit-Näherung einer sinusförmigen Wechselspannung ist.
  4. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß Anspruch 1, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) eine tiefpassgefilterte Rechteckwellenspannung ist.
  5. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner eine Eingangswechselspannungsquelle (320) aufweist, die konfiguriert ist, um die Eingangswechselspannung (VACI) zu erzeugen.
  6. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Primärfrequenz der Eingangswechselspannung (VACI) etwa 300 Hz beträgt.
  7. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gleichrichter (340) ein Vollwellengleichrichter ist.
  8. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gleichrichter (340) ein Halbwellengleichrichter ist.
  9. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der D-Klasse-Verstärker (310) einen Anschluss der Primärwicklung mit der Primärwechselspannung (VAC1) treibt, während derselbe einen zweiten Anschluss der Primärwicklung bei einer konstanten Spannung hält.
  10. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der D-Klasse-Verstärker (310) die Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators (330) mit Spannungen gleicher Amplitude und entgegengesetzter Polarität treibt.
  11. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der D-Klasse-Verstärker (310) ferner folgende Merkmale aufweist: eine elektronische Schaltschaltung (314), die konfiguriert ist, um die erste Gleichspannung intermittierend zu schalten, wobei die elektronische Schaltschaltung (314) somit konfiguriert ist, um eine geschaltete Gleichspannung (VDCS) zu erzeugen; einen Pulsbreitenmodulator (PWM) (312), der konfiguriert ist, um durch die Eingangswechselspannung (VACI) getrieben zu werden, wobei der Pulsbreitenmodulator (312) somit konfiguriert ist, um die elektronische Schaltschaltung (314) zu steuern; und ein zweites Tiefpassfilter (316), das konfiguriert ist, um durch die geschaltete Gleichspannung (VDCS) getrieben zu werden, wobei das zweite Tiefpassfilter (316) somit konfiguriert ist, um die Primärwechselspannung (VAC1) zu erzeugen.
  12. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß Anspruch 11, bei dem der Pulsbreitenmodulator (312) mit einer Frequenz wirksam ist, die zumindest das Vierfache der Primärfrequenz der Eingangswechselspannung (VACI) beträgt.
  13. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das zweite Tiefpassfilter (316) harmonische Komponenten der geschalteten Gleichspannung (VDCS) entfernt, die gleich der und größer als die Schaltfrequenz der geschalteten Gleichspannung (VDCS) sind.
  14. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, der ferner eine Rück kopplungsschaltung (360) aufweist, die konfiguriert ist, um die Amplitude der Eingangswechselspannung (VAC I) basierend auf der Höhe der Ausgangsgleichspannung (VDCO) einzustellen, um die Ausgangsgleichspannung (VDCO) zu regeln.
  15. Isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, der ferner eine Rückkopplungsschaltung (360) aufweist, die konfiguriert ist, um die Höhe der Eingangsgleichspannung (VDCI) basierend auf der Höhe der Ausgangsgleichspannung (VDCO) einzustellen, um die Ausgangsgleichspannung (VDCO) zu regeln.
  16. Leistungsversorgung, die den isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet.
  17. Elektronische Vorrichtung, die den isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet.
  18. Elektronische Schaltung zum Umwandeln einer ersten Gleichstrom-Spannung zu einer zweiten Gleichspannung, die folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Erzeugen einer pulsbreitenmodulierten Spannung, deren Pulsbreite mit einer Wechselstrom-Eingangsspannung (VACI) variiert; eine Einrichtung zum Schalten der ersten Gleichspannung basierend auf dem Zustand der pulsbreitenmodulierten Spannung, um eine geschaltete Gleichspannung (VDCS) zu liefern; eine Einrichtung zum Tiefpassfiltern der geschalteten Gleichspannung (VDCS), um eine Primärwechselspannung (VAC1) zu liefern; eine Einrichtung zum Anlegen der Primärwechselspannung (VAC1) an die Primärwicklung eines Transformators (330), um eine Sekundärwechselspannung (VAC2) an einer Sekundärwicklung des Transformators (330) zu liefern; eine Einrichtung zum Gleichrichten der Sekundärwechselspannung (VAC2), um eine gleichgerichtete Spannung (VR) zu liefern; und eine Einrichtung zum Tiefpassfiltern der gleichgerichteten Spannung (VR), um die zweite Gleichspannung zu liefern.
  19. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 18, die ferner eine Einrichtung zum Erzeugen der Eingangswechselspannung (VACI) aufweist.
  20. Leistungsversorgung, die die elektronische Schaltung gemäß Anspruch 18 oder 19 verwendet.
  21. Elektronische Vorrichtung, die die elektronische Schaltung gemäß Anspruch 18 oder 19 verwendet.
  22. Verfahren zum Umwandeln einer ersten Gleichstrom-Spannung zu einer zweiten Gleichspannung, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen (420) einer pulsbreitenmodulierten Spannung, deren Pulsbreite mit einer Wechselstrom-Eingangsspannung (VACI) variiert; Schalten (430) der ersten Gleichspannung basierend auf dem Zustand der pulsbreitenmodulierten Spannung, um eine geschaltete Gleichspannung (VDCS) zu liefern; Tiefpassfiltern (440) der geschalteten Gleichspannung (VDCS), um eine Primärwechselspannung (VAC1) zu liefern; Anlegen (450) der Primärwechselspannung (VAC1) an die Primärwicklung eines Transformators (330), um eine Sekundärwechselspannung (VAC2) an einer Sekundärwicklung des Transformators (330) zu liefern; Gleichrichten (460) der Sekundärwechselspannung (VAC2), um eine gleichgerichtete Spannung (VR) zu liefern; und Tiefpassfiltern (470) der gleichgerichteten Spannung (VR), um die zweite Gleichspannung zu liefern.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) sinusförmig ist.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) eine 4-Bit-Näherung einer sinusförmigen Wechselspannung ist.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem die Eingangswechselspannung (VACI) eine tiefpassgefilterte Rechteckwellenspannung ist.
  26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, das ferner eine Einrichtung zum Erzeugen der Eingangswechselspannung (VACI) aufweist.
  27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, bei dem die Primärfrequenz der Eingangswechselspannung (VACI) etwa 300 Hz beträgt.
  28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem die Frequenz der pulsbreitenmodulierten Spannung zumindest das Vierfache der Frequenz der Eingangswechselspannung (VACI) beträgt.
  29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem die gleichgerichtete Spannung (VR) vollwellengleichgerichtet ist.
  30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem die gleichgerichtete Spannung (VR) halbwellengleichgerichtet ist.
  31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 30, bei dem der zweite Tiefpassfilterschritt (470) harmonische Komponenten der geschalteten Gleichspannung (VDCS) entfernt, die gleich der und größer als die Schaltfrequenz der geschalteten Gleichspannung (VDCS) sind.
  32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 31, das ferner ein Ändern der Primärwechselspannung (VAC1) basierend auf der Höhe der zweiten Gleichspannung aufweist, um die zweite Gleichspannung zu regeln.
  33. Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem der Änderungsschritt (480) durch ein Modifizieren der Höhe der ersten Gleichspannung erreicht wird.
  34. Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem der Änderungsschritt (480) durch ein Modifizieren der Amplitude der Eingangswechselspannung (VACI) erreicht wird.
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