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Die
Erfindung betrifft einen Energiewandler der im Oberbegriff von Anspruch
1 beschriebenen Art.
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US-A-5.650.694
beschreibt eine Lampensteuerungseinheit mit einer Lampenstatusdetektion und
einer Sicherheitselektronik. Ein Vorschaltgerät enthält eine Sicherheitselektronik,
die den Lampenstatus über
verschiedene Phasen des Vorschaltgerätebetriebs erfasst. Gemäß einem
Merkmal wird verhindert, dass das Vorschaltgerät eine Ausgangsspannung beim
anfänglichen
Einschalten des Vorschaltgerätes
abgibt, wenn an den Ausgangsklemmen keine Lampe vorhanden ist. Das
Vorhandensein eines Glühdrahtes
wird über
einen Gleichstrompfad erfasst, der durch die Glühdrahtheizwicklungen eines Ausgangstransformators
verläuft.
Wenn der Gleichstrompfad unterbrochen ist, wird ein Steuereingang, beispielsweise
der Stromversorgungseingang der Vorschaltgerätesteuerung, nicht mit einer
Spannung versehen, um den Betrieb des Vorschaltgerätes zu starten.
Der Gleichstrompfad wird auch verwendet, um das Vorschaltgerät erneut
zu starten, wenn eine defekte Lampe durch eine funktionierende Lampe
ersetzt worden ist. Die Detektion von Überspannung und kapazitivem
Betrieb wird ebenfalls offenbart, um bei einem Versagen oder Entfernen
der Lampe das Vorschaltgerät
abzuschalten.
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Ein
Energiewandler der im Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen Art
ist unter anderem an sich aus
US
5.075.599 und
US 5.696.431 bekannt.
In diesem Wandler ist die Last häufig
ein Gleichrichter, und die Energiequelle ist eine Gleichspannungsquelle.
Zusammen mit der Last hat der Energiewandler die Aufgabe, eine Eingangsgleichspannung
der Energiequelle in eine Ausgangsgleichspannung der Last umzuwandeln.
Die Last kann jedoch auch eine andere Einrichtung umfassen als den
Gleichrichter, welche Einrichtung mit einer Wechselspannung gespeist
wird. Der Energiewandler kann daher unter anderem aus einem Gleichspannungswandler
und einem Wechselrichter bestehen.
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Für einen
zufriedenstellenden Betrieb des Energiewandlers ist es wichtig,
dass die Schalter zum Erzeugen des Wechselstroms zum richtigen Zeitpunkt
ein- und ausgeschaltet werden. Die Frequenz, bei der die Schalter
ein- und ausgeschaltet werden, definiert die Betriebsart des Wandlers.
Wenn die Frequenz genügend
hoch ist, arbeitet der E nergiewandler in einer regulären induktiven
Betriebsart. In dieser Betriebsart eilt die Phase des durch die
Primärseite
des Transformators fließenden
Stroms der Phase der Spannung am Knotenpunkt nach. Nachdem ein stromleitender
Schalter geöffnet
worden ist und nachdem die Diode des anderen Schalters mit dem Leiten
des Stroms begonnen hat, kann der andere Schalter geöffnet werden.
In diesem Fall treten keine Schaltverluste auf. Das Zeitintervall,
in dem beide Schalter geöffnet
sind, wird als Nichtüberlappungszeit
bezeichnet.
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Der
Wandler arbeitet in der nahezu kapazitiven Betriebsart, wenn die
Schaltfrequenz der Schalter und damit die Frequenz des durch die
Primärseite des
Transformators fließenden
Wechselstroms auf einen Punkt abgenommen hat, wo der Wechselstrom zumindest
nahezu mit dem Wechselstrom am Knotenpunkt in Phase ist. Nachdem
der stromführende Schalter
geöffnet
worden ist und bevor die Diode, die antiparallel zum anderen Schalter
geschaltet ist, zu leiten beginnt, wird die Richtung des durch die
Primärseite
des Transformators fließenden
Stroms umgekehrt. Wenn in diesem Fall der andere Schalter geschlossen
wird, erfolgt hartes Schalten. Das bedeutet, dass Schalten zu einem
Zeitpunkt erfolgt, wenn am betreffenden Schalter eine Spannungsdifferenz vorliegt.
Dies wird zu Schaltverlusten führen.
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Der
Wandler arbeitet in der kapazitiven Betriebsart, wenn die Frequenz,
bei der die Schalter geschaltet werden, weiter auf einen Punkt abgenommen
hat, wo der durch die Primärseite
des Transformators fließende
Wechselstrom mit der Spannung am Knotenpunkt in Phase ist oder sogar
in der Phase voreilt. Auch in dieser Betriebsart treten die Schaltverluste
auf.
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Im
Allgemeinen ist es wünschenswert,
dass der Energiewandler in der induktiven Betriebsart arbeitet.
