-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Stromfilterschaltung,
insbesondere eine verbesserte Stromfilterschaltung, die unter dem
Einfluss von Laständerungen
und Instabilitäten
einer Stromversorgung am Ausgang einen hervorragenden Leistungsfaktor
(Power Factor) weiterhin aufrecht erhalten kann.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Mit
dem Fortschritt in Wissenschaft und Technologie sind die Menschen
immer mehr abhängig
von elektrischer Energie, ja elektrische Energie stellt eine unverzichtbare
Ressource für
das moderne Leben dar. Zuvor waren die Menschen zufrieden, solange
keine Knappheit an elektrischer Energie bestand. Aufgrund des steigenden
Lebensstandards und Fortschritten der wissenschaftlich-technologischen
Industrie ist jedoch eine Stromversorgung von hoher Qualität das gemeinsame
Ziel von sämtlichen Ländern geworden.
In vielen Ländern
hat sich die herkömmliche
Industrie in eine Hochtechnologie-Industrie und Industrie mit hoher
Wertschöpfung
weiter entwickelt, was insbesondere bedeutet, dass zahlreiche Präzisionsgeräte extensiv
eingesetzt werden; deshalb haben sich auch die Anforderungen an
die elektrische Energie geändert
und außer
der Tatsache, dass die Nutzer immer größere Strommengen einkaufen,
schenken die Nutzer auch der Qualität der Stromversorgung große Beachtung.
Was die Strommenge anbelangt, so stellt die Errichtung einer großen Anzahl
von Kraftwerken nicht den einzigen Weg dar, um das Energieproblem
zu lösen;
größere Beachtung
des Leistungsfaktors (Power Factor) oder des Wirkungsgrads von verschiedenen
elektrischen Geräten
stellt ebenfalls eine wirkungsvolle Vorgehensweise dar. Augenblicklich
verwenden die meisten elektrischen Geräte unmittelbar oder mittelbar
einen Gleichstrom; aufgrund der Generatorsysteme und der Notwendigkeit
einer Weiterleitung des Stroms stellen Kraftwerke jedoch einen Wechselstrom
bereit. Deshalb müssen
die Nutzer einen Wechselstrom mit Hilfe eines Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandlers
in einen Gleichstrom transformieren. Aufgrund eines kostengünstigen
und einfachen Aufbaus ist der am häufigsten verwendete Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler
der Diodenbrücken-Gleichrichter,
der nur vier Dioden erfordert. Die 2 zeigt
die Spannungs-/Strom-Signalformen des Diodenbrücken-Gleichrichters. Dieser
Schaltungstyp hat den Nachteil, dass harmonische Komponenten des
Eingangsstroms und eine Phasendifferenz zwischen der Eingangsspannung
und dem Eingangsstrom auftreten; deshalb wird der Leistungsfaktor
herabgesetzt und gibt es eine erhebliche Verzerrung zwischen der
Signalform der Ausgangsspannung und der Signalform des Eingangsstroms,
was zu einer Instabilität
des Stromversorgungssystems oder sogar zu einer Unterbrechung der
Stromversorgung führen
wird. Aufgrund der Eigenschaften der internen Impedanz bzw. Geräteimpedanz
sind die Leistungsfaktoren von vielen elektrischen Geräten ziemlich klein;
Nutzer fordern jedoch Strom mit immer besserer Qualität; deshalb
wird die Verbesserung des Leistungsfaktors von Stromversorgungen
eine wichtige Aufgabe, so dass sich die Technologie auf Stromfilterschaltungen
für Stromversorgungen
fokussiert.
-
Die
Hauptfunktion einer Stromfilterschaltung besteht darin, Spannung
und Strom in eine gleiche Phase zu bringen, um zu bewirken, dass
eine Last wie ein Widerstand wirkt; die vorgenannte Funktion kann
mittels verschiedener Schaltungsdesigns realisiert werden, die in
passive Stromfilterschaltungen und aktive Stromfilterschaltungen
unterteilt werden können.
