DE19531758A1 - AC/DC-Wandler mit sinusförmiger Stromaufnahme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Zur Stromversorgung von elektronischen Baugruppen werden häufig Schaltnetzteile eingesetzt, mit deren Hilfe beispielsweise Wechselspannungen in Gleichspannungen transformiert werden. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, daß der aus dem Verhältnis von aufgenommener Wirkleistung zu aufgenommener Scheinleistung abgeleitete Leistungsfaktor möglichst groß ist.

In einer Druckschrift mit dem Titel "HL-Anwendungsbericht für die Auto- und Industrieelektro­ nik" (PD22 9002, Siemens Aktiengesellschaft) wird unter Verwendung eines Hochsetzstellers ein Schaltnetzteil angegeben, das dem Netz einen sinusförmigen Strom entnimmt und am Ausgang eine geregelte Gleichspannung zur Speisung von elektronischen Baugruppen zur Verfügung stellt. Der Netzstrom weist dabei geringe Oberschwingungsanteile auf und ist mit der Wechselspannung des Versorgungsnetzes in Phase, woraus hohe Leistungsfaktoren von bei­ spielsweise 0.95 realisierbar sind. Das in der vorstehend genannten Druckschrift beschriebene Schaltnetzteil, das insbesondere in Bild 3 auf Seite 3 dargestellt ist, wandelt die am Eingang anstehende Wechselspannung in zwei Stufen in eine gewünschte Gleichspannung um, wobei in jeder Stufe mindestens ein Leistungsschalter enthalten ist. In der ersten Stufe wird ein Gleichspannungszwischenkreis aus einer Wechselspannung mit Hilfe eines Brückengleichrich­ ters und eines Hochsetzstellers erzeugt. In der zweiten Stufe wird ausgehend von der Gleich­ spannung des Gleichspannungszwischenkreises mit einem Transformator und mit mindestens einem Leistungsschalter die gewünschte Gleichspannung zur Stromversorgung erhalten.

Das bekannte zweistufige Spannungswandlerprinzip hat jedoch den Nachteil, daß relativ hohe Verluste entstehen, da insbesondere mehrere Leistungsschalter eingesetzt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungswandler anzu­ geben, bei dem der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Spannungswandlern verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Indem nur ein einziger Leistungsschalter nicht strom- und spannungslos geschaltet wird, werden die Schaltverluste gegenüber dem erwähnten zwei­ stufigen Wandlerprinzip reduziert, d. h. der Wirkungsgrad wird verbessert. Ferner wird die Energieübertragung auf zwei Übertrager verteilt, womit geringere Maßnahmen zur Kühlung gegenüber bekannten Spannungswandlern vorgenommen werden müssen oder aber die ver­ wendeten Bauteile können knapper dimensioniert werden. Schließlich ist nur eine Steuerein­ heit notwendig, die zudem im Handel erhältlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers und

Fig. 2 Zeitdiagramme mit Schaltzyklen für im Spannungswandler verwendete Leistungsschal­ ter und Übertragungsschalter.

Fig. 1 zeigt einen Spannungswandler zur Wandlung einer Wechselspannung U1 in eine Gleich­ spannung U2, wobei die Wechselspannung U1 einen sinusförmigen Spannungsverlauf mit einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Der Spannungswandler besteht im wesentlichen aus einem Gleichrichter GR, einer Glättungsdrossel L, einem Leistungsschalter LS, einem ersten Obertra­ ger T1 - bestehend aus einer Primärwicklung UW11 und einer Sekundärwicklung UW12 -, ei­ nem zweiten Übertrager T2 - bestehend aus einer Primärwicklung UW21 und einer Sekundär­ wicklung UW22 -, zwei Übertragungsschalter US1 und US2, zwei Dioden D1 und D2, einer Überwachungseinheit LSU, einem Glättungskondensator GG und einer Steuereinheit PFC.

In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spannungswandlers werden mehr als zwei Übertrager T1 und T2 eingesetzt. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der nur ein einziger Übertrager T1 eingesetzt wird.

Ferner weist jeder Übertrager T1 und T2 eine Hilfswicklung HW1 und HW2 mit gegenüber der Primärwicklung UW11 bzw. UW21 und der Sekundärwicklung UW12 bzw. UW22 umgekehrter Polarität auf, wobei diese Hilfswicklungen HW1 und HW2 für die Entmagnetisierung der Über­ trager T1 und T2 verwendet werden. Durch den Einsatz der Hilfswicklungen HW1 und HW2 für die Entmagnetisierung wird die Bauform der Übertrager T1 und T2 nicht vergrößert, da in den Hilfswicklungen HW1 und HW2 lediglich ungefähr 1/10 des Stromes der Primärwicklung fließt. Damit fällt der Drahtdurchmesser für die Hilfswicklungen HW1 und HW2 relativ dünn aus.