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Die
bekannten Detektionsmittel werden häufig verwendet, um zu verhindern,
dass der Energiewandler in der nahezu kapazitiven Betriebsart oder
in der kapazitiven Betriebsart arbeitet. Wenn die nahezu kapazitive
Betriebsart detektiert worden ist, kann die Steuereinrichtung die
Frequenz, bei der die Schalter geschaltet werden, erhöhen, sodass
sicher ist, dass der Wandler wieder in der induktiven Betriebsart
zu arbeiten beginnt. Die Frequenz kann in einer Anzahl kleiner Schritte
pro Zyklus des Wandlers erhöht
werden oder in einem einzigen großen Schritt, wobei dieses davon
abhängig
ist, ob entweder die nahezu kapazitive Betriebsart oder die kapazitive
Betriebsart detektiert worden ist.
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Nach
dem Stand der Technik sind zwei Verfahren zum Detektieren der (nahezu)
kapazitiven Betriebsart bekannt. Als Erstes ist bekannt, dass die
Detektionsmittel anhand des während
der Nichtüberlappungszeit
durch den Wandler fließenden
Stroms oder anhand der Polarität
des Stroms des Wandlers ermitteln, ob der Wandler in der nahezu
kapazitiven Betriebsart arbeitet. Dieses Verfahren ist aus dem US-Patent
5.075.599 bekannt. In der nahezu kapazitiven Betriebsart ist dieser
Strom im Vergleich zu diesem Strom in der induktiven Betriebsart
klein. In der kapazitiven Betriebsart ist die Polarität des Stroms der
Polarität
des Stroms in der induktiven Betriebsart entgegengesetzt. Daher
wird häufig
die Amplitude des Stroms während
der Nichtüberlappungszeit
mit dem Bezugswert zum Ermitteln, ob der Energiewandler in der (nahezu)
kapazitiven Betriebsart arbeitet, verglichen.
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Zweitens
ist bekannt, eine Stromspitze an dem Kondensator zu detektieren,
der zwischen dem Knotenpunkt und beispielsweise einer der Klemmen der
Energiequelle eingebaut ist. Dieses Verfahren ist aus dem US-Patent
5.696.431 bekannt. Wenn eine solche Stromspitze auftritt, ist dies
ein Zeichen, dass der Energiewandler hart schaltet und daher in
der (nahezu) kapazitiven Betriebsart arbeitet.
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Die
bekannten Techniken verschaffen die Möglichkeit, zu detektieren,
ob der Wandler in der kapazitiven Betriebsart oder in der nahezu
kapazitiven Betriebsart arbeitet. Einer der wichtigsten Gründe, um
dafür zu
sorgen, dass der Energiewandler nicht in der (nahezu) kapazitiven
Betriebsart arbeitet, ist die Verlustleistung, die infolge von hartem
Schalten in den Schaltern auftritt. Hartes Schalten kann in der
Tat mit Hilfe der bekannten, oben beschriebenen Techniken minimiert
werden. Mit Hilfe der bekannten Techniken kann daher verhindert
werden, dass hartes Schalten auftritt, weil im Fall einer Detektion
der kapazitiven oder nahezu kapazitiven Betriebsart die Frequenz
des Energiewandlers so angepasst wird, dass der Wandler wieder in
der induktiven Betriebsart zu arbeiten beginnt.
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Ein
Nachteil des bekannten Verfahrens, in dem der durch den Wandler
fließende
Strom oder die Polarität
des durch den Wandler fließenden
Stroms während
der Nichtüberlappungszeit
bestimmt wird, ist, dass die Steuereinrichtung die Frequenz in solcher
Weise anpasst, dass der Energiewandler reichlich in der induktiven
Betriebsart zu arbeiten beginnt, wenn die Detektionsmittel dieser
Steuereinrichtung detektieren, dass der Energiewandler in der kapazitiven
Betriebsart oder nahezu kapazitiven Betriebsart arbeitet. In diesem
Zusammenhang bedeutet reichlich, dass die Frequenz mehr als notwendig
erhöht wird,
um dafür
zu sorgen, dass der Wandler in der induktiven Betriebsart arbeitet.
Dies bedeutet wiederum, dass der Bereich der Leistung, die der Last
zugeführt
werden kann, unnötigerweise
begrenzt wird.
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Das
Verfahren, in dem eine Stromspitze detektiert wird, ist nur geeignet,
um hartes Schalten als solches zu detektieren. Es ist nicht möglich, die
Amplitude des harten Schaltens zu bestimmen. Hartes Schalten erfolgt
nämlich,
wenn ein Schalter zu dem Zeitpunkt geschlossen wird, zu dem noch
keine Spannungsdifferenz am Schalter anliegt. Diese Spannungsdifferenz
ist ein Maß für das harte
Schalten. Je größer die
Spannungsdifferenz, desto härteres
Schalten erfolgt und desto größer sind
die Schaltverluste in den Schaltern. Aus diesem Grund ist das letztgenannte
Verfahren nur geeignet, um, wenn hartes Schalten detektiert worden
ist, die Frequenz in solcher Weise anzupassen, dass der Schalter
wieder in der induktiven Betriebsart wirksam wird. Es geht nicht
um eine Feinregelung, bei der der Schalter gerade eben in die induktive
Betriebsart gebracht werden kann, ohne die Frequenz in unnötig hohem
Maße zu
erhöhen.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen Energiewandler zu verschaffen,
mit dem auf Wunsch die beschriebenen Nachteile vermindert werden
können.
