CH688066A5

CH688066A5 - Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler nach dem Buck-/Boost-Prinzip.

Info

Publication number: CH688066A5
Application number: CH64094A
Authority: CH
Inventors: Ray Dr Rinley; Siegfried Dipl-Ing Kern; Berthold Dr-Ing Fuld
Original assignee: Ascom Frako Gmbh Stromversorgu
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1997-04-30

Description

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CH 688 066 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrom/Gleich-strom-Wandler nach dem Buck-/Boost-Prinzip entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler sind in verschiedenen Bauarten bekannt. Man unterscheidet z.B. entsprechend der englischsprachigen Terminologie Buck- und Boost-Konverter. Es ist weiter die Kombination eines Buck- und eines Boost-Konver-ters entsprechend Fig. 1 bekannt, der die Eigenschaft aufweist, bei einfacher Bauweise das speisende Wechselstromnetz unabhängig von der jeweiligen Wandler-Leistung stets einigermassen ohmisch zu belasten. Dies bedeutet, dass der aus dem Netz bezogene Strom stets phasengleich und proportional zur sinusförmigen Spannung des Netzes ist. Hierdurch werden Oberwellen und andere Störungen auf dem Netz weitgehend vermieden.

Aus Schmidtner, Busch, «Off-Line Power Supply with Sinusoidal Input Current and Active Limit to the Inrush Current», Proceedings of the PCIM '91 Conference, pp. 231-244 ist die Steuerung eines derartigen Buck-/Boost-Konverters bekannt. Fig. 2 zeigt diese Steuerung als Stand der Technik. Die Steuerung arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation und weist eine Analog-Schaltung zur Bildung einer einzigen Stellgrösse des Regelkreises auf. Die Stabilität dieser Analog-Schaltung ist beschränkt und insbesondere für Anlagen höherer Leistung bzw. bei Hochleistungsanlagen unakzeptabel.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ersatzweise eine Schaltung anzugeben, die den Stabill-täts-Anforderungen von Hoch-Leistungs-Wandlern nach dem Buck-/Boost-Prinzip genügt.

Diese Aufgabe wird gemäss der Kennzeichnung von Anspruch 1 gelöst.

Im folgenden wird der genannte Stand der Technik und die Erfindung anhand von vier Figuren beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines Wechselstrom/Gleich-strom-Wandlers (Stand der Technik)

Fig. 2 Schaltbild einer Steuerungseinheit

Fig. 3 Schaltbild einer zweiten Steuerungseinheit

Fig. 4 Schaltbild eines Differenzverstärkers für die zweite Steuerungseinheit.

Fig. 1 zeigt als Stand der Technik das Schaltbild eines Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 11 nach dem Buck-/Boost-Prinzip. Dieser Wandler 11 weist einen Brückengleichrichter 13 auf, der über ein Filter 15 an ein z.B. öffentliches Wechselstromnetz 17 angeschaltet ist. Dem Gleichrichter 13 nachgeschaltet ist ein erster Schalter 21, eine Induktionsspule 23, eine Gleichrichterdiode 25 und ein Glättungs-kondensator 27. Der Wandler 11 besitzt weiter einen zweiten Schalter 31 und eine Freilaufdiode 33. Die zu speisende Last 29 liegt parallel zum Glät-tungskondensator 27. Ist der erste Schalter 21 generell geschlossen und arbeitet der Wandler 11 über den zweiten Schalter 31, dann liegt die Arbeitsweise eines Boost-Konverters vor. Ist dagegen der zweite Schalter 31 generell offen, dann arbeitet der Wandler 11 mittels des ersten Schalters 21 als

Buck-Konverter. Bei beiden Arbeitsweisen erfolgt die Regelung der Ausgangspannung U des Wandlers 11 über eine Steuerungseinheit 41 mit Regelkreisen. Diese Einheit ist über Verbindungen 45, 46 mit den Schaltern 21 bzw. 31 verbunden und steuert diese nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation von Ein- und Ausschaltintervallen an.