Beide werden nachfolgend beschrieben:
- (A) Passive
Stromfilterschaltungen: Die 3 zeigt
die Signalform von Strom und Spannung; eine passive Stromfilterschaltung
besteht hauptsächlich
aus passiven Elementen, beispielsweise Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten, und
wird dazu verwendet, um den Vorlauf oder das Nacheilen des Leistungsfaktors
zeitlich zu versetzen; wenn die Anforderungen an den Leistungsfaktor
nicht zu stringent sind, ist die Induktivität, die aus einer Mehrzahl von über einen
Spalt zu einander beabstandeten Silizium-Stahl-Blechen ausgebildet
ist, mit dem Eingangsanschluss in Reihe geschaltet oder wirkt eine
Induktivität
mit einem Kondensator zusammen, um einen LC-artigen oder p-artigen
Tiefpassfilter auszubilden; entsprechend den Resonanzknoten können die passiven
Stromfilterschaltungen ganz grob in abgestimmte Filter und gedämpfte Hochpassfilter unterteilt
werden; die üblichen
abgestimmten Filter können
in einfach abgestimmte Filter und doppelt abgestimmte Filter unterteilt
werden; die allgemeinen gedämpften
Hochpassfilter können
in primäre,
sekundäre,
ternäre
und C-artige gedämpfte
Hochpassfilter unterteilt werden; je niedriger die verwendete Frequenz
ist, desto größer ist
die erforderliche Induktivität;
falls beispielsweise die ATX Stromversorgung eines PCs eine passive
Filterschaltung ist, ist diese oftmals groß und schwer und beträgt der bestmögliche Leistungsfaktor
maximal etwa 70 %: für
strenge Anforderungen an den Leistungsfaktor ist der passive Stromfilter
nicht geeignet; sein größter Vorteil
besteht darin, dass nur eine einfache Schaltung benötigt wird,
und seine Nachteile sind eine Geräuscherzeugung, Schwingungen
im Betrieb und ein niedriger Wirkungsgrad bei der Energiewandlung.
- (B) Aktive Stromfilterschaltung; die 4 zeigt
die Signalformen von Spannung/Strom; die aktive Stromfilterschaltung
verwendet aktive Schaltelemente und passive Elemente, so dass die
Eingangsstrom-Signalform mit der Spannungssignalform zusammenfällt und
die Phasenverzerrung sowie die Verzerrung der Signalform des Stroms verschwindet;
auf diese Weise kann ein Leistungsfaktor von beinahe 100 % erzielt
werden; der aktive Stromfilter hat auch die Funktion, dass der Wert
der Ausgangsspannung moduliert wird, und sein Steuerchip kann auch
als zusätzliche
Energiequelle zur Versorgung von internen Chips der Stromversorgung
dienen; je nach der Art der Verbindung können die aktiven Stromfilterschaltungen
in aktive Parallelschaltungs-, Reihenschaltungs- und Reihenschaltungs-Parallelschaltungs-Stromfilterschaltungen
unterteilt werden; weil die aktive Stromfilterschaltung den Vorteil
einer kleinen Größe, eines
geringen Gewichts und eines hohen Leistungsfaktors aufweist, wird
dieser in großem
Umfange eingesetzt; aufgrund des komplizierten Aufbaus und der hohen
Kosten ist die aktive Stromfilterschaltung geeignet für 90–270V im
gesamten Bereich bzw. für
universelle Spannungen; augenblicklich verwendet die Stromversorgung
von aktiven PFC-Computern normalerweise ein Verstärkungs-Wandler-Design.
-
Zusammenfassend
haben die herkömmlichen
passiven und aktiven Stromfilterschaltungen von Stromversorgungen
jeweils Probleme bei der Erzeugung von Geräuschen, einem niedrigen Wirkungsgrad
und bei der Wandlung von elektrischer Energie und hinsichtlich der
Komplexität
der Schaltung, was diese für
den Einsatz ungeeignet macht.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung
des Leistungsfaktors vom Stromversorgungen, um elektrische Normen
zu erfüllen
und Herstellungskosten zu senken.
