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Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Gleich-oder Mischspannungen an einer Last mit Hilfe eines spannungskompensierten D-Verstärkers, aufgebaut mit komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) mit einem passiven Schalter (Diode)) und einem in Reihe geschalteten Filter und einer Kompensationseinrichtung.
Die Betnebsglelchspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie, Solarzellen, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichrichtung aus dem Ein- oder Mehrphasennetz, bzw. durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und anschliessender, eventuell auch nur grober Filterung, gewonnen werden.
Im D-Verstärker wird mit Hilfe verschiedener Modulationsverfahren, z. B. Pulsbreitenmodulation, SigmaDelta Modulation, aus dem zu verstärkenden Signal (Um) (bzw. einem digital übermittelten Vorgabewert, der
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) Brückenschaltung in der Amplitude verstärkt wird und In einer anschliessenden Filterstufe in das gewünschte, verstärkte Analogsignal umgeformt wird. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auf den Artikel "Multi-purpose Half-Bridge DC-AC Converter, Hlmmelstoss, F. A & K. H.
Edelmoser, INTELEC'95, Oct. 29 Nov. 1, 1995, The Hague, The Netherlands, pp. 684 - 689" Einen Überblick über verschiedene Modulationsverfahren findet man in dem Artikel"Interpolative Sigma Delta Modulators for High Frequenz Power Electronics Applications, Glen Lucjjiff, lan Dobson & Deepak Divan, PESC'95, Atlanta, pp. 444-449".
Besonders vorteilhaft bei der hier besprochenen Schaltung ist die Tatsache, dass durch entsprechende Ansteuerung Spannungen beliebiger Form erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung sind dabei
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oder Musiksignale AlsWechselstrommaschinen zu verstärken und als Treiberstufe für hochwertige Positionierantriebe bzw. Aktuatoren zu dienen. Eine weiter Anwendung kann In der Realisierung von hochqualitativen Netzspannungssimulatoren liegen.
Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz eine Verringerung des Ansgangsspannungsnppels und daher eine geringere Kompensatonsspannung (kleinere Leistung, die vom analogen Verstärkerteil aufgebracht werden muss) mit sich bringt und auch in Hinblick auf die Dimensionierung des Ausgangsfilter (Drosseln und Kondensatoren) zweckmässig ist.
Neben der besprochenen Einkopplung einer Spannung kann auch ein Kompensationsstrom eingekoppelt werden.
Nach dieser allgemeinen Funktionsbeschreibung von kompensierten Verstärkern soll nun die neue Erfindung besprochen werden. Die Einkopplung der Kompensationsspannung kann z. B. über einen Transformator erfolgen, oder die Kompensationsspannung wird durch einen weiteren D-Verstärker oder ein Schaltnetzteil gebildet.
Zu den Entgegenhaltungen'die den nächstgelegenen Stand der Technik darstellen ist folgendes anzumerken :
In US 5, 117, 198 ist ein D-Verstärker mit Spannungsversorgungsausgleich geoffenbart. Dadurch wird das Problem einer Gleichstromvormagnetisierung des Lautsprechers bekämpft, das durch ungleichmässige Aufladung der Betriebsspannungskondensatoren bei einem Halbbrückenwandler auftritt. Durch Einbeziehen der Spannung an der Last kann dieses Problem auch mit Hilfe einer entsprechenden Regelung überwunden werden. Eine Verringerung des Spannungsrippels wird jedoch dadurch nicht erzielt.
In DE 29 39 365 A1 wird ein Leistungsverstärker der Klasse D dargestellt, der komplementäre MOS Transistoren In der Halbbrücke verwendet, eine optische Trennung im Signalpfad hat und durch die gleichgenchtete, geglättete Netzspannung versorgt wird. Auch hier geht es nicht um die Verringerung des Rlppels mit aktiven Massnahmen.
Eine neue Möglichkeit zur Einkopplung der Kompensationsspannung stellt die Verwendung eines synchronen Gleichrichters dar. Dieser wird in Serie mit der Last geschaltet. Man benötigt dann keinen
Transformator Im Hauptsignalpfad. Die Kompensationsspannung muss nur eine Polarität liefern können ; damit sind als Kompensationsspannungsquelle alle gängigen, daher günstig zu realisierenden Schaltnetz- teilstrukturen (es gibt für diese schon passende Ansteuer- und Regel-lCs) verwendbar. Die Funktion (als
Bauelemente des synchronen Gleichrichters werden in der Beschreibung MOSFETs verwendet) der
Einkopplung Ist folgende : Der DC/DC Konverter liefert im Zusammenspiel mit seiner Regelung eine
Spannung, die In den Signalpfad eingespeist werden soll.
