DE19523576A1 - Netzteil mit leistungskorrigierter Umschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gleichspannungsnetzteile und insbesondere auf einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, in welchem der Wirkungsgrad des Netzteils verbessert wird durch Bereitstellen eines Rück­ laufwandlers, in dem ein erster Halbleiterschalter eine niedrigere Durchbruch­ spannung aufweist als ein zweiter Halbleiterschalter, und durch Reduzieren des Leistungsanteils, der in einer Nachregelungsvorrichtung bearbeitet wird.

Gleichspannungsnetzteile können eine Wechselspannung, wie sie z. B. in Netz­ spannungsleitungen von Energieversorgungsunternehmen auftreten, in eine Gleichspannung umwandeln und werden in dieser Funktion als Abzweig- Umschalter (oder Abzweig-Wandler) bezeichnet. Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis zwischen der eingegebenen Wirkleistung (Watt) und der eingege­ benen Scheinleistung (Volt-Ampere) und ist ein Maß für die Auslastung des Spannungsnetzes; es ist wünschenswert, daß dieser Faktor so nahe wie möglich bei 1 liegt. Herkömmliche Verfahren sind für Abzweig-Umschalter nicht anwendbar, da der von diesen Abzweig-Umschaltern gezogene Strom nicht sinusförmig verläuft. Typischerweise ziehen Abzweig-Umschalter den Eingangsstrom in Form von kurzen Impulsen mit hohen Spitzenwerten und der Leistungsfaktor kann erhöht werden durch Zerhacken des Netzstroms mit einer Frequenz, welche hoch ist im Vergleich zur Frequenz des Wechselspan­ nungseingangssignals. Durch Speichern von Energie in den Primärwindungen eines Transformators und Übertragen dieser Energie von Sekundärwindungen auf die Netzlast, so wie dies z. B. bei Verwendung eines elektronisch kontrol­ lierten Rücklaufwandlers der Fall ist, können Wellenformen von passender Größe und Gestalt erzeugt werden.

Fig. 1 zeigt einen leistungsfaktorkorrigierten Abzweig-Umschalter 10, welcher einen Gleichrichter 12 umfaßt zum Erzeugen einer vollweggleichgerichteten Wellenform aus einem Wechselspannungseingangssignal. Die gleichgerichtete Wellenform wird auf einen Rücklaufwandler 14 gegeben, um einen Gleichspan­ nungszwischenwert VI von vorbestimmter Höhe zu erzeugen (z. B. kann bei Eingabe von 120/240 V eine Zwischenspannung von 400 V erzeugt werden). Die Gleichspannung wird auf einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 16 gegeben, welcher die gesamte Ausgangsleistung verwendet, um die erwünschte Ausgangsspannung V2 (in diesem Beispiel 50 V) zu erzeugen. Eine Steuer­ schaltung 18 dient dazu, Strom und Spannung auf den Rücklaufwandler 14 zurückzukoppeln, um eine Regelung des ausgegebenen Gleichstroms sowie eine Kontrolle des Leistungsfaktors zu ermöglichen.

Der Rücklaufwandler 14 kann einen Transformator umfassen, welcher mit einer im Vergleich zur eingegebenen Wechselspannung hohen Frequenz betrieben wird. Der Transformator wird mittels Schaltern betrieben, wobei es sich um Halbleiterschaltelemente handeln kann, welche mit dem Eingang und dem Ausgang des Transformators verbunden sind und mit der benötigten Frequenz ein- bzw. ausgeschaltet werden. Wenn jedoch die gleichgerichtete Wechselspannung, welche von 0 bis zu einem Scheitelwert einer gleichgerich­ teten Wechselspannung variiert, auf den Transformator in Form einer Reihe von Hochfrequenzimpulsen gegeben wird, kann in der Streureaktanz sowie weiteren parasitären Reaktanzen gespeicherte Energie an den Schaltern während des Übergangs zum "Aus"-Zustand hohe Spannungen erzeugen. Wenn die Schalter Halbleiterelemente sind, so können diese hohen Spannungen die Durchbruchspannungen dieser Elemente übertreffen und die Schalter zerstören. Aus diesem Grund muß ein zusätzlicher Schutz für die Schalter bereitgestellt werden.

Fig. 2 zeigt zum Beispiel einen herkömmlichen Rücklaufwandler 20, wobei der Betrieb eines Transformators 22 durch Halbleiterschalter 24 sowie 26 gesteuert wird, welche Energie zur Speicherung in einer Induktivität 28 liefern. In diesem Beispiel sind Diodenspannungsklemmschaltungen 30 und 32 vorhanden, um die hohen Spannungen daran zu hindern, die Schalter 24 und 26 zu zerstören, wie in der Beschreibung des US-Patents Nr. 5 146 396 erläu­ tert.