-
Um
die vorgenannten sowie weitere Aufgaben zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Stromfilterschaltung für Stromversorgungen vor, welche
die passive Stromfilterschaltung und die aktive Stromfilterschaltung
integriert bzw. miteinander kombiniert, wobei durch das Design der Schaltungsanordnung
die vorliegende Erfindung die Vorteile der passiven Stromfilterschaltung
und der aktiven Stromfilterschaltung miteinander kombiniert und
deren Nachteile vermeidet; die aktive Stromfilterschaltung kann
das Voreilen oder Nacheilen der Stromphase zeitlich versetzen, was
die passive Stromfilterschaltung nicht bewerkstelligen kann; die verbesserte
Stromfilterschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist leitend mit einem Gleichrichter verbunden, der Wechselstrom-Eingangsanschlüsse und
Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse
aufweist; zwei Filterkondensatoren sind mit den Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen des
Gleichrichters verbunden; eine Stromquellen-Filterschaltung, welche die Anschaltzeit
des Stroms, während
der der Gleichstrom von den Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen diese
beiden Filterkondensatoren auflädt,
verlängert, ist
an den Wechselstrom-Eingangsanschlüssen oder den Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen des
Gleichrichters vorgesehen; die Stromquellen-Filterschaltung umfasst
weiterhin: eine erste Leistungsfaktor-Regelschaltung, welche den
Effekt einer harmonischen Schwingung bewirkt, in Entsprechung zu
den Filterkondensatoren, so dass für eine erste verlängerte Strom-Anschaltzeit gesorgt
ist; sowie einen zweiten Leistungsfaktor-Regler, der eine hoch verstärkte Spannung
dazu verwendet, um die Filterkondensatoren zu zwingen, elektrische
Energie zu speichern, und welcher eine zweite verlängerte Strom-Anschaltzeit
aufweist, um die erste verlängerte
Strom-Anschaltzeit zu versetzen.
-
Figurenübersicht
-
1 ist
ein Schaltungsschema, das den Schaltungsaufbau gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
2 ist
eine Kurve, welche die Signalform des nicht modifizierten Systems
zeigt.
-
3 ist
eine Kurve, welche die Signalform des herkömmlichen Systems zeigt, das
mit einer Induktivität
modifiziert wurde.
-
4 ist
eine Kurve, welche die Signalform des herkömmlichen Systems zeigt, das
mit einem Spannungsverstärker
versetzt wurde.
-
5 ist
eine Kurve, welche die Signalform des Systems mit einem verbesserten
Leistungsfaktor gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
-
Wie
in der 1 gezeigt ist, umfasst die verbesserte Stromfilterschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung: eine Überlastschutz-Schaltung 11, eine
Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung 12,
eine erste Filterschaltung 13, eine erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14,
einen Gleichrichter 15, eine zweite Leistungsfaktor-Regelschaltung 16,
eine zweite Filterschaltung 17, eine Stromquellen-Treiberschaltung 18,
einen ersten Spannungstransformator 19, einen Ausgangsgleichrichter 20,
eine Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
eine VCC-Stromquellenschaltung 22 und Ausgangsfilterschaltungen 23, 24, 25.
Die erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14, bei der es
sich um eine Spulenwicklung handelt, widmet sich dem abfallenden
Stromspitzenwert und dem Nacheilen der Phase, das von der harmonischen
Schwingung herrührt,
die durch die Filterkondensatoren C5, C6 der zweiten Filterschaltung 17 erzeugt
wird. Es wird Bezug genommen auf die 2 und 3.
Die 2 ist eine Kurve, welche die Spannung-/Strom-Signalform des Systems
ohne die erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 zeigt.
Wie in der 2 gezeigt ist, ist der Spitzenwert
des Stroms b in einem vollständigen
Spannungszyklus a im Vergleich höher
und ist der Zyklus des Stroms b kleiner. Die 3 zeigt
die Spannung-/Strom-Signalform
des Systems, nachdem die erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 hinzu
gefügt
worden ist. Wie in der 3 gezeigt ist, ist die Strom-Anschaltzeit
des Stroms b' offensichtlich
verlängert
worden und ist der Spitzenwert des Stroms b' herabgesetzt worden, so dass eine erste
verlängerte
Strom-Anschaltzeit vorliegt.
