DE3901764A1 - Nullstrom-gleichstrom/gleichstrom- schaltumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nullstrom-Gleichstrom/ Gleichstrom-Schaltumformer mit Vollwellenbetrieb.

Es sind Halbwellen-Nullstrom-Schaltumformer bekannt, jedoch wurden bisher noch keine Umformer dieser Art mit einer Vollwellen-Betriebsweise vor­ geschlagen.

Es ist grundsätzlich wünschenswert, bei hohen Frequenzen arbeitende Gleichstrom/Gleichstrom- Umformer zu entwickeln, wodurch eine Verringerung des Gesamtvolumens und -gewichts der Vorrichtung aufgrund der Verwendung kleinerer Bauteile gefördert wird. Zusätzlich zum Einsatz relativ kleiner Bau­ teile wird durch eine Erhöhung der Arbeitsfrequenz eine Abnahme des inneren Widerstandes des Umformers erzielt, wodurch die Lastregelcharakteristiken des Umformers verbessert werden. Andererseits bewirkt ein Anstieg der Arbeitsfrequenz eines Umformers jedoch eine Erhöhung der Schaltverluste, da das Hochgeschwindigkeitsschalten unter dem herrschenden Arbeitsstrom durchgeführt wird. Andere Verluste bei Schaltungskomponenten wie zum Beispiel Verluste bei Halbleiteranordnungen zeigen sich ebenfalls aufgrund des sofortigen und plötzlichen Wechsels der Polarität der anliegenden Spannung.

Daher besteht schon seit langem das Bestreben, einen Hochfrequenz-Gleichstrom/Gleichstrom- Umformer mit erhöhter Leistungsdichte zu schaffen, der nicht die vorgenannten Nachteile aufweist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Gleichstrom/Gleichstrom- Umformer zu beseitigen und einen Nullstrom-Gleichstrom/ Gleichstrom-Schaltumformer mit Vollwellenbetrieb bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des er­ findungsgemäßen Umformers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Umformers,

Fig. 2 die Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Umformers,

Fig. 3 die Schaltungsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Umformers,

Fig. 4 die Schaltungsanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Umformers,

Fig. 5 die Schaltungsanordnung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Umformers mit einem mit der Primärwicklung des Leistungstransformators ver­ bundenen Ladeinduktor,

Fig. 6 und 7 Schaltungsanordnungen von Modifikationen des Umformers, und

Fig. 8 bis 10 Schaltungsanordnungen verschiedener Ausführungen des Ladeinduktors im Leistungskreis.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das in vereinfachter Form verschiedene mögliche Ausführungs­ beispiele des Nullstrom-Gleichstrom/Gleichstrom- Schaltumformers mit Vollwellenbetrieb illustriert. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer weist einen Gleichstrom/Wechselstrom-Umformer 2 auf, der zwischen eine Spannungsquelle 4 und eine Leistungsschaltung 8 einfügbar ist. Der Umformer 2 wird durch eine Steuer­ einheit 6 gesteuert, die ihrerseits Signale von einem oder mehreren Sensoren erhält, die an mehreren möglichen Stellen in der Umformerschaltung angeordnet sein können, um dort die Energieflußzustände zu erfassen. Da die Steuer- und Sensorschaltungen an sich bekannt und nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind, ist eine Erläuterung ihrer Ar­ beitsweise für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich.

Der Ausgang des Gleichstrom/Wechselstrom-Umformers 2 führt zur Leistungsschaltung 8, die über einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer 10 eine Lade­ und Energiespeicherschaltung 12 speist. An diese ist eine Entladeschaltung 14 angeschlossen, mit der eine Last verbindbar ist.

Fig. 1 zeigt auch eine Induktoreinheit 16, die wie später beschrieben wird, an vier Stellen mit der Schaltungsanordnung verbunden werden kann, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt ist.