Die in einem herkömmlichen Rücklaufwandler verwendeten Halbleiterschalter müssen der angelegten Netzspannung sowie zusätzlich der am Kondensator 132 zum Dämpfen von Einschwingvorgängen auftretenden Spannung zuzüg­ lich einem zusätzlichen Sicherheitszuschlag standhalten. Wird zum Beispiel bei dem in Fig. 2 gezeigten Stand der Technik der Schaltkreis mit einer Effek­ tivspannung von 480 V betrieben, müssen die Transistoren einer Spitzenspan­ nung von 480 V·2 = 679 V plus weiteren 100 bis 200 V, welche aus der im Kondensator 132 gespeicherten Energie resultieren und insgesamt 879 V ergeben, sowie einem zusätzlichen Sicherheitszuschlag widerstehen. Es müssen also zwei Halbleiterelemente bereitgestellt werden mit einer Durch­ bruchspannung von 879 V plus einem zusätzlichen Sicherheitszuschlag. Dabei sind in vielen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlern, insbesondere bei Hochfre­ quenzwandlern, die Schalter bevorzugterweise MOSFET-Bausteine.

Die in Netzteilen bisher verwendeten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler verar­ beiten 100% der Ausgangsleistung des Netzteils. Wenn zum Beispiel die Eingangsspannung 400 V beträgt, empfängt der Gleichstrom-Gleichstrom- Wandler eine Eingangsspannung von 400 V und wandelt sie in eine Ausgabe­ spannung von 50 V um. Das Umformen der gesamten Ausgangsleistung führt zu Wirkungsgradverlusten, welche nicht vermieden werden können, solange die gesamte Leistung umgesetzt wird.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Gleichspannungsnetz­ teil sowie ein Verfahren zur Spannungsumformung bereitzustellen, bei welchen einer der Halbleiterschalter im Rücklaufwandler eine niedrigere Durchbruchspannung hat als der andere Halbleiterschalter. Weiterhin sollen ein Gleichspannungsnetzteil sowie ein Verfahren zur Spannungsumformung bereitgestellt werden, bei welchen ein Schalter im Rücklaufwandler eine Durchbruchspannung aufweist, welche niedriger ist als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung und der andere Schalter eine Durchbruch­ spannung hat, welche gleich oder größer ist als der Scheitelwert der gleichge­ richteten Wechselspannung, wobei ein Schalter im Rücklaufwandler an eine Spannung angeklemmt ist, welche durch einen Nebenschlußregler zur Einstel­ lung einer bestimmten Spannung festgelegt ist. Weiterhin sollen ein Gleich­ spannungsnetzteil sowie ein Verfahren zur Spannungsumformung bereitgestellt werden, bei welchen ein Schalter im Rücklaufwandler an eine Spannung angeklemmt ist, welche durch einen Spannungsnebenschlußregler festgelegt ist, der eine Klemmspannung aufweist, die größer ist als das Produkt einer Ausgangsspannung des Transformators multipliziert mit dem Windungs­ zahlenverhältnis des Transformators und weniger als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung, wobei der Nachregler einen Bruchteil der Ausgangsspannung des Wandlers verarbeitet.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Gleichspannungsnetzteil zum Umwan­ deln einer Eingangswechselspannung zu einem erwünschten Gleichspannungs­ ausgangswert und umfaßt Gleichrichtervorrichtungen, um eine gleichgerich­ tete Wechselspannung bereitzustellen; einen Rücklaufwandler zum Bereit­ stellen eines Gleichspannungszwischenwerts, welcher kleiner oder größer ist als der erwünschte Gleichspannungsausgangswert, einen Nachregler zum Anheben des Gleichspannungszwischenwerts dieses Rücklaufwandlers auf den erwünschten Gleichspannungsausgangswert sowie Vorrichtungen zum Steuern dieses Wandlers.