Fig. 2 zeigt eine erste derartige Steuerungseinheit 41. Diese Einheit 41 besitzt drei Eingänge 42-44 und die zwei genannten Ausgänge 45, 46. Sie umfasst einen Multiplizierer 48, ein Tiefpassfilter 50, einen Differenzverstärker 52 und zwei Pulsweitenmodulatoren 55, 56. Der Multiplizierer 48 ist mit den Eingängen 42, 43 verbunden. Sein Ausgang 49 bildet den einen Eingang des Differenzverstärkers 52. Der dritte Eingang 44 ist über das Tiefpassfilter 50 mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 52 verbunden. Der Ausgang 53 dieses Verstärkers 52 bildet einen Eingang der beiden Pulsweitenmodulatoren 55, 56. Die anderen Eingänge der Pulsweitenmodulatoren 55, 56 sind mit Rampengeneratoren 57, 58 verbunden. Diese Generatoren erzeugen Sägezahnspannungen gleicher Frequenz, jedoch unterschiedlicher Spannungsbereiche. Beispielsweise reicht die Sägezahnspannung des einen Generators 57 von 1V bis 3V und diejenige des Generators 58 von 3V bis 5V.

Die (erste) Steuerungseinheit 41 arbeitet wie folgt: Der Multiplizierer 48 erhält über seine Eingänge 43, 42 ein Sinussignal, das vom Wechselstromnetz 17 abgeleitet ist und ein Ist-Signal, abgeleitet von der Ausgangsspannung U des Wandlers 11. Er bildet aus diesen beiden Signalen ein erstes Referenzsignal T, das über die Verbindung 49 dem Differenzverstärker 52 zugeführt wird. Dieser Verstärker 52 vergleicht das Referenzsignal T mit einem dritten Eingangssignal auf Eingang 44, das dem Leitungsstrom im Wandler 11 proportional ist. Es lässt sich entweder durch einen Abgriff am Gleichspannungspol des Brückengleichrichters 13 oder am einen Eingangspol des Wechselstromnetzes 17 abgreifen. Das Tiefpassfilter 50 dient dabei zur Unterdrückung eventueller höherfrequenter Störspannungen auf dem Netz.

Das Differenzsignal am Ausgang 53 des Verstärkers 52 bildet die Stellgrösse S zur Einstellung der jeweiligen Pulsweite der Modulatoren 55 und 56. Hierzu werden die beiden Rampenhöhen ständig mit der Stellgrösse S verglichen. Bei Gleichheit der Signale ergibt sich jeweils ein Schaltsignal am Ausgang 45 bzw. 46 der Pulsweitenmodulatoren 55 und 56. Diese Signale schalten die Schalter 21 bzw. 31. Der Rampen-Takt bestimmt damit die Schaltfrequenz, die Höhe der Rampen, welcher der Schalter 21, 31 jeweils geschaltet wird. Die Steilheit der Rampen bestimmt schliesslich die Phase bzw. die Pulsweite.

Fig. 3 zeigt eine zweite, verbesserte Steuerungseinheit 141. Diese Einheit weist zusätzlich zu den beschriebenen Einheiten der Steuerungseinheit 41 einen weiteren Differenzverstärker 62 auf, der zwischen den beschriebenen Differenzverstärker 52 und die Pulsweitenmodulatoren 55, 56 eingefügt ist. Diesem weiteren Differenzverstärker 62 wird über einen vierten Eingang 40 ein weiteres Ist-Signal i2

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zugeführt, das proportional zum Strom durch die Induktionsspule 23 des Wandlers 11 ist. Er gibt an seinem Ausgang 54 ein Regelsignal R ab, das den beiden Pulsweitenmodulatoren 55, 56 zugeführt wird.

Die Sägezahnspannung am einen Rampengenerator 57 geht von O V aus und reicht bis zur einem Maximalwert von VT. Die Sägezahnspannung am anderen Rampengenerator 58 reicht von VT bis zu einem höheren Wert. Je nach der Spannung am Ausgang des Wandlers 11 (Spannung U), der Spannung am Brückengleichrichter 13 (Eingangsspannung) und den momentanen Sägezahnspannungen arbeitet der Wandler 11 als Buckzelle oder als Boostzelle. Dieser Wechsel erfolgt in jeder Halbperiode des Netzes 17 zweimal.