Ein bevorzugtes Asuführungsbeispiel der Erfindung ist in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dar­ gestellt. Der Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 2 besteht aus elektronischen Schaltern 16, 18, 16′, 18′, die synchron von der Steuereinheit 6 gesteuert werden, und er ist mit der Leistungsschaltung 8 verbindbar, die einen Transformator 22 mit einer Primärwicklung 24 und Sekundärwicklungen 26, 26′ enthält. Zwei symmetrisch angeordnete Ladeschleifen werden vom Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer 10 gebildet, der in einer Richtung leitende Elemente 28, 28′ (z.B. Dioden) enthält. Jedes der Elemente 28, 28′ ist auf der einen Seite mit der angrenzen­ den Sekundärwicklung 26 bzw. 26′ und auf der anderen Seite über einen Ladeinduktor 30 bzw. 30′ mit einem Speicherkondensator 32 bzw. 32′ in Reihe geschaltet. Die Entladungswege schließen die Kondensatoren 32, 32′ und die Entladeinduk­ toren 34, 34′ ein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Induktivitäten der Induktoren 30, 30′ kleiner als die Induktivitäten der Entlade­ induktoren 34, 34′, um sicherzustellen, daß die Ladeperiode jedes der Kondensatoren 32, 32′ kleiner als seine Entladeperiode ist.

Die Arbeitsweise des Gleichstrom/Gleichstrom- Umformers wird nun unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläutert. Wenn die Spannungsquelle 4 angeschlossen und eingeschaltet ist, erzeugt die selektive Betätigung der Schalter 16, 18, 16′ und 18′ des Gleichstrom/Wechselstrom-Umformers 2 in den Sekundärwicklungen 26, 26′ des Transformators 22 Impulse mit entgegengesetzter Phase. Während der jeweils positiven Hälfte eines Zyklus leiten die Elemente 28, 28′ aufeinanderfolgend und die Speicherkondensatoren 32, 32′ werden über die Ladeinduktoren 30, 30′ aufgeladen. Die Entladung der Kondensatoren 32, 32′ erfolgt abwechselnd über die Entladeinduktoren 34, 34′, wobei eine Gleichspannung an der Last auftritt.

Da die Induktivitäten der Ladewege kleiner als die Induktivitäten der Entladewege sind und die Dauer des Ladezyklus durch die Gleichung

definiert ist, worin L _ch die Lade­ induktivität und C die Kapazität des Speicher­ kondensators bedeuten, ist die Dauer des Ent­ ladezyklus größer als die des Ladezyklus, da der Kondensator sowohl dem Ladeweg als auch dem Entladeweg gemeinsam ist.

Die Periodizität der Zustandswechsel der Schalter des Gleichstrom/Wechselstrom-Umformers wird durch diese Dauer bestimmt, wie durch eine Abtastschaltung ermittelt wird, und somit werden diese Schalter so betätigt, daß sie ihren Zustand dann wechseln, wenn der über sie fließende Strom Null oder vernachlässigbar gering ist. Dieses Wechseln der Schaltzustände bei Nullstrom stellt sicher, daß das Aufladen eines der beiden Speicherkondensatoren im gleichen Zeitpunkt beginnt, in dem die Entladung des anderen Kondensators beendet wird. Das kontunierliche, ununterbrochene abwechselnde Laden in zwei im wesentlichen identischen, jedoch getrennten Schaltkreisen erleichtert die kontinuierliche Energieentnahme aus der Spannungsquelle, und daher überschreitet der maximale Eingangsstrom den Durchschnittsstrom nicht um mehr als 60%. Dies führt zu einer Abnahme des Wärmeverlustes bei den Schaltungskomponenten und daher steigt die Zuverlässigkeit dieser Komponenten. Zusätz­ lich können infolge dieser Abnahme des Strom­ flusses die Anforderungen an die Kühlung der Schaltung verringert werden.