Die Wechselspannung U1 steht am Eingang des Gleichrichters GR an, der beispielsweise als Brückengleichrichter (auch etwa als Doppelweggleichrichter bezeichnet) realisiert ist und die sinusförmige Wechselspannung U1 gleichrichtet. Weiterführende Angaben zu Gleichrichter­ schaltungen können beispielsweise dem Standardwerk "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk (Sechste Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, To­ kyo, 1983) auf Seite 512 ff entnommen werden.

Parallel zum Ausgang des Gleichrichters GR ist die Serienschaltung von Glättungsdrossel L und Leistungsschalter LS geschaltet, der über die Steuereinheit PFC angesteuert wird. Parallel zum Leistungsschalter LS ist ferner sowohl die Serienschaltung von Übertragungsschalter US1 und Übertrager T1 als auch die Serienschaltung von Übertragungsschalter US2 und Übertrager T2 geschaltet. Die beiden Übertragungsschalter US1 und US2 werden dabei wie der Leistungs­ schalter LS von der Steuereinheit PFC angesteuert.

Auf der Sekundärseite der Übertrager T1 und T2 sind die Sekundärwicklungen UW12 und UW22, die je mit einer Diode D1 bzw. D2 in Serie geschaltet sind, parallel zum Glättungskon­ densator GC und zur Überwachungseinheit LSU geschaltet, wobei die sekundäre Gleichspan­ nung U2 am Ausgang der Überwachungseinheit LSU zur Speisung von elektronischen Bau­ gruppen zur Verfügung steht.

Zur Erzeugung der Schaltimpulse für den Leistungsschalter LS und für die Übertragungsschal­ ter US1 und US2 wird der Steuereinheit PFC die mit Hilfe der Überwachungseinheit LSU ge­ messene sekundäre Gleichspannung U2 zugeführt. Zur galvanischen Trennung zwischen Pri­ mär- und Sekundärseite wird die gemessene Gleichspannung U2 über einen Optokoppler OK geführt, bevor sie der Steuereinheit PFC zur Weiterverarbeitung beaufschlagt wird.

Anhand der in Fig. 2 dargestellten Zeitdiagramme wird die Funktionsweise des erfindungsge­ mäßen Spannungswandlers erläutert. Dabei sind Schaltzustände des Leistungsschalters LS (Fig. 2A) und der beiden Übertragungsschalter US1 und US2 (Fig. 2B bzw. 2C) gegen die Zeit aufgetragen. Die den Zeitdiagrammen entsprechenden Steuersignale werden in der Steuerein­ heit PFC (Fig. 1) erzeugt und dem Leistungsschalter LS und den Übertragungsschaltern US1 und US2 zugeführt.

Aus Fig. 2A ist ersichtlich, daß der Leistungsschalter LS in regelmäßigen zeitlichen Abstän­ den eingeschaltet wird. Eine bevorzugte Einschaltfrequenz von 50 kHz hat sich dabei als be­ sonders geeignet erwiesen. Das Ausschalten des Leistungsschalters LS ist einerseits von der am Ausgang des Spannungswandlers angeschlossenen Last, anderseits vom momentanen Wert der Wechselspannung U1 abhängig. Demzufolge wird sich die Einschaltdauer des Lei­ stungsschalters LS bei konstanter Last mit dem momentanen Wert der Wechselspannung U1 ändern. Damit wird die durch den Spannungswandler übertragene Energie im zeitlichen Durch­ schnitt konstant gehalten.

Ist der Leistungsschalter LS geschlossen, so wird in der Glättungsdrossel L, über der somit die gleichgerichtete Wechselspannung U1 anliegt, Energie gespeichert, die später bei geöffnetem Leistungsschalter LS über einen der Übertrager T1 oder T2 abgegeben und auf die Sekundär­ seite übertragen wird. Die Glättungsdrossel L und die Steuereinheit PFC funktionieren dabei ähnlich wie bei einem herkömmlichen Hochsetzsteller für Sinusstromaufnahme bei konstanter Arbeitsfrequenz (average current mode). Als Unterschied zum bekannten Hochsetzsteller weist der erfindungsgemäße Spannungswandler jedoch keinen Spannungszwischenkreis mit Diode und Kondensator auf. Zudem ist die mit der Spannungsregelung betraute Oberwachungseinheit LSU beim erfindungsgemäßen Spannungswandler auf der Sekundärseite angeschlossen.