Der positive Pol dieser Spannung wird mit den zusammengeschalteten Drains der Transistoren S2 und S1'verbunden, der negative Pol mit den zusam- mengeschalteten Sourcen der Transistoren S2'und S1. Soll nun eine positive Spannung (Zählpfeilrichtung
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von links nach rechts) in den Signalpfad eingekoppelt werden, so werden die Schalter S2 und S2' eingeschaltet (über ihre Gate-Source Spannung). Wird eine Spannung in der anderen Polarität benötigt, so müssen die Transistoren S1 und S1'eingeschaltet werden.
Durch die gewählte Polarität der Ausgangsspannung des DC/DC Konverters wird verhindert, dass die parasitären Dioden der MOS Transistoren leitend werden
Der synchrone Glelchnchter eignet sich auch zur Einspeisung eines Kompensationsstromes bei einem stromkompensierten D-Verstärker. Die Kompensationsquelle kann dabei durch ein gängiges Schaltnetzteilkonzept realisiert werden, wobei im Ausgangskreis dieses Netzteils eine Induktivität" hegt, deren Strom geregelt wird. Der grosse Ausgangskondensator, der bei einem Schaltnetzteil zur Stabilisierung der Ansgangsspannung dient, wird durch einen Schalter ersetzt, dem aus Sicherheitsgründen ein kleiner Kondensator parallel geschaltet sein kann. Auch hier muss der positive Pol der Stromquelle mit den zusammenge-
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teten Sourcen der Transistoren S2'und S1 verbunden werden.
Soll nun ein positiver Strom (Zählpfeltnch- tung von links nach rechts) parallel zur Last eingekoppelt werden, so werden die Schalter S2 und S2' eingeschaltet (über Ihre Gate-Source Spannung). Wird ein Strom in der anderen Polarität benötigt. so müssen die Transistoren S1 und S1'eingeschaltet werden. Der oben angeführte Schalter, den die gesteuerte Stromquelle benötigt, kann auch z. B. durch den Schalter S1'des synchronen Gleichrichters gebildet werden
In der Zeichnung Ist eine beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, die Flg. 1 stellt den Aufbau der Kompensationseinspeisung dar. Die Fig. 2 stellt den Aufbau eines kompensier-
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Lage der Kompensationsspannungsquelle und P ! g. 5 die Lage der Kompensatiosstromquelle dar.
Figur 1 stellt die Verwendung eines synchronen Gleichrichters zur Einkopplung der Kompensationsspannung dar. Dieser wird in Serie mit der Last geschaltet. Die Kompensationsspannung wird beispielhaft
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te des synchronen Gleichrichters werden in der Beschreibung MOSFETs verwendet) der Einkopplung ist folgende : Der DC/DC Konverter (9) liefert im Zusammenspiel mit seiner Regelung eine Spannung, die in den Signalpfad zwischen der Ausgangsspannung eines normalen D-Verstärkers (UDV1) und der Spannung an der Last (unload) eingespeist werden soll. Der positive Pol dieser Spannung wird mit den zusammengeschalteten Drains der Transistoren S2 und S1'vedlunden, der negative Pol mit den zusammengeschalteten Sourcen der Transistoren S2' und S1.
Soll nuf eine positive Spannung (Zählpfeilrichtung von links nach rechts) in den Signalpfad eingekoppelt werden, so werden die Schalter S2 und S2' eingeschaltet (über ihre Gate-Source Spannung). Wird eine Spannung in der anderen Polarität benötigt, so müssen die Transistoren S1 und S1'eingeschalten werden. Durch die gewählte Polarität der Ausgangsspannung des DC/DC Konverters (9) wird verhindert, dass die parasitären Dioden der MOS Transistoren leitend werden.
Die Flg. 2 zeigt den grundlegenden Aufbau eines spannungskompensierten D-Verstärkers zur Umfor-
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(4) zur Kompensation des entstehenden Rippets an der Last. Das Eingangssignal Um wird sowohl dem Modulator wie auch dem Kompensator zugeführt Der Leistungsteil kann aber auch durch eine Vollbrücke realisiert werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Fig. 4 und 5 zeigen wo die Kompensationsquelle angeordnet werden kann.
Die Anordnung, bestehend aus D-Verstärker (10), der von den Betnebsspannungen (6) versorgt wird und sein Signal an die Last (5) abgibt, wird bei einer Spannungskompensation (Fig. 4) durch eine Kompensationsspannungsquelle (7) in Serie zur Last und bei einer Stromkompensation (Fig. 5) durch eine Kompensationsstromquelle (7) parallel zur Last qlnzt.
Bezugsbezeichnungsaufstellung
1Leistungs-Brückenschältung
2 Filter
3 Modulationseinheit
4 Kompensationseinrichtung
5 Last
6 Gleichspannungsversorgung, Betriebsgleichspannung
7 Kompensationsspannungsquelle
8 Kompensationstromquelle
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9 Schaltnetzteil 10 D-Verstärker Um zu verstärkendes Signal Uso11 Sollwert
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Spannungssignaltont Ausgangstrom des D-Verstärkers Laststrom IK Kompensationsstrom
Si aktiver Schalter
Si aktiver Schalter
S2 aktiver Schalter
S2 aktiver Schalter Patentansprüche 1.