Die Stromstärke in den Entladewegen hängt im wesentlichen nur von der Last ab. Daher ist die aus dem Speicherkondensator entnommene Energiemenge von der Stromstärke in diesem Weg abhängig. Die aus dem Kondensator entnommene Energiemenge bestimmt die an diesem liegende Spannung und damit auch den Spannungspegel, bei dem der nächste Ladezyklus des Kondensators be­ ginnt. Die Spannung am Kondensator am Ende seines Ladevorganges ist unter anderem von der Ladespannung und der Spannung am Kondensator zu Beginn des Ladevorganges abhängig. Wenn die Ausgangsspannung steigt, verbraucht der Kondensator mehr Energie, die wiederum dadurch ersetzt wird, daß mehr Energie durch die Spannungsquelle nachgeliefert wird. Diese Ab­ hängigkeit zwischen der Eingangs- und Ausgangs­ energie reduziert den inneren Widerstand "des Umformers" und hat zur Folge, daß die Ausgangs­ spannung von der Größe und der Last fast unab­ hängig ist. Diese Unabhängigkeit kann bei den bekannten Halbwellen-Umformern die nachteilige Wirkung haben, daß die Speicherkondensatoren zeitweilig zu früh geladen werden. Bei dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer mit Voll­ wellenbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem in jeder der beiden Lade- und Entlade­ schleifen ein gemeinsamer Weg existiert, kann jedoch die Spannung an einem entladenden Kondensator unterhalb Null sinken, d.h. es ent­ steht eine umgekehrte Spannung an diesem und damit wird ein Stromfluß während des Entlade­ zyklus verhindert, solange wie der Spannungs­ pegel an dem Kondensator nicht unter den Spannungspegel an der mit diesem verbundenen Sekundärwicklung des Transformators fällt. Um umgekehrte Spannungen an den Kondensatoren zu vermeiden, wird auch vorgeschlagen, beide Ladeinduktoren auf einem gemeinsamen Kern anzuordnen und deren Wicklungen elektrisch miteinander zu verbinden, so daß die Lade­ ströme in dem Kern einen magnetischen Wechsel­ fluß mit entgegengesetzten Richtungen erzeugen. Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer der­ artigen Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt.

Demgemäß befinden sich zwei Ladeinduktoren 36, 38 und 36′, 38′ in jedem der Ladekreise, die durch einen gemeinsamen Kern 40 magnetisch miteinander verknüpft sind.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel entsprechend dem in Fig. 2, mit der Ausnahme, daß ein zu­ satzlicher Induktor 42 in den gemeinsamen Zweig beider Entladewege geschaltet ist. Dieser zu­ sätzliche Induktor hat die Wirkung, daß die Entladegeschwindigkeit des Entladeinduktors erhöht wird, wodurch sich eine verbesserte Arbeitsweise des Umformers ergibt.

Fig. 5 zeigt einen Umformer entsprechend dem in Fig. 4, mit der Ausnahme, daß der Entladeinduktor 44 in Reihe mit der Primärwicklung 24 des Transformtators 22 geschaltet ist und einen Teil der Leistungsschaltung bildet.

Die Entladeinduktoren 34, 34′ in den Fig. 4 und 5 können durch einen gemeinsamen Kern magnetisch miteinander verknüpft sein, um einen Aufbau von umgekehrten Spannungen an den Kondensatoren 32, 32′ zu vermeiden.

Während bei den vorbeschriebenen Ausführungsbei­ spielen die Speicherkondensatoren in bezug auf die Last parallelgeschaltet waren, ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 eine Schaltung eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umformers illustriert, in dem die Speicherkondensatoren 32, 32′ in bezug auf die Last in Reihe geschaltet sind. Diese Schaltung ist somit als spannungsverdoppelnder Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer mit Vollwellenbetrieb ausgebildet. Der gleiche Schaltungstyp ist in Fig. 7 gezeigt, jedoch mit dem Unterschied, daß der Ladeinduktor 44 zwischen den Gleichstrom/ Wechselstrom-Umformer 2 und den Transformator 22 geschaltet ist.

Die Spannungsverdoppler der Fig. 6 und 7 können leicht abgeändert werden, indem der Induktor 34 durch einen Kondensator ersetzt wird, der zwischen die zur Last führenden Ausgangsanschlüsse ge­ schaltet ist. Die Funktion des Kondensators ist analog der des Induktors 34, nämlich einen Wechsel in der Richtung des Stromflusses in bezug auf die Last während eines Halbzyklus zu unterbinden.