Die Erfindung beruht auch auf der Erkenntnis, dass es ein großer Vorteil
ist, wenn es möglich
ist, die Amplitude beim harten Schalten zu bestimmen. Vorstehendes
bedeutet, dass es wünschenswert
ist, die Spannung an einem Schalter kurz vor dem Zeitpunkt zu ermitteln,
zu dem er geschlossen wird. In diesem Fall ist ermöglicht worden,
auf Wunsch auf Basis dieser Information eine Regelschleife zu erzeugen,
welche Regelschleife die genannte Spannungsdifferenz an dem betreffenden Schalter
in einer Rückkopplungsschaltung
zum Steuern der Frequenz nutzt, bei der die Schalter des Energiewandlers
geschaltet werden. Mit anderen Worten, es kann eine Regelschleife
erzeugt werden, um die Frequenz des von dem Energiewandler in dem Transformator
erzeugten Wechselstroms zu regeln. Somit kann die Frequenz des Energiewandlers
so geregelt werden, dass am Schalter zu dem Zeitpunkt, zu dem er
geschaltet wird, nur eine kleine Spannungsdifferenz anliegt, sodass
in der induktiven Betriebsart Schalten nahe der Grenze der nahezu
kapazitiven Betriebsart erfolgt. Dadurch wird erreicht, dass die
Ausgangsleistung des Wandlers einen maximalen Bereich hat. Daher
ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zum Generieren des
Detektionssignals die Detektionsmittel ausgebildet sind, um einen
Spannungssprung zu detektieren, der an einem Knotenpunkt zwischen
dem ersten und dem zweiten Schalter auftritt, wenn der erste oder
der zweite Schalter geschlossen ist.
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Da
gemäß der Erfindung
der Spannungssprung gemessen wird, kann sehr genau ermittelt werden,
wie weit der Energiewandler in der kapazitiven Betriebsart oder
der (nahezu) kapazitiven Betriebsart arbeitet. Da die Betriebsart,
in der der Energiewandler arbeitet, genau bekannt ist, kann die
Frequenz des Energiewandlers daher sehr genau und wunschgemäß angepasst
werden.
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Insbesondere
gilt, dass der Wert des Detektionssignals ein Maß für den Wert des Spannungssprungs
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausarbeitung der Erfindung gilt, dass die Detektionsmittel
zum Generieren des Detektionssignals ausgebildet sind, um einen am
Knotenpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter auftretenden
Spannungssprung zu detektieren, wenn der erste oder der zweite Schalter
geschlossen wird. Das Detektionssignal kann dann von der Spannung
Vdiv oder einer hiermit zusammenhängenden Größe gebildet werden. Insbesondere gilt,
dass die Schaltfrequenz, bei der der erste und der zweite Schalter
geschaltet werden, durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit
vom Detektionssignal eingestellt wird. Diese Einstellung kann so
sein, dass die Frequenz in der induktiven Betriebsart wirksam ist,
jedoch grenzend an die nahezu kapazitive Betriebsart. In diesem
Fall hat die Leistung, die von dem Energiewandler abgegeben werden
kann, einen maximalen Bereich. Hierzu ist insbesondere die Steuereinrichtung
eingerichtet, um im Betrieb die Schaltfrequenz so einzustellen,
dass der Wert von Vdiv einen ausgewählten relativ kleinen Wert
erreicht.
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Im
Betrieb wird die Steuereinrichtung den Kurzschlussschalter erneut öffnen, nachdem
die Abtast- und Halteschaltung die Spannung Vdiv ermittelt hat.
Die Abtast- und
Halteschaltung hält
vorzugsweise die Spannung Vdiv fest, bis der neue Wert von Vdiv
ermittelt wird. Das Detektionssignal ist daher vorzugsweise gleich
dem aktuellsten Stromwert von Vdiv.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
mögliche
Ausführungsform
eines Energiewandlers;
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2 ein
Schaltbild des Energiewandlers von 1, in dem
auf einer Sekundärseite
des Transformators des Energiewandlers liegende Bauteile zu einer
Primärseite
des Transformators transformiert worden sind;
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3a verschiedene
Spannungen und Ströme
des Energiewandlers von 1, wenn dieser Wandler in der
induktiven Betriebsart arbeitet;
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3b verschiedene
Spannungen und Ströme
des Energiewandlers von 1, wenn dieser Wandler in der
nahezu kapazitiven Betriebsart arbeitet;
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3c verschiedene
Spannungen und Ströme
des Energiewandlers von 1, wenn dieser Wandler in der
kapazitiven Betriebsart arbeitet;
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4 eine
mögliche
Ausführungsform
eines Teils der Steuereinrichtung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers;
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5 ein
Strom- und Spannungsdiagramm, um den Betrieb der Steuereinrichtung
zu erläutern, wenn
der Energiewandler in der induktiven Betriebsart arbeitet, grenzend
an die nahezu kapazitive Betriebsart.