Die Erfindung umfaßt weiterhin einen Rücklaufwandler für ein Gleichspan­ nungsnetzteil, in welchem eine gleichgerichtete Wechselspannung wahlweise durch einen ersten oder zweiten Schalter auf eine Primärwindung eines Trans­ formators gegeben wird um eine Gleichspannung an der Sekundärwindung des Transformators bereitzustellen, einen Rücklaufwandler, welcher eine erste Spannungsklemmschaltung umfaßt zum Anlegen einer Spannung an einem ersten Schalter, eine zweite Spannungsklemmschaltung zum Anlegen einer Spannung an einem zweiten Schalter sowie einen Spannungsregler zum Regeln einer Klemmspannung an der ersten Spannungsklemmschaltung auf einen Wert größer als das Produkt einer Ausgangsspannung des Transforma­ tors multipliziert mit der Windungszahlenverhältnis der Primär- und Sekun­ därwindungen und kleiner als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wech­ selspannung, so daß die maximal am ersten Schalter abfallende Spannung kleiner ist als die maximal am zweiten Schalter anfallende Spannung.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zum Umwandeln einer Wech­ selspannung in eine Gleichspannung, bei der eine gleichgerichtete Wechsel­ spannung wahlweise auf die Primärwindung eines Transformators gegeben wird, um eine Gleichspannung an der Sekundärwindung des Transformators zu erzeugen, wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen von ersten und zweiten Halbleiterschaltern, welche an der Primärwindung angeschlossen werden, um wahlweise die gleichgerichtete Wechselspannung auf die Primärwindung zu geben, wobei der erste Schalter eine Durchbruchspannung hat, welche kleiner ist als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung und der zweite Schalter eine Durchbruch­ spannung hat, welche größer ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung; und Anlegen einer Spannung am ersten Schalter mittels eines Spannungsreglers.

Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeich­ nungen; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Gleichstromnetzteils;

Fig. 2 das Schaltbild eines herkömmlichen Rücklaufwandlers;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Gleichspannungsnetzteils;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Rücklaufwandlers;

Fig. 5 einen Schaltplan, welcher die Bauteile zeigt, die in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform verwendet werden können;

Fig. 6 einen Schaltplan einer Ausführungsform eines Gleichrichters, eines Rücklaufwandlers und einer Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Schaltplan eines Potentialtransformators, welcher in der Steuer­ schaltung nach Fig. 6 verwendbar ist;

Fig. 8 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Nachreglers; und

Fig. 9 einen Schaltplan einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform 33 eines erfindungsgemäßen Gleichstrom­ netzteils, welches einen Gleichrichter 34 umfaßt zum Erzeugen einer vollweg­ gleichgerichteten Wellenform aus einem Wechselspannungseingangssignal. Das gleichgerichtete Signal wird auf einen Rücklaufwandler 35 gegeben, um einen Gleichspannungszwischenwert VI von vorbestimmter Höhe zu erzeugen, welcher niedriger oder größer ist als die erwünschte Ausgangsspannung (z. B. 90% der Ausgangsspannung). Ein zum Ausgang des Rücklaufwandlers 35 in Reihe geschalteter Nachregler 36 erhöht die Zwischenspannung VI auf den gewünschten Ausgangsspannungswert V2 durch Hinzufügen der erforderlichen Spannung. Falls zum Beispiel die erwünschte Ausgangsspannung V2 50 V beträgt, so beträgt VI 45 V und der Nachregler 36 fügt 5 V hinzu.

Die Steuerschaltung 37 dient dazu, Strom und Spannung auf den Rücklauf­ wandler 35 zurückzukoppeln, um eine Regelung des Gleichstromausgangs­ werts sowie des Leistungsfaktors zu ermöglichen.

Der Rücklaufwandler 35 kann zwei Halbleiterschalter umfassen, welche nicht notwendigerweise dieselbe Durchbruchspannung aufweisen, d. h. einer der Schalter kann eine deutlich niedrigere Durchbruchspannung aufweisen um hierdurch den Wirkungsgrad des Wandlers zu erhöhen. Der Schalter mit der niedrigeren Durchbruchspannung kann verwendet werden, da der Schalter an eine Spannung angeklemmt ist, die niedriger ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung. Die Klemmspannung kann mittels eines Nebenschlußreglers reguliert werden.