An Umformern gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß bei ihrem Betrieb mit hohen Frequenzen Vorteile dadurch auftreten, daß zwischen dem Gleichstrom/ Wechselstrom-Umformer 2 und dem Transformator 22 zwei Ladeinduktoren 46, 46′ mit einem gemeinsamen Kern 48 vorgesehen werden, die gleichgerichtete magnetische Felder erzeugen (siehe Fig. 8). Eine weitere Alternative ist in Fig. 9 gezeigt. Hier ist der Ladeinduktor 50 zwischen die Spannungsquelle 4 des Gleichstrom/Wechselstrom- Umformers und die Schalter 18 und 18′ geschaltet. Eine weitere brauchbare Anordnung, die für einen Hochfrequenzbetrieb geeignet ist, zeigt Fig. 10, bei der zwei gemeinsam auf einen Kern gewickelte Ladeinduktoren 52, 52′ im Gleichstrom/Wechselstrom- Umformer symmetrisch zwischen die Spannungsquelle 4 und die Schalter 16, 18, 16′ und 18′ geschaltet sind. Die Induktoren 52 und 52′ sind in einer solchen Weise auf dem Kern miteinander verbunden,

daß sie einen gleichgerichteten magnetischen Fluß im Kern induzieren.

Claims (8)

1. Nullstrom-Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltumformer mit Vollwellenbetrieb, gekennzeichnet durch
einen steuerbaren Gleichstrom/Wechselstrom- Umformer (2) enthaltend elektronische Schalt­ vorrichtungen (16, 16′, 18, 18′) zum selektiven Verbinden einer Spannungsquelle (4) mit einer Primärwicklung (24) eines Leistungs­ transformators (22), wenn der Stromfluß durch die Schaltvorrichtung (16, 16′, 18, 18′) vernach­ lässigbar ist;
einen mit Sekundärwicklungen (26, 26′) des Leistungstransformators (22) verbundenen Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer (10);
zwei Lade- und Energiespeicherschaltungen (12), die jeweils einen in Reihe mit einer der Sekundärwicklungen (26, 26′) geschalteten Speicherkondensator (32, 32′) und eine zwischen den Eingang des Gleichstrom/Wechselstrom-Um­ formers (2) und den Speicherkondensator (32, 32′) geschaltete Induktoreinheit (16) enthalten; und
wenigstens eine Entladeschaltung (14), die an denSpeicherkondensatoren (32, 32′) anliegt und über einen ersten und einen zweiten Anschluß mit einer Last verbindbar ist,
und die wenigstens einen Entladeinduktor (34, 34′) enthält, der zwischen eine Seite des Speicher­ kondensators (32, 32′) und den ersten Anschluß geschaltet ist, wobei die Ladeperiode des Speicherkondensators (32, 32′) kleiner ist als dessen Entladeperiode.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktoreinheit (44) in Reihe mit der Primärwicklung (24) des Leistungstransformators (22) geschaltet ist.

3. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktoreinheit (30, 30′) in Reihe mit der Sekundärwicklung (26, 26′) des Leistungstransformators (22) geschaltet ist.

4. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktoreinheit (16) zwischen die Sekundärwicklung (26, 26′) des Leistungstransformators (22) und den Wechselstrom/ Gleichstrom-Umformer (10) geschaltet ist.

5. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktoreinheit (16) zwischen den Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer (10) und den Ladekondensator (32, 32′) ge­ schaltet ist.

6. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wechselstrom/Gleichstrom- Umformer (10) wenigstens ein einseitig ge­ richtetes Element enthält.

7. Umformer nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das einseitig gerichtete Element eine Diode (28, 28′) ist.

8. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktoreinheit (16) wenigstens zwei auf einen gemeinsamen magnetischen Kern gewickelte Ladeinduktoren (52, 52′) enthält.