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Das
Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet eine
mögliche
Ausführungsform
eines Energiewandlers. Dieser Energiewandler kann in Form eines
Energiewandlers nach dem Stand der Technik und als erfindungsgemäßer Energiewandler
vorliegen. Der nach dem Stand der Technik arbeitende Energiewandler
soll als Erstes besprochen werden.
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In
dieser Ausführungsform
ist der Energiewandler 1 als resonanter Halbbrückenwandler
ausgeführt.
Der Energiewandler 1 ist ausgebildet, um einer Last Zload' elektrische Energie
aus einer Energiequelle Vs zuzuführen,
in dieser Ausführungsform aus
einer Gleichstrom-Energiequelle. In dieser Ausführungsform erzeugt die Energiequelle
Vs eine Gleichspannung Vo. Der Energiewandler umfasst einen Transformator
T mit einer Primärseite
Tp und einer Sekundärseite
Tc. Darüber
hinaus umfasst der Energiewandler einen ersten steuerbaren Halbleiterschalter
Sh und einen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter S1, die miteinander
in Reihe geschaltet sind. Der erste Schalter Sh und der zweite Schalter S1
sind bei einem Knotenpunkt K miteinander verbunden. Der erste und
der zweite Halbleiterschalter Sh und S1 können beispielsweise ein Transistor,
ein Thyristor, ein MOSFET usw. sein. Der erste Schalter Sh ist antiparallel
zu einer Substratdiode d1 geschaltet. Der zweite Schalter S1 ist
antiparallel zu einer Substratdiode d2 geschaltet. Der Knotenpunkt
K ist über
eine Spule L1 mit der Primärseite
Tp des Transformators T verbunden. Der Energiewandler umfasst darüber hinaus
eine Kapazität
C1, wobei die Spule L1, die Primärseite
Tp und die Kapazität
C1 in Reihe zueinander geschaltet sind. Bei dieser Ausführungsform
ist die Kapazität
C1 zwischen die Primärseite
Tp des Transformators T und Masse geschaltet. In dieser Ausführungsform
ist eine Seite der Stromversorgungsquelle Vs auch mit Masse verbunden.
Es ist jedoch auch möglich,
die Kapazität
C1 mit der Seite der Stromversorgungsquelle Vs zu verbinden, die
nicht mit Masse verbunden ist.
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Der
Energiewandler umfasst darüber
hinaus eine Kapazität
C2', die parallel
zu der Last Zload' auf der
Sekundärseite
des Transformators 2 geschaltet ist. Die Last Zload' kann eine Einrichtung
sein, die bei einer Wechselspannung arbeitet. Diese Einrichtung kann
ihrerseits beispielsweise ein Gleichrichter zum Erhalten einer Gleichspannung
sein.
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Der
Energiewandler umfasst weiterhin eine Kapazität Chb, die so angeordnet ist,
dass sie den Wert einer Änderung
der Spannung am Knotenpunkt K pro Zeiteinheit glättet. In dieser Ausführungsform ist
die Kapazität
Chb zwischen den Knotenpunkt K und Masse geschaltet. Die Kapazität Chb kann
jedoch auch zwischen den Knotenpunkt K und die Seite der Stromversorgungsquelle
Cs geschaltet sein, die nicht mit Masse verbunden ist. Auch kann
die Kapazität
Chb im Prinzip aus einer parasitären
Kapazität
von Elementen des Energiewandlers bestehen.
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Der
Energiewandler ist darüber
hinaus mit einer Steuereinrichtung Cnt zum Steuern des ersten und
des zweiten Schalters Sh, S1 über
Zuführungen 12
bzw. 13 versehen. Die Steuereinrichtung Cnt definiert somit die
Zeitpunkte, zu denen der erste und der zweite Schalter Sh und S1
geöffnet
und geschlossen werden. In dieser Ausführungsform ist ein Eingang der
Steuereinrichtung mit dem Knotenpunkt K über eine Zuführung 11
verbunden.
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Wenn
die Kapazität
C2' und die Last
Zload' in bekannter
Weise zur Primärseite
des Transformators T transformiert werden, wird ein Ersatzschaltbild
des Energiewandlers von 1 erhalten, wie in 2 gezeigt
wird. Die Spule L2 ersetzt den Transformator T, die Kapazität C2 ersetzt
die Kapazität
C2' und Zload ersetzt
die Last Zload'.