Fig. 4 zeigt einen Rücklaufwandler 40 mit einem Eingangsanschluß 42 zum Empfang eines gleichgerichteten Wechselspannungssignals von einem Gleich­ richter sowie einer gemeinsamen Leitung 44, welche Anschlüsse bereitstellt für den Rücklauf zu dem negativen Gleichrichteranschluß und einem Spannungs­ regler (dies wird weiter unten ausführlicher diskutiert). Die gleichgerichtete Wechselspannung wird auf einen Transformator 46 gegeben, dessen Primär­ windung zwischen Knotenpunkten 48 und 50 angeschlossen ist, und dessen Sekundärwindung mittels geeigneter Verbindungsschaltungen mit einem Nachregler verbunden ist, wie z. B. einem unten erläuterten Gleichrichter und Kondensator. Die Spannung zwischen den Knotenpunkten 48 und 50 kann so hoch sein wie der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung und die Spannung zwischen dem Knotenpunkt 50 und der gemeinsamen Leitung 44 kann so hoch sein, wie die zur Primärwindung zurückgeschickte Spannung (d. h. die Transformatorausgangsspannung multipliziert mit dem Transformator­ windungszahlenverhältnis) zuzüglich der durch die in der Streureaktanz des Transformators sowie anderen Streukomponenten in der Schaltung gespei­ cherten Energie erzeugte Spannung. Der Transformator 46 hat ein angemes­ senes Windungszahlenverhältnis um die erwünschte Gleichspannung an der Sekundärwindung bereitzustellen.

Der Rücklaufwandler 40 ist mit zwei Halbleiterschaltvorrichtungen versehen, um den Transformator mittels einer geeigneten Steuerschaltung zu steuern. Ein erster Schalter 52 verbindet wahlweise den Knotenpunkt 50 mit der gemeinsamen Leitung 44 und der zweite Schalter 54 verbindet wahlweise den Knotenpunkt 48 mit dem Eingangsverbindungspunkt 42. Jeder Schalter ist so angeklemmt, daß er gegen Hochspannungsstöße, welche zwischen den Knoten­ punkten 48 und 50 auftreten können, geschützt ist. Der erste Schalter 52 ist mit einer Klemmschaltung 56 an eine Spannung angeklemmt, welche größer ist als die reflektierte Spannung und kleiner als der Scheitelwert der Eingangs­ spannung. Ein Spannungsregler 58 kann bereit gestellt sein, um die Klemm­ spannung zu regeln. Der zweite Schalter 54 ist mit einer Klemmschaltung 60 an eine Spannung angeklemmt, welche gleich ist dem Scheitelwert der Span­ nung in der gemeinsamen Leitung 44. Der erste Schalter 52 kann eine niedri­ gere Durchbruchspannung als der zweite Schalter 54 aufweisen, da die am Schalter anliegende Spannung auf einen niedrigeren Spannungspegel geklemmt ist (entsprechend können der erste Schalter 52 und damit verbun­ dene Bauteile als "niedrigspannungsseitig" bezeichnet werden, und der zweite Schalter 54 und seine mit ihm verbundenen Bauteile als "hochspannungs­ seitig").

Der Rücklaufwandler 40 ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher dieselben Bezugs­ zeichen wie in Fig. 4 für entsprechende Bauteile verwendet sind. Die Schalter 52 und 54 können MOSFET-Bausteine sein mit Source- und Drain-Umschalt­ anschlüssen sowie Gate-Anschlüssen, welche an der Steuerschaltung einge­ klemmt sind. Die Klemmschaltungen 56 und 60 können Dioden sein, die wie gezeigt angeschlossen sind. Der Spannungsregler 58 kann ein Nebenschlußregler zum Erzeugen einer konstanten Spannung sein (z. B. einer Zenerdiode) oder ein serieller Durchlaßregler (nicht gezeigt) und kann parallel geschaltet sein mit einem Begrenzungskondensator 64. Der Transformator 46 kann eine Primärwindung 66 umfassen sowie eine isolierte Sekundärwindung 68. Ein Kondensator 70 zur Energiespeicherung, sowie ein Ausgangsgleich­ richter 72 können an der Ausgangsseite des Transformators vorhanden sein.

Während des Betriebs wird die anliegende Netzspannung gleichgerichtet und auf den Rücklaufwandler gegeben. Die Schalter 52 und 54 werden zum glei­ chen Zeitpunkt eingeschaltet (in den leitenden Zustand versetzt) und ausge­ schaltet (in den nicht leitenden Zustand versetzt), um wahlweise die einkom­ mende Netzspannung an der Primärwindung 66 anzulegen. Die Schaltfrequenz (EIN und AUS) ist wünschenswerterweise hoch im Vergleich zur Frequenz des Wechselstromeingangssignals; z. B. 100 kHz bei einem Eingangssignal von 120 Hz). Wenn die Schalter eingeschaltet sind fließt der Strom durch den Schalter 54 und durch die Primärwindung 66. Wenn die Schalter ausgeschaltet sind wechselt die Spannung an der Sekundärwindung ihre Polarität, während der Strom weiterhin fließt. Da die Windungen 66 und 68 miteinander gekoppelt sind, empfängt der Speicherkondensator 70 einen Strom, welcher dem in der Primärwindung 66 fließenden Strom multipliziert mit dem Windungszahlen­ verhältnis entspricht, wenn die Spannung der Ausgangsspannung zuzüglich dem Vorwärtsabfall des Ausgangsgleichrichters 72 entspricht. Zu dem Zeit­ punkt zu dem die Spannung in der Sekundärwindung 68 ihre Polarität wech­ selt, wechselt auch die Polarität der Spannung in der Primärwindung 66.