-
Die
zweite Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 umfasst außerdem:
eine
eingangsseitige Spannungsverstärkungsschleife 162,
die außerdem
umfasst: eine Spannungsverstärkungs-Spulenwicklung
L2, einen Leistungstransistor Q3 und eine Diode D1, und diese wird
dazu verwendet, um die Ausgangsspannung von dem Gleichrichter 15 auf
den Nennwert anzuheben, mit dem die elektrische Energie in diesen
beiden Filterkondensatoren C5, C6 gespeichert werden kann, um das
Voreilen der Stromphase oder das Nacheilen der Stromphase zu versetzen,
welches Problem die erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 nicht
beheben kann, so dass stets ein Strom vorhanden ist, der während des
gesamten Spannungszyklus erzeugt wird, und die eingangsseitige Spannungsverstärkungsschleife 162 schiebt
die erste verlängerte
Strom-Anschaltzeit zeitlich nach vorne und schiebt die zweite verlängerte Strom-Anschaltzeit
zeitlich nach hinten;
eine Strom begrenzende Schutzschleife 163,
die dazu verwendet wird, um die Ausgangsleistung (Watt) der zweiten
Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 zu begrenzen;
eine Überspannungs-Schutzschleife 164,
die dazu verwendet wird, um die Ausgangsspannung der zweiten Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 zu
begrenzen;
eine Fehlerverstärkungsschleife 165,
die dazu verwendet wird, um die Anschlussspannungen der Filterkondensatoren
C5, C6 zu detektieren;
eine Leitungsstrom-Detektionsschleife 166,
die dazu verwendet wird, um den Strom zu detektieren, welcher die
Filterkondensatoren C5, C6 auflädt;
und
einen Pulsbreitenmodulations-Controller (PWM) 167, der
dazu verwendet wird, um das Ausgangssignal der eingangsseitigen
Spannungsverstärkungsschleife 162 zu
regeln.
-
Nachfolgend
wird der Betrieb der zweiten Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 beschrieben: wenn
eine Wechselspannung von den Stromanschlüssen 10 eingegeben
wird und diese durch die Überlastschutz-Schaltung 11,
die Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung 12, die erste Filterschaltung 13 und
die erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 fließt, wird
diese durch den Gleichrichter 15 gleichgerichtet (ansonsten
kann ein Gleichrichter auch zwischen den Stromquellenanschlüssen 10 und
der eingangsseitigen Spannungsverstärkungsschleife 162 angeordnet
sein); der Leistungstransistor Q3 der eingangsseitigen Spannungsverstärkungsschleife 162 hebt
die Spannung, die mittels des Gleichrichters 15 von der
Spannungsverstärkungs-Spulenwicklung
L2 ausgegeben wird, auf den Nennwert an; der Pulsbreitenmodulations-Controller 167 empfängt die
detektierten Parameter von der Strombegrenzungs-Schutzschleife 163,
der Überspannungs-Schutzschleife 164,
der Fehler-Verstärkungsschleife 165 und
der Leitungsstrom-Detektionsschleife 166 und nimmt dann
Vergleiche und Berechnungen vor, um die Arbeitsbandbreite auszuschöpfen, um
den Leistungstransistor Q3 so zu steuern, dass die von der zweiten
Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 ausgegebene
elektrische Energie innerhalb des spezifizierten Werts bzw. Bereichs
liegt.
-
Der
Prozess zum Erzeugen und Erfassen der Parameter wird nachfolgend
beschreiben:
- 1. Wenn die Leistung (Watt), die
von der zweiten Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 ausgegeben wird,
den ursprünglichen
Nennwert (weniger als 40 Watt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung) überschreitet,
wird die Strombegrenzungs-Schutzschleife 163 die Parameter
dieses Status von dem Widerstand R1 der eingangsseitigen Spannungsverstärkungsschleife 162 erfassen;
- 2. Wenn die Spannung die von der zweiten Leistungsfaktor-Regelschaltung 16 ausgegeben
wird, zu hoch ist, kann die Überspannungs-Schutzschleife 164,
die mit der Kathode der Diode D1 verbunden ist, diesen Spannungswert
detektieren;
- 3. Die Fehlerverstärkungsschleife 165 wird
dazu verwendet, um die Anschlussspannungen der Filterkondensatoren
C5, C6 zu detektieren; und
- 4. Wenn die Leitungsanschlussspannung die Anschlussspannung
der Filterkondensatoren C5, C6 erreicht, wird ein massiver Aufladungsstrom
erzeugt werden und wird die Leitungsstrom-Detektionsschleife 166 diesen
Leitungsstrom von dem Widerstand R2 detektieren.