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2 zeigt
einige Ströme
und Spannungen, die nachstehend erläutert werden sollen. Die Spannung
Vhb am Knotenpunkt K ist bei normalem Gebrauch eine Rechteckwelle.
Zum Berechnen der Übertragungscharakteristiken
kann eine erste harmonische Näherung
verwendet werden, bei der nur die Grundfrequenz betrachtet wird.
Die höheren
Harmonischen können
vernachlässigt
werden, weil die Frequenzen dieser Komponenten weit von der Resonanzfrequenz
des Energiewandlers entfernt sind. Außerdem gilt, dass der Beitrag
dieser höheren
Harmonischen zum Ausgangssignal (Zload) vernachlässigbar sind.
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Wenn
der Kondensator C1 einen genügend großen Wert
hat, kann er auch vernachlässigt
werden. Wenn Zload eine unendlich große Impedanz hat, gilt für die Resonanzfrequenz:
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In
diesem Fall ist Lp eine Parallelschaltung der Spulen L1 und L2:
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In
der Praxis wird Zload jedoch eine endliche Impedanz sein, was zu
einer Verschiebung der Resonanzfrequenz führt.
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3a zeigt
die Wellenformen, wenn der Energiewandler in der induktiven Betriebsart
arbeitet. Hierin ist Hs Gate das Schaltsignal, das an den ersten
Schalter Sh angelegt wird. Wenn dieses Schaltsignal hoch ist, ist
der Schalter Sh geschlossen, d.h. leitend. Das Signal Hs Gate wird
von der Steuereinrichtung Cnt an den zweiten Schalter S1 angelegt. Daraus
ergibt sich, dass niemals beide Schalter gleichzeitig geschlossen
sind. Wenn dieses der Fall wäre,
würde ein
Kurzschluss auftreten. Die Bedeutung der anderen Signale ergibt
sich direkt aus 3a. In der induktiven Betriebsart
eilt die Phase des Stroms Iind der (Grundwelle der) Spannung Vhb der
Halbbrückenschaltung
nach, d.h. in dieser Ausführungsform
der Spannung an dem Knotenpunkt K. Die Grundwelle der Spannung Vhb
wird in dem Iind-Diagramm durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Nachdem der leitende Schalter (beispielsweise der erste Schalter
Sh) zum Zeitpunkt t0 geöffnet
worden ist, wird der Strom Iind den Kondensator Chb laden. Nachdem
anschließend
die Substratdiode (d2) des anderen Schalters (dies ist der Schalter
der nicht gerade geöffnet
worden ist) zu leiten beginnt, kann dieser andere Schalter S1 zum
Zeitpunkt t1 geschlossen werden. Es liegt dann keine wahrnehmbare
Spannung an diesem Schalter an. In diesem Fall treten keine Schaltverluste
auf. Das Intervall t0–t1,
in dem beide Schalter geöffnet
sind, wird in diesem Fall als Nichtüberlappungszeit bezeichnet.
Dieses Phänomen
wiederholt sich mit invertierten Spannungen und Strömen, wenn
der Schalter S1 zum Zeitpunkt t2 geöffnet wird und der Schalter
Sh zum Zeitpunkt t3 geschlossen wird, während die Substratdiode d1 Strom
führt.
Die Nichtüberlappungszeit
ist das Intervall t2–t3.
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In 3a ist
mittels Hs/Ls Fet und Ls Diode dargestellt, dass, wenn Iind größer ist
als 0, der Strom Iind durch den Schalter Sh, den Schalter S1 oder
die antiparallel zum Schalter S1 geschaltete Diode d2 fließt. Ebenso
wird mit Hs/Ls Fet und Hs diode angegeben, dass, wenn der Strom
Iind kleiner ist als 0, dieser Strom durch den Schalter Sh, den
Schalter S1 oder die antiparallel zum Schalter Sh geschaltete Diode
d1 fließt.
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3b zeigt
die Diagramme von 3a, wenn die Schaltfrequenz
des Energiewandlers auf einen Punkt abgenommen hat, bei dem der
Strom Iind nahezu mit der (Grundwelle der) Spannung Vhb in Phase
ist, aber noch immer induktiv. Nachdem der leitende Schalter Sh
oder S1 geöffnet
worden ist, wird der Strom Iind beginnen, die Kapazität Chb zu laden,
aber bevor die Diode (d1 oder d2) des anderen Schalters zu leiten
beginnt, wird die Richtung des Stroms Iind umgekehrt. Zu dem Zeitpunkt,
zu dem die Richtung des Stroms Iind umgekehrt wird, ist die Steigung
von Vhb gleich 0. Wie deutlich aus 3b ersichtlich,
ist die Spannung Vhb am Knotenpunkt K zum Zeitpunkt t1 kleiner als
die Stromversorgungsspannung Vs, die an den Schalter Sh angelegt
wird. Mit anderen Worten, am Schalter Sh liegt eine Spannung an.