Die hochspannungsseitige Klemmschaltung 60 bestimmt den unteren Grenz­ wert für den Spannungsabfall am Schalter 54 dadurch, daß sie verhindert, daß die Spannung am Drain-Anschluß des hochspannungsseitigen Schalter 54 unter den Spannungswert auf der gemeinsamen Leitung abfällt. Somit sorgt die Klemmschaltung 60 dafür, daß am Schalter 54 höchstens die Versorgungs­ spannung anliegt.

Die niedrigspannungsseitige Klemmspannung 56 ist im leitenden Zustand, wenn die Spannung am Drain-Anschluß des niedrigspannungsseitigen Schal­ ters 52 die Klemmspannung des Nebenschlußreglers 58 am Begrenzungskon­ densator 64 übertrifft. Die Klemmspannung des Nebenschlußreglers 58 wird so eingestellt, daß sie über dem Wert der Ausgangsspannung multipliziert mit dem Transformatorwindungszahlenverhältnis liegt. Von der Klemmschaltung 56 wird Energie in Form einer Impulsfolge mit der Schaltfrequenz geliefert, wobei der dieser Impulsfolge entsprechende Strom begrenzt ist auf den Betriebsstrom der Spannungsversorgung. Die Stromimpulse von der Klemm­ schaltung 56 werden im Kondensator 64 gespeichert, welcher die Energie spei­ chert und gleichzeitig die Rate des Spannungsanstiegs am Kondensator begrenzt. Der Nebenschlußregler 58 führt Strom vom Kondensator 64 ab (z. B. auf Masse) und setzt ihn in Wärmeenergie um, um die Spannung am Konden­ sator auf einem vorbestimmten Maximalwert zu halten. Der Nebenschluß­ regler 58 zieht einen konstanten Strom aus dem Kondensator 64, welcher ungefähr dem Mittelwert des Stroms der angelegten Impulsfolge entspricht.

Der Schalter 52 kann eine niedrigere Durchbruchspannung aufweisen, da an ihm die niedrigere Klemmspannung anstelle des Scheitelwerts der Versor­ gungsspannung anliegt. Da die niedrigere Durchbruchspannung dafür sorgt, daß der Widerstand des Schalters 52 im leitenden Zustand verringert wird, wird der Wirkungsgrad des Wechselstromnetzteils verbessert.

Ein bevorzugte Ausführungsform des Gleichstromnetzteils ist in Fig. 6 bis 9 gezeigt. Fig. 6 zeigt einen Gleichrichter 80, welcher mit einem Rücklauf­ wandler 82 verbunden ist, der mittels einer Steuerschaltung 84 gesteuert wird. Der Betrieb des Rücklaufwandlers ist oben beschrieben worden und aus Gründen der Klarheit sind für ähnliche Bauteile im Rücklaufwandler 82 die Bezugszeichen beigehalten worden.

Die Steuerschaltung 84 kann auf Massepotential liegen und umfaßt einen herkömmlichen Leistungsfaktorregler 86, wie z. B. den Baustein UC 2854. Der Leistungsfaktorregler 86 kann "EIN"- und "AUS"-Befehle auf den hochspan­ nungsseitigen Treiber 88, sowie auf den niedrigspannungsseitigen Treiber 90 mittels eines Treibertransformators 92 geben um den Betrieb der hoch- und niedrigspannungsseitigen Schalter 54 und 52 zu steuern. Die Treiber 88 und 90 können herkömmliche Treiber sein (wie z. B. der Baustein HV 400). Der Leistungsfaktorregler 86 kann eine Spannungsrückkopplungsinformation aus dem Gleichspannungsausgangswert durch die Leitung 94 empfangen, sowie Stromrückkopplungsinformation aus der gemeinsamen Leitung 44 mittels eines Stromrückkopplungstransformators 96 und einer Leitung 98. Informa­ tion über den Wechselspannungsnetzeingangswert wird mittels eines Potenti­ altransformators 100 erhalten, der in Fig. 7 detaillierter gezeigt ist. Ein Begrenzungsnetzwerk 102 kann vorgesehen sein um Verzerrungen an den Flanken des Schaltsignals zu reduzieren.