-
Nachdem
die eingangsseitige Spannungsverstärkungsschleife 162 die
Nennspannung a und den Nennstrom b'' über die
Diode D1 mit den in der 4 gezeigten Signalformen aussendet,
wird der Strom dann über
eine Diode D2 an die zweite Filterschaltung 17 gesendet
werden, um die Filterkondensatoren C5, C6 der zweiten Filterschaltung 17 vollständig in Phase
aufzuladen; auf diese Weise wird die Phase des Stroms, welche die
erste Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 nicht ändern kann,
versetzt; die Signalform des versetzten Stroms c ist in der 5 gezeigt.
-
Die
Arbeitsspannung, die von der zweiten Filterschaltung 17 ausgegeben
wird, wird über
die Stromquellen-Treiberschaltung 18 in den Spannungstransformator 19 geschickt,
um darin in die Arbeitsspannungen mit unterschiedlichen Spannungen gewandelt
zu werden; die Arbeitsspannungen mit unterschiedlichen Spannungen
werden von dem Ausgangsgleichrichter 20 separat verarbeitet,
der mit der Sekundärseite
des Spannungstransformators 19 verbunden ist, und werden
dann jeweils durch ihre eigene Ausgangsfilterschaltung 23, 24 gefiltert
und dann ausgegeben. Die Arbeitsspannung wird auch zu der Strom-Rückkopplungsspannung 21 umgeleitet,
so dass in Entsprechung zu den Werten, die aus den Rückkopplungssignalen
berechnet werden, der Regel-IC 211 der Strom-Rückkopplungsschaltung 21 die
Arbeitsbandbreite der Gates der Leistungstransistoren Q1, Q2 modifizieren
kann und die Spannung, welche die Leistungstransistoren Q1, Q2 an den
Spannungstransformator 19 ausgeben, regeln kann. Der Regel-IC 211 wird
von der VCC-Spannungsschaltung 22 betrieben
und die VCC-Spannungsschaltung 22 wird weiter von einer
SV-Ausgangs-STB-Arbeitsspannung betrieben.
-
Zusammenfassend
kombiniert die verbesserte Stromfilterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
die Vorteile einer passiven Stromfilterschaltung und einer aktiven
Stromfilterschaltung und erfüllt
die Anforderungen der elektrischen Normen und ermöglicht eine
kleine Größe und geringe
Herstellungskosten.
-
Die
vorliegende Erfindung ist vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben worden; diese sollen jedoch nicht den Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung beschränken, vielmehr soll jede äquivalente
Modifikation und Variation gemäß dem allgemeinen
Lösungsgedanken
der vorliegenden Erfindung von dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung mit umfasst sein, wobei der Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung in den nachfolgend angeführten Schutzansprüchen festgelegt
sein soll.
-
Zusammenfassend
betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stromfilterschaltung,
die eine Stromversorgung mit einer passiven Stromfilterschaltung
und einer aktiven Stromfilterschaltung ermöglicht, wobei durch das Design
der Auslegung der Schaltung die vorliegende Erfindung die Vorteile
der passiven Stromfilterschaltung und der aktiven Stromfilterschaltung
miteinander kombiniert und deren Nachteile vermeidet; die aktive
Stromfilterschaltung kann ein Voreilen oder Nacheilen der Phase
des Stroms zeitlich versetzen, welche Aufgabe eine passive Stromfilterschaltung
nicht lösen
kann, und somit kann eine kostengünstige Stromfilterschaltung
mit einer überlegenen
Effizienz bereit gestellt werden.