Wenn danach der Schalter Sh zum Zeitpunkt t1 geschlossen wird (Hs
gate wird hoch), erfolgt hartes Schalten, bei dem Schaltverluste
auftreten. Die Spannung am Schalter Sh verschwindet innerhalb eines
Bruchteils einer Sekunde und die Spannung am Knotenpunkt K und die
Spannung Vhb springen auf den Wert der Stromversorgungsspannung
der Stromversorgung Vs. Dies führt
zu einer kurzdauernden Stromspitze von Ichb nach dem Zeitpunkt t1,
wie in 3b gezeigt wird. Dieses Phänomen wiederholt
sich, wenn der Schalter Sh zum Zeitpunkt t2 geöffnet wird und wenn danach
der Schalter S1 zum Zeitpunkt t3 geschlossen wird, nachdem die Nichtüberlappungszeit
t3–t2
verstrichen ist. Hartes Schalten erfolgt auch, wenn der Schalter
S1 geschlossen ist. Die in 3b beschriebene
Betriebsart wird als die nahezu kapazitive Betriebsart bezeichnet.
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In
den in 3c gezeigten Diagrammen wird die
Frequenz des Energiewandlers auf einen Punkt herabgesetzt, bei dem
der Strom Iind mit der (Grundwelle der) Halbbrückenspannung Vhb in Phase ist oder
selbst der Halbbrückenspannung
in Phase voreilt. In diesem Fall wird der Kondensator Chb überhaupt
nicht aufgeladen. Dies wird aus 3c deutlich,
in der die Spannung Vhb zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 gleich
0 bleibt. Wenn der Schalter Sh daher zum Zeitpunkt t1 geschlossen
wird, liegt an diesem Schalter eine Spannungsdifferenz an, die gleich
der Stromversorgungsspannung Vo ist. Beim Schließen des Schalters Sh erfolgt
somit wieder hartes Schalten und es treten Schaltverluste auf.
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Die
Soll-Betriebsart, in der der Energiewandler arbeitet, ist die Betriebsart
gemäß 3a,
in der der Strom Iind induktiv ist und Schaltverluste minimal sind.
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In
diesem Fall ist erwünscht,
dass die Frequenz des Energiewandlers nicht unnötig groß gewählt wird, um den Energiewandler
in der induktiven Betriebsart arbeiten zu lassen. Der Bereich der
Leistung, die von dem Energiewandler an die Last abgegeben werden
kann, würde
hierdurch unnötigerweise begrenzt.
Der Energiewandler arbeitet daher vorzugsweise in der induktiven
Betriebsart, grenzend an die nahezu kapazitive Betriebsart. Die
Steuereinrichtung Cnt, die hierzu verwendet werden kann, wird anhand
von 4 beschrieben. Die Steuereinrichtung umfasst zwei
in Reihe geschaltete Kapazitäten
Cb und Cs, die zwischen den Knotenpunkt K und ihre Bezugsspannung
geschaltet ist, in diesem Beispiel Masse. Die Steuereinrichtung
umfasst auch einen Kurzschlussschalter S1, der parallel zur Kapazität Cb geschaltet
ist. Die Steuereinrichtung umfasst weiterhin eine Abtast- und Halteschaltung
S&H zum Messen
einer Spannung Vdiv an der Kapazität Cb. Das Ausgangssignal der
Abtast- und Halteschaltung S&H wird
einem Prozessor P2 zugeführt.
Der Prozessor P2 erzeugt Steuersignale an Zuführungen 12 und 13 zum Öffnen und
Schließen
der Schalter Sh bzw. S1. Der Prozessor P2 erzeugt auch Steuersignale
zum Öffnen
und Schließen
des Schalters S1 an der Zuführung
14. Der Prozessor P2 erzeugt auch Steuersignale an der Zuführung 15
zum Steuern der Abtast- und Halteschaltung S&H.
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Die
Kapazitäten
Cb und Cs, der Schalter S1, die Abtast- und Haltespannung S&H und der Prozessor
P2 bilden zusammen Detektionsmittel zum Generieren eines Detektionssignals
(hier das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung S&H), wenn der Energiewandler
in der kapazitiven oder nahezu kapazitiven Betriebsart arbeitet.
Zum Generieren des Detektionssignals sind die Detektionsmittel ausgebildet, einen
beim Schließen
des ersten oder des zweiten Schalters am Knotenpunkt K zwischen
dem ersten und dem zweiten Schalter S1 und Sh auftretenden Spannungssprung
zu detektieren. Der Wert des Detektionssignals ist in diesem Beispiel
dann ein Maß für den Wert
des Spannungssprungs. Die Detektionsmittel arbeiten folgendermaßen (siehe 4 und 5).
In dieser Ausführungsform
wird die Funktionsweise der Detektionseinrichtung für eine positive Steigung
von Vhb beschreiben. Die Einrichtung kann jedoch auch im Fall einer
negativen Steigung von Vhb verwendet werden.