Die Steuerschaltung 84 ist eine Korrekturschaltung für einen Betätiger zur Kontrolle des durchschnittlichen Dauerstrombetriebs, welche die Form der Spannungseingangssignale überwacht und die Ausgangsgleichspannung sowie den Strom in den Schaltern 52 und 54 abtastet. Die Schaltung 84 paßt den Arbeitszyklus der Schalter an, um den Ausgangsgleichstromspannungswert konstant zu halten und um in den Leitungen ein Stromsignal zu erzeugen, welches der Spannungssignalform in den Leitungen entspricht. Dies ermög­ licht es den Leitungsfaktor nahe bei 1 zu halten, und sorgt für geringe Verzer­ rungen in den Oberwellen.

Der in Fig. 3 gezeigte Nachregler 36 kann ein Zwischenverstärkungsregler sein, welcher eine Ausgangsspannung bereit stellt, die zum Ausgangssignal des Leistungsfaktorreglers hinzu addiert wird um die gewünschte Ausgangsspan­ nung zu erzielen. Die Ausgangsspannung bedarf gegebenenfalls der Anpassung aufgrund von Beschränkungen in der Bandbreite der Spannungssteuerschleife, dynamischen Schwankungen im Laststrom sowie der Verfügbarkeit des Ener­ giespeichers, und der Nachregler kann so ausgelegt sein, daß er den erwarteten Abgleichbereich umfaßt (d. h. 100%). Der Nachregler kann auch das Signal vom Rücklaufwandler glätten. Zum Beispiel kann der Rücklaufwandler eine relativ schmale Bandbreite aufweisen (z. B. 10 bis 15 Hz) und Aufladungen bei den Einschwingvorgängen sowie die Welligkeit der Oberschwingungen (z. B. 120 Hz) im Speicherkondensator 70 können für unerwünschte Schwankungen im Signal sorgen, welche durch den Nachregler reduziert werden können.

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Nachreglers 110 eines Gegentakt-Vorwärts-Wandlers mit einem Abwärtstransformator auf seiner Ausgangsseite um die Gleichspannung vom Rücklaufwandler auf eine erwünschte Größenordnung zu erhöhen. Beträgt z. B. die erwünschte Gleich­ spannung 50 V, so kann der Rücklaufwandler 45 V bereitstellen, welche im Nachregler auf 50 V erhöht werden. Der Nachregler 110 kann Gegentaktschalter 112 und 114 umfassen, welche an die Primärwindung des Abwärtstransformators 116 angeschlossen sind. Die Sekundärwindung des Transformators 116 ist mit einem Vollweggleichrichter 118 mittels einer Ausgangsfilterinduktivität 120 und eines Energiespeicherkondensators 122 an seiner Ausgangsseite angeschlossen. Die Steuerschaltung 123 kann geerdet sein.

Der Nachregler 110 hat eine größere Bandbreite als der Rücklaufwandler und ist somit in der Lage Spannungsstöße beim Einschalten sowie die Welligkeit der Oberschwingungen zu glätten. Weiterhin gilt, da der Nachregler nur einen kleinen Prozentsatz der Versorgungsspannung umwandelt (im oben genannten Beispiel 10%), daß der Wirkungsgrad des Nachreglers erhöht ist im Vergleich zu Systemen in welchen die gesamte Ausgangsleistung des Wandlers 5 durch den Nachregler aufbereitet wird. Der verbesserte Wirkungsgrad des Nachre­ glers führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Gleichspannungsversor­ gung (im oben genannten Beispiel zwischen 3 bis 5%).

In einer alternativen Ausführungsform kann die Steuerschaltung 84 im Gegen­ satz zu der in Fig. 6 gezeigten geerdeten Ausführungsform ungeerdet sein. In diesem Falle kann die durch die Leitung 94 auf den Leistungsfaktorregler 86 zurückgekoppelte Spannung verstärkt und mittels eines Opto-Isolators isoliert werden.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Transforma­ tors 46, welcher durch einen Transformator und eine Induktivität ersetzt werden kann, wie es in Fig. 2 beim Stand der Technik gezeigt ist. Wenn die vorliegende Erfindung dazu verwendet wird, den in Fig. 2 gezeigten Wandler nach dem Stand der Technik zu verbessern, so können die Klemmschaltung 32, die Diode 130 und der Kondensator 132 beim Stand der Technik entfernt werden. Eine Klemmschaltung 134 und ein Spannungsregler 136 gemäß der Erfindung können wie gezeigt verwendet werden.