Wie erwähnt, wird in die Glättungsdrossel L bei geschlossenem Leistungsschalter LS Energie gespeichert. Während dieser Phase schalten auch die Übertragungsschalter US1 und US2, und zwar im Gegentakt, d. h., wenn der Übertragungsschalter US1 schließt, wird der Übertragungs­ schalter US2 geöffnet und umgekehrt. Dabei ist unwesentlich, zu welchem Zeitpunkt die Ober­ tragungsschalter US1 und US2 ihren Schaltzustand ändern. Wesentlich ist jedoch, das der Schaltvorgang der beiden Übertragungsschalter US1 und US2 zum Zeitpunkt abgeschlossen ist, in dem der Leistungsschalter LS geöffnet wird. Dadurch können Schaltverluste vermieden werden, denn die Übertragungsschalter US1 und US2 schalten damit strom- und spannungslos. Ferner ist es auch unwesentlich, wenn die Übertragungsschalter US1 und US2 nicht zum glei­ chen Zeitpunkt ihren Zustand ändern.

Wird der Leistungsschalter LS geöffnet, so wird die in der Glättungsdrossel L gespeicherte Energie über denjenigen Übertrager T1 bzw. T2 übertragen, der mit dem geschlossenen Über­ tragungsschalter US1 bzw. US2 in Serie geschaltet ist. Im nächsten Steuersignaltakt für den Leistungsschalter LS wechseln die Übertragungsschalter US1 und US2 ihren Schaltzustand. Damit wird nach dem Öffnen des Leistungsschalters LS Energie über den anderen Übertrager T2 bzw. T1 übertragen.

Die Übertrager T1 und T2 übertragen die Energie auf die Sekundärseite des Spannungswand­ lers, wobei durch die Verwendung von Transformatoren ein gewünschter Spannungswert durch die Wahl des Wicklungsverhältnisses erhalten wird. Zudem ist dank der Verwendung von Transformatoren für die Übertrager T1 und T2 die Wechselspannung U1 von der Gleichspan­ nung U2 galvanisch getrennt.

Wie erwähnt, entstehen keine Schaltverluste durch die Schaltvorgänge der beiden Übertra­ gungsschalter US1 und US2, da beide strom- und spannungslos geschaltet werden. Die Über­ tragungsschalter US1 und US2 weisen somit lediglich Leitverluste auf. Der Leistungsschalter LS ist der einzige Schalter im erfindungsgemäßen Spannungswandler, der Schalt- und Leitver­ luste aufweist.

Der Übertrager T1 bzw. T2 weist neben der Primärwicklung UW11 bzw. UW21 und der Sekun­ därwicklung UW12 bzw. UW22 die Hilfswicklung HW1 bzw. HW2 auf, die zur Entmagnetisie­ rung benötigt werden. Dabei wird der Übertrager T1 mit Hilfe der Hilfswicklung HW1 entma­ gnetisiert, wenn der Übertragungsschalter US1 geöffnet ist. Entsprechend wird der Übertrager T2 mit Hilfe der Hilfswicklung HW2 entmagnetisiert, wenn der Übertragungsschalter US2 ge­ öffnet ist.

Die Steuereinheit PFC erzeugt - wie bereits ausgeführt wurde - die in den Zeitdiagrammen der Fig. 2 dargestellten Schaltzyklen. Dazu werden die sekundäre Gleichspannung U2 und die gleichgerichtete primäre Wechselspannung U1 verwendet. Fällt die sekundäre Gleichspannung U2 aufgrund einer Lastvergrößerung ab, so muß entsprechend mehr Energie übertragen wer­ den, d. h. die Pulsbreite des Einschaltpulses für den Leistungsschalter LS wird verlängert, damit mehr Energie in der Glättungsdrossel L gespeichert und schließlich über die Übertrager T1 und T2 übertragen werden kann.