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Am
Ende einer leitenden Periode wird zum Zeitpunkt t0 der Schalter
S1 geöffnet.
Der Schalter S1 ist dann geschlossen, sodass die Kapazität Cb in einem
ungeladenen Zustand bleibt.
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In
der induktiven oder nahezu kapazitiven Betriebsart ist der Strom
Iind zu diesem Zeitpunkt negativ. Daher werden die Kapazitäten Chb
und Cs geladen. Nachdem die Kapazität Chb auf die Spannung V0 geladen
worden ist, wird die Diode d1 zu leiten beginnen, und der Schalter
Sh kann zum Zeitpunkt t1 geschlossen werden. Dieser Schalter wird
in bekannter Weise von dem Prozessor P2 betätigt. Wenn jedoch der Schalter
Sh geschlossen wird, schließt
der Prozessor P2 gemäß der Erfindung
auch den Schalter S1. Da in der induktiven Betriebsart zu diesem Zeitpunkt
die Spannung am Knotenpunkt K zumindest nahezu gleich der Spannung
von V0 der Stromversorgungsquelle ist, tritt kein hartes Schalten
auf. Mit anderen Worten, die Spannungsänderung dVhb/dt ist zu dem
Zeitpunkt, zu dem der Schalter Sh geschlossen wird, zumindest nahezu
gleich 0 (siehe auch 5). Dies bedeutet wiederum,
dass die Kapazität
Cb nicht geladen wird.
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In
der nahezu kapazitiven Betriebsart ist der Strom Iind zu dem Zeitpunkt,
zu dem der Schalter S1 geschlossen wird (siehe auch 3b)
negativ. Der Strom Iind ändert
jedoch das Vorzeichen, bevor die Spannung Vhb den Wert von V0 erreicht.
In dieser Betriebsart wird die Spannung Vhb selbst im Allgemeinen
den Wert von V0 nicht erreichen und wird nach dem Erreichen eines
maximalen Wertes, der kleiner ist als V0, sogar abnehmen. Dieser
Zeitpunkt, der Zeitpunkt, zu dem dVhb/dt einen Extremwert erreicht,
wird in bekannter Weise von der Steuereinrichtung Cnt detektiert.
Es ist beispielsweise bekannt, die Steuereinrichtung mit Mitteln
zu versehen, um den Wert einer Größe, die mit dem Wert einer
Spannungsänderung
pro Zeiteinheit am Knotenpunkt K des ersten und des zweiten Schalters
zusammenhängt
oder gleich diesem Wert ist, zum Bestimmen der Schaltzeitpunkte
des ersten und des zweiten Schalters mit einem Schwellenwert zu
vergleichen. Insbesondere wird der Zeitpunkt t1, zu dem der andere
Schalter (hier das Schalter S1) geschlossen werden muss, durch Messung
des durch eine Kapazität des
Energiewandlers fließenden
Stroms bestimmt, welche Kapazität
in dem Energiewandler in solcher Weise eingebaut ist, dass sie den
Wert der Spannungsänderung
am Knotenpunkt pro Zeiteinheit verringert. Dieser Schalter wird
zu dem Zeitpunkt geschlossen, zu dem der Wert dieses Stroms abnimmt und
gleich einem relativ kleinen positiven Schwellenwert wird. Gemäß einer
praktischen Ausarbeitung wird der Schaltzeitpunkt t1 ermittelt,
indem mit Hilfe eines Komparators die am Strommesswiderstand anliegende
Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Dieser Messwiderstand
kann mit der genannten Kapazität
in Reihe geschaltet sein oder er kann über einen kapazitiven Stromteiler
in dem Wechselstrompfad aufgenommen sein.
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Es
ist auch möglich,
dass zum Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Strom Iind invertiert
wird und dVhb/dt einen Extremwert erreicht, andere Verfahren verwendet
werden. Welches Verfahren auch verwendet wird, zu diesem Zeitpunkt
t1 schaltet der Prozessor P2 den Schalter S1 in solcher Weise, dass
er geöffnet
wird. Der Prozessor P2 sorgt auch dafür, dass der Schalter Sh gleichzeitig
geschlossen wird. Daher werden sowohl die Kapazität Chb und
die in Reihe geschalteten Kapazitäten Cs und Cb auf die Stromversorgungsspannung
V0 über
den Schalter Sh geladen. Daher wird an der Kapazität Cb eine
Spannung Vdiv auftreten. Diese Spannung wird von der Abtast- und
Halteschaltung S&H
abgetastet. Die Abtast- und Halteschaltung S&H erzeugt eine Ausgangsspannung Vcap,
die gleich der gerade ermittelten Spannung Vdiv ist und die ein
direktes Maß für die am Schalter
Sh zu dem Zeitpunkt, zu dem er geschlossen wird, anliegende Spannung
ist. Vcap ist somit ein Maß für den Spannungssprung,
der am Knotenpunkt K auftritt, wenn der Schalter Sh geschlossen
wird, und daher ist diese Spannung eine gute Anzeige für die (nahezu)
kapazitive Betriebsart.