Für den Dreiphasen-Betrieb können drei der obengenannten Schaltkreise miteinander verbunden werden und zwar ein Schaltkreis für jede Phase. Die Ausgangssignale der drei Schaltkreise können parallel geschaltet werden, wobei ein jeder ein Drittel des Ausgangsstroms aufbringt, oder sie können in Reihe geschaltet werden, wobei ein jeder ein Drittel der Ausgangsspannung aufbringt. Sowohl bei der Parallel- als auch bei der Reihenschaltung können separate Nachregler für jeden einzelnen Schaltkreis verwendet werden oder ein einzelner Nachregler kann für den zusammengeführten Ausgangswert verwendet werden.

Claims (10)

1. Gleichspannungsnetzteil zum Umwandeln einer Eingangswechsel­ spannung in einen gewünschten Gleichspannungsausgangswert, welches Gleichrichtvorrichtungen umfaßt, um ein gleichgerichtetes Wechselspannungs­ signal zu erzeugen; einen Rücklaufwandler zum Bereitstellen eines Gleich­ spannungszwischenwerts, welcher kleiner oder größer ist als der erwünschte Gleichspannungsausgangswert, einen Nachregler zum Anheben des Gleich­ spannungszwischenwerts von diesem Rücklaufwandler auf den gewünschten Gleichspannungsausgangswert sowie Vorrichtungen zum Regeln dieses Wand­ lers.

2. Gleichspannungsnetzteil nach Anspruch 1, wobei dieser Rücklauf­ wandler umfaßt:
einen Transformator mit Primär- und Sekundärwindungen zum Be­ reitstellen des Gleichspannungszwischenwerts an der Sekundärwindung des Transformators, und
erste und zweite Halbleiterschalter, welche mit der Primärwindung verbunden sind, um wahlweise die gleichgerichtete Wechselspannung auf die Primärwindung zu geben, wobei der erste Schalter eine Durchbruchspannung aufweist, welche kleiner ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechsel­ spannung, und wobei der zweite Schalter eine Durchbruchspannung aufweist, welche größer ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung.

3. Gleichspannungsnetzteil nach Anspruch 2, wobei der Rücklauf­ wandler umfaßt:
eine erste Spannungsklemmschaltung zum Anklemmen einer Span­ nung an den ersten Schalter;
eine zweite Spannungsklemmschaltung zum Anklemmen einer Span­ nung an den zweiten Schalter;
einen Spannungsregler zum Regeln einer Klemmspannung dieser er­ sten Spannungsklemmschaltung auf einen Wert größer als das Produkt aus dem Gleichspannungszwischenwert multipliziert mit dem Windungszahlenver­ hältnis der Primär- und Sekundärwindungen und weniger als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung, wobei die erste Spannungsklemm­ schaltung dazu verwendet wird, eine Spannung an diesen Schalter anzulegen, wobei der Spannungsregler zum Regeln der Klemmspannung der ersten Span­ nungsklemmschaltung verwendet wird und wobei der Spannungsregler die Klemmspannung der ersten Klemmspannungsschaltung auf einen Wert regu­ liert, welcher größer ist als das Produkt aus dem Gleichspannungszwi­ schenwert multipliziert mit dem Windungszahlenverhältnis der Primär- und Sekundärwindungen und weniger als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung.

4. Rücklaufwandler für ein Gleichspannungsnetzteil, in welchem eine gleichgerichtete Wechselspannung wahlweise durch einen ersten sowie einen zweiten Schalter an der Primärwindung eines Transformators bereitgestellt wird, um an der Sekundärwindung des Transformators eine Gleichspannung zu erzeugen, wobei der Rücklaufwandler umfaßt:
eine erste Klemmspannungsschaltung zum Anklemmen einer Span­ nung am den ersten Schalter;
eine zweite Klemmspannungsschaltung zum Anklemmen einer Span­ nung am zweiten Schalter; und
einen Spannungsregler zum Regeln einer Klemmspannung dieser er­ sten Klemmspannungsschaltung auf einen Wert größer als das Produkt einer Ausgangsspannung des Transformators multipliziert mit dem Windungszah­ lenverhältnis der Primär- und Sekundärwindungen und weniger als der Schei­ telwert einer gleichgerichteten Wechselspannung, so daß die am ersten Schal­ ter maximal anliegende Spannung kleiner ist als die am zweiten Schalter ma­ ximal anliegende Spannung.