Es werden zwei Stromsignale als Eingangsgrös-sen für die Steuerungseinheit 141 verwendet. Das erste Stromsignal ii ist proportional zum aus dem Netz 17 gezogenen Strom und wird mit Vorteil am einen Pol des Brückengleichrichters 13 abgegriffen, d.h. am Punkt 64 (Fig. 1), der mit dem Eingang 44 der Steuerungseinheit 141 verbunden ist. Das zweite Stromsignal h wird am Punkt 60 abgegriffen und ist proportional zum Strom durch die Induktionsspule 23. Es wird dem Eingang 40 der Steuerungseinheit 141 zugeführt.

Die Steuerungseinheit 141 regelt den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 11 so, dass bei konstanter Ausgangsspannung U und unabhängig von der jeweiligen Leistung der Last 29 das Netz 17 ständig optimal sinusförmig belastet wird. Damit entspricht der Wandler 11 in seinem Verhalten und nach aussen einem ohmschen Verbraucher.

Fig. 4 zeigt ein detailliertes Schaltbild für den Differenzverstärker 62. Dieser besteht aus zwei Operationsverstärkern 71, 72, die in Reihe geschaltet und durch Widerstände 73, 74, 75, 76 sowie Kondensatoren 77, 78 rückgekoppelt sind. Dieser Aufbau vermindert die Verzerrungen der Signale im Wandler 11.

Es ist schliesslich noch zu bemerken, dass die Schalter 21, 31 als Schalttransistoren ausgebildet sind. Um bei Schalter 21 besonders gute Schalteigenschaften und geringen Durchlasswiderstand zu haben, besteht dieser Schalter 21 aus der Parallelschaltung eines MOSFET- und eines Bipolar-Lei-stungselementes.

Claims

Patentansprüche

1. Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (11) nach dem Buck/Boost-Prinzip

- mit einem an ein Wechselstromnetz (17) angeschlossenen Brückengleichrichter (13),

- mit zwei steuerbaren Schaltern (21, 31),

- mit einer Induktionsspule (23), einer Gleichrichterdiode (25), einer Freilaufdiode (33) und einem Glät-tungskondensator (27), und

- mit einer Steuerungseinheit (41, 141) zum Bilden von Schaltsignalen zum parallelen Ansteuern der zwei Schalter (21, 31),

- wobei als Ist-Grössen ein vom Wechselstromnetz (17) abgeleitetes Sinussignal, ein erstes Stromsignal (ii), das dem in der Last (29) fliessenden

Strom proportional ist, und ein von der Ausgangsspannung (U) abgeleitetes Spannungssignal dienen, und

- wobei zwei parallel arbeitende Rampengeneratoren (57, 58) und zwei Pulsweitenmodulatoren (55, 56) zusammen mit einem aus den Ist-Grössen gebildeten Regelsignal (S) die Schaltsignale bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzverstärker (62) vorgesehen ist, an dessen einem Eingang das von den genannten Ist-Grössen abgeleitete Regelsignal (S) angelegt ist, und an dessen anderem Eingang als weitere Ist-Grösse ein zweites Stromsignal (Ì2) angelegt ist, das proportional zum Strom durch die Induktionsspule (23) ist, und dass der Ausgang des Differenzverstärkers (62) an jeweils einen der Eingänge der Pulsweitenmodulatoren (55, 56) angeschlossen ist.

2. Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (62) aus zwei in Serie geschalteten, über Widerstände (74, 75, 76) und Kondensatoren (77, 78) rückgekoppelten Operationsverstärkern (71, 72) gebildet ist.

3. Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgreifpunkt (60) für das zweite Stromsignal (b) in der Verbindung zwischen dem einen Schalter (31) und der Freilaufdiode (33) angeordnet ist.

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