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Die
Spannung Vcap, die das zuvor erwähnte Detektionssignal
bildet, das ein Maß für den Wert
des Spannungssprungs am Knotenpunkt K beim harten Schalten ist,
wird dem Prozessor P2 zugeführt.
Der Prozessor P2 kann beispielsweise so angepasst sein, dass er
die Schaltfrequenz der Schalter Sh und S1 regelt und damit die Frequenz
des Wechselstroms Iind in solcher Weise in Bezug auf Vcap, dass der
Energiewandler in der induktiven Betriebsart arbeitet, grenzend
an die nahezu kapazitive Betriebsart. Hierzu regelt der Prozessor
P2 die Frequenz, bei der die Schalter Sh und S1 geschaltet werden,
so, dass Vcap und damit Vdiv auf einen zuvor bestimmten relativ
kleinen positiven Wert gesteuert werden. Die Schalter Sh und S1,
die Kapazitäten
Cb und Cs, der Schalter S1, die Abtast- und Halteschaltung S&H sowie der Prozessor
P2 bilden eine Rückkopplungsschaltung,
die die Frequenz in solcher Weise regelt, dass Vcap einen positiven
Wert hat und null so dicht wie möglich
nähert,
wozu sie in diesem Beispiel auf den genannten zuvor bestimmten Wert
gesteuert wird. All dies wird in 5 gezeigt. 5 zeigt,
wie der Wert von Vcap mit dem Wert der Spannung an dem betreffenden
Schalter (beim harten Schalten) und dem Wert von Vdiv zusammenhängt. Die
Frequenz, bei der die Schalter Sh und S1 in diesem Fall in 5 geschaltet
werden, ist eine Frequenz, bei der der Wandler an der Grenze zwischen
der kapazitiven Betriebsart und der nahezu kapazitiven Betriebsart
arbeitet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt.
Beispielsweise kann die Frequenz in vollständig analoger Weise auf Basis einer
negativen Steigung dVhb/dt geregelt werden. Die Spannung Vdiv, die
dann detektiert wird, wird einen negativen Wert haben. Der Wert
von Vcap wird auch negativ sein. Die Rückkopplungsschleife muss dann
dafür sorgen,
dass Vcap dann einen minimalen absoluten Wert hat. Es ist natürlich auch
möglich,
gleichzeitig auf den positiven Wert von Vcap und auf den negativen
Wert von Vcap zu regeln. In diesem Fall ist die Regelung so, dass
der absolute Wert von Vcap minimal wird. Diese Regelung kann auch
in einer Vollbrückenschaltung verwendet
werden. In diesem Fall hat der Wandler vier Schalter, die gleichzeitig
paarweise angeordnet sind.
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Der
Zeitpunkt, zu dem die Schalter Sh und S1 geschlossen werden müssen, kann
auch in einer anderen Weise ermittelt werden als zuvor beschrieben.
Es ist beispielsweise möglich,
dass die Steuereinrichtung Cnt auch ausgebildet ist, um einen erreichten
maximalen Wert einer gegebenen Größe zu ermitteln, in diesem
Fall den durch die Kapazität
Chb fließenden
Strom Ichb, wobei anschließend
ein Schwellenwert auf Basis dieses ermittelten maximalen Wertes
ermittelt wird. Insbesondere kann der Schwellenwert gleich einem
Faktor gewählt
werden, der K-mal dem maximalen Wert von Ichb ist, wobei K einen
Wert hat, der zwischen 1 und 0 liegt. Die Steuereinrichtung ist
dann mit Mitteln versehen, um einen Wert einer Größe, die
mit der Änderung
der Spannung pro Zeiteinheit zum Knotenpunkt K zusammenhängt oder
gleich diesem Wert ist (in diesem Beispiel den Strom Ichb) oder
dVhb/dt, zum Ermitteln der Schaltzeitpunkte mit dem Schwellenwert
zu vergleichen. In diesem Beispiel sind dies die Schaltzeitpunkte,
zu denen in jedem Fall die Schalter Sh und S1 geschlossen werden.
Die Zeitpunkte, zu denen die Schalter geöffnet werden, können in
bekannter Weise ermittelt werden. Solche Varianten werden als innerhalb
des Rahmens der Erfindung liegend betrachtet.
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3a
- inductive
- induktiv
- normal
inductive mode
- normale
induktive Betriebsart
-
3b
- inductive
- induktiv
- inductive
mode
- induktive
Betriebsart
- hard
switching
- hartes
Schalten
-
3c
- capacitive
- kapazitiv
- capacitive
mode
- kapazitive
Betriebsart
- hard
switching
- hartes
Schalten