5. Rücklaufwandler nach Anspruch 4, wobei ein Kondensator parallel geschaltet ist zum Spannungsregler, dieser Spannungsregler in Serie geschal­ tet ist mit der ersten Klemmspannungsschaltung und die Schalter Halbleiter­ schalter sind, wobei der erste Schalter eine Durchbruchspannung hat, welche niedriger als die Durchbruchspannung des zweiten Schalters ist und wobei die­ se zweite Klemmspannungsschaltung eine Klemmspannung aufweist, welche gleich ist dem Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung.

6. Gleichspannungsnetzteil, in welchem eine gleichgerichtete Wechsel­ spannung wahlweise angelegt wird an die Primärwindung eines Transforma­ tors, um eine Gleichspannung an einem Gleichrichterfilter an der Sekundär­ windung des Transformators bereitzustellen, wobei das Netzteil umfaßt:
einen ersten sowie zweiten Halbleiterschalter, welcher mit der Primärwindung verbunden ist, um wahlweise eine gleichgerichtete Wechsel­ spannung auf die erste Windung zu geben, wobei dieser erste Schalter eine Durchbruchspannung hat, welche niedriger ist als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung und der zweite Schalter eine Durchbruch­ spannung hat, welche größer ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung,
eine erste Klemmspannungsschaltung zum Anklemmen einer Span­ nung am ersten Schalter, und
einen Spannungsregler zum Regeln der Spannung an der ersten Klemmspannungsschaltung.

7. Gleichspannungsnetzteil nach Anspruch 6, wobei der Spannungs­ regler die Klemmspannung der ersten Klemmspannungsschaltung auf einen Wert reguliert, welcher größer ist als das Produkt einer Ausgangsspannung des Transformators multipliziert mit dem Windungszahlenverhältnis der Primär- und Sekundärwindungen und weniger als der Scheitelwert der gleichgerichte­ ten Wechselspannung, wobei der Spannungsregler ein Nebenschlußregler ist und eine Steuerschaltung umfaßt zum Betreiben des ersten und zweiten Schal­ ters, wobei die Steuerschaltung auf Massepotential betrieben wird und ein Nachregler mit einem Gegentaktwandler mit einem Abwärtstransformator an seinem Ausgang angebracht ist zum Anheben oder Absenken einer Ausgangs­ spannung der Sekundärwindung des Transformators durch Hinzufügen einer Spannung.

8. Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleich­ spannung, wobei eine gleichgerichtete Wechselspannung wahlweise auf die Primärwindung eines Transformators gegeben wird, um eine Gleichspannung an der Sekundärwindung des Transformators bereitzustellen, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines ersten und zweiten Halbleiterschalters, welche an die Primärwindung angeschlossen sind, um wahlweise eine gleichgerichtete Wechselspannung auf die Primärwindung zu geben, wobei der erste Schalter eine Durchbruchspannung aufweist, welche kleiner ist als der Scheitelwert ei­ ner gleichgerichteten Wechselspannung, und der zweite Schalter eine Durch­ bruchspannung aufweist, welche größer ist als der Scheitelwert der gleichge­ richteten Wechselspannung;
Anklemmen einer Spannung an den ersten Schalter mittels eines Spannungsreglers.

9. Verfahren zum Bereitstellen eines gewünschten Gleichspannungs­ ausgangssignals von einer Eingangswechselspannung, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer gleichgerichteten Wechselspannung sowie eines Gleichspannungszwischenwerts, welcher kleiner oder größer ist als der ge­ wünschte Gleichspannungsausgangswert;
Anheben oder Absenken des Gleichspannungszwischenwerts von die­ sem Rücklaufwandler auf den gewünschten Gleichspannungsausgangswert, Hinzufügen eines Transformators mit Primär- und Sekundärwindun­ gen,
Anlegen des Gleichspannungszwischenwerts an einen Gleichrich­ ter/Filter an der Sekundärwindung des Transformators,
Anschließen eines ersten und zweiten Halbleiterschalters an die Pri­ märwindung zum selektiven Bereitstellen der gleichgerichteten Wechselspan­ nung an der Primärwindung, wobei der erste Schalter eine Durchbruchspan­ nung aufweist, welche niedriger als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung ist, und der zweite Schalter eine Durchbruchspannung auf­ weist, welche größer ist als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechsel­ spannung.

10. Verfahren nach Anspruch 8, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Anklemmen einer Spannung am ersten Schalter,
Anklemmen einer Spannung am zweiten Schalter, und
Regeln der angeklemmten Spannung am ersten Schalter auf einen Wert größer als das Produkt aus dem Gleichspannungszwischenwert multipli­ ziert mit dem Windungszahlenverhältnis der Primär- und Sekundärwindungen und niedriger als der Scheitelwert einer gleichgerichteten Wechselspannung.