Die Funktionen der Steuereinheit PFC können mit Hilfe eines im Handel erhältlichen Bausteins realisiert werden. Besonders geeignet ist dabei ein integrierter Schaltkreis mit der Bezeichnung TDA 4919, der von der Firma Siemens Aktiengesellschaft hergestellt wird und dessen Anwen­ dung im "HL-Anwendungsbericht für die Auto- und Industrieelektronik (PD22 9002)" von M. Herfurth ausführlich beschrieben ist. Der als Steuereinheit PFC angegebene Baustein eignet sich insbesondere deshalb für die Realisierung der geforderten Funktionen, als sämtliche Schaltersteuersignale intern erzeugt werden können, ohne daß eine zusätzliche Beschaltung erforderlich wäre. Dennoch wird in einer Ausführungsform vorgeschlagen, einen externen Os­ zillator OZ und eine Kippschalteinheit FF (Flip-Flop) zur Ansteuerung der Übertragungsschalter US1 und US2 zu verwenden, währenddem für den Leistungsschalter LS der in der Steuerein­ heit PFC enthaltene Oszillator verwendet wird. Dies hat den Vorteil, daß die Schaltfrequenzen des Leistungsschalter LS und der Übertragungsschalter US1 und US2 unabhängig voneinander geändert werden können, was insbesondere im nachstehend erläuterten Fall von Bedeutung sein kann:
In den Ausführungen zu Fig. 2 wurde von einer mittelmäßigen Belastung des Spannungswand­ lers ausgegangen. Ist der Energiebezug auf der Sekundärseite des Spannungswandlers derart gering, daß die Einschaltintervalle des Leistungsschalters LS unzulässig kurz werden, so muß die Taktfrequenz für den Leistungsschalter LS gegenüber der in der Fig. 2A dargestellten re­ duziert werden, oder aber es müssen zumindest einzelne Schaltimpulse für den Leistungs­ schalter LS ausfallen. Beispielsweise kann die Taktfrequenz des Leistungsschalters LS mo­ mentan gegenüber der Taktfrequenz bei Normallast halbiert werden. Damit wird die Schaltperi­ ode des Leistungsschalters LS vergrößert, wobei - falls die Schaltfrequenzen der Übertra­ gungsschalter US1 und US2 unverändert bleiben - bei jeder zweiten Umschaltung der Übertra­ gungsschalter US1 und US2 nicht mehr spannungs- und stromfrei geschaltet werden kann. Allerdings sind die dabei entstehenden Verluste vernachlässigbar, da in diesem Betriebsmodus ohnehin nur geringe Energien übertragen werden.

Claims (9)

1. Spannungswandler mit sinusförmiger Stromaufnahme zur Wandlung einer Wechselspan­ nung (U1) in eine Gleichspannung (U2), dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Anschluß eines an die Wechselspannung (U1) angeschlossenen Gleichrichters (GR) über eine Glät­ tungsdrossel (L) mit einem ersten Anschluß eines Leistungsschalters (LS) und ein zweiter Anschluß des Gleichrichters (GR) mit einem zweiten Anschluß des Leistungsschalters (LS) verbunden ist und daß parallel zum Leistungsschalter (LS) mindestens ein in Serie mit einem Übertragungsschalter (US1, US2) geschalteter Übertrager (T1, T2) vorgesehen ist, der primär­ seitig mindestens aus einer Primärwicklung (UW11, UW21) und sekundärseitig mindestens aus einer Sekundärwicklung (UW12, UW22) besteht, wobei an die Sekundärwicklung (UW12, UW22) Mittel (D1, D2, GC) zur Bildung der Gleichspannung (U2) angeschlossen sind.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (D1, D2, GC) zur Bildung der Gleichspannung (U2) mindestens aus einer Diode (D1, D2) und einem Glättungskondensator (GC) bestehen, wobei die Diode (D1, D2) mit der Sekundärwicklung (UW12, UW22) in Serie geschaltet ist und der Glättungskondensator (GC), an dem die ge­ wünschte Gleichspannung (U2) zur Verfügung steht, parallel zur Serienschaltung von Diode (D1, D2) und Sekundärwicklung (UW12, UW22) geschaltet ist.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Leistungsschalter (LS) zwei Übertragungszweige vorgesehen sind, die je aus einer Serien­ schaltung von einem Übertrager (T1, T2) und einem Übertragungsschalter (US1, US2) beste­ hen.

4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Übertrager (T1, T2) eine Hilfswicklung (HW1, HW2) vorgesehen ist, die in Serie zu einer Diode (HD1, HD2) geschaltet ist und die mit dieser einen Schaltungsteil bildet, der parallel zum Lei­ stungsschalter (LS) geschaltet ist.

5. Spannungswandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Steuereinheit (PFC) vorgesehen ist, über die die Übertragungsschalter (US1, US2) und/oder der Leistungsschalter (LS) angesteuert werden, wobei die Pulsbreite des Steu­ ersignals für den Leistungsschalter (LS) variabel einstellbar ist.

6. Spannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sekundärseitig eine Überwachungseinheit (LSU) zur Messung der Gleichspannung (U2) über dem Glättungskon­ densator (GC) vorgesehen ist und daß ein der gemessenen Gleichspannung (U2) entspre­ chender Wert der Steuereinheit (PFC) zugeführt wird.

7. Spannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsschalter (US1, US2) in einem Zeitabschnitt schalten, in dem der Lei­ stungsschalter (LS) eingeschaltet ist.

8. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Schaltfrequenzen des Leistungsschalters (LS) zur Schaltfrequenz des Übertra­ gungsschalters (US1, US2) ein ganzzahliges Vielfaches ist.

9. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter (LS) mit einer variablen Frequenz eingeschaltet wird, die von der zu übertra­ genden Energie abhängig ist.