Vorrichtung zur Einspeisung einer Kompensationsspannung in Sene zur Last, bzw. zur Einspeisung eines Kompensationsstromes parallel zur Last bei einem D-Verstärker dadurch gekennzeichnet, dass die positive Klemme der einzuspeisenden Spannung bzw. des einzuspeisenden Stromes mit den zusammengeschalteten Drains der Transistoren S2 und S1'verbunden und die negative Klemme der einzuspeisenden Spannung bzw.
des einzuspeisenden Stromes mit den zusammengeschalteten Sour- cen der Transistoren S1 und S2'verbunden ist, weiters Drain von S1 mit Source von S2 verbunden ist und Drain von S2'mit Source von S1'verbunden ist, wobei dieser so gebildete Zweipol bei
Einspeisung einer Spannung in Serie zur Last geschalten wird, bei einer Einspeisung eines Stromes parallel zur Last geschalten wird und durch entsprechende Ansteuerung der Schalterpaare S1 & S1'bzw.
S2 & S2'die Polarität der eingespeisten Spannung bzw. des eingespeisten Stromes festgelegt wird.
2. Vomchtung gemäss Auspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle von MOSFETs andere aktive
Schalter verwendet werden, wie z. B. FETs, BJTs, IGBTs.
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The invention relates to converter circuits for converting direct voltages into alternating, direct or mixed voltages on a load with the aid of a voltage-compensated D-amplifier, constructed with complementarily controlled current-directional switches (anti-parallel connection of an active semiconductor switch such as bipolar transistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT , SIT (h) with a passive switch (diode)) and a filter connected in series and a compensation device.
Depending on the application, the operating voltage can be supplied by a battery, solar cells, fuel cells, or by rectification from the single-phase or multiphase network, or by rectification of the output voltage from AC or three-phase generators and subsequent, possibly only coarse, filtering.
In the D amplifier with the help of various modulation methods, eg. B. pulse width modulation, SigmaDelta modulation, from the signal to be amplified (Um) (or a digitally transmitted default value, the
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) The amplitude of the bridge circuit is amplified and it is converted into the desired amplified analog signal in a subsequent filter stage. In this connection, reference is made to the article "Multi-purpose Half-Bridge DC-AC Converter, Hlmmelstoss, F. A & K. H.
Edelmoser, INTELEC'95, Oct. 29 Nov. 1, 1995, The Hague, The Netherlands, pp. 684 - 689 "An overview of various modulation methods can be found in the article" Interpolative Sigma Delta Modulators for High Frequency Power Electronics Applications, Glen Lucjjiff, lan Dobson & Deepak Divan, PESC'95, Atlanta, pp. 444-449 ".
Particularly advantageous in the circuit discussed here is the fact that voltages of any shape can be generated by appropriate control. Are of practical importance
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or to amplify music signals as AC machines and to serve as a driver stage for high-quality positioning drives or actuators. Another application can be the implementation of high quality mains voltage simulators.
The switching frequency is selected according to the application, with a higher frequency resulting in a lowering of the starting voltage level and therefore a lower compensation voltage (smaller power that has to be applied by the analog amplifier part) and also with regard to the dimensioning of the output filter (chokes and capacitors) is appropriate.
In addition to the discussed coupling in of a voltage, a compensation current can also be coupled in.
After this general functional description of compensated amplifiers, the new invention will now be discussed. The coupling of the compensation voltage can, for. B. done via a transformer, or the compensation voltage is formed by a further D-amplifier or a switching power supply.
The following should be noted regarding the documents that represent the closest prior art:
US 5, 117, 198 discloses a D amplifier with power supply equalization. This combats the problem of DC biasing the loudspeaker, which occurs due to uneven charging of the operating voltage capacitors in a half-bridge converter. By including the voltage on the load, this problem can also be overcome with the help of appropriate control. However, this does not reduce the voltage ripple.
DE 29 39 365 A1 describes a class D power amplifier which uses complementary MOS transistors in the half-bridge, has an optical separation in the signal path and is supplied by the rectified, smoothed mains voltage. Here, too, it is not a matter of reducing the gait with active measures.
A new way of coupling the compensation voltage is to use a synchronous rectifier. This is connected in series with the load. You don't need one
Transformer in the main signal path. The compensation voltage must only be able to supply one polarity; This means that all common switching power supply structures can be used as a compensation voltage source (there are already suitable control and regulation ICs available for this). The function (as
Components of the synchronous rectifier are used in the description of MOSFETs)
Coupling is as follows: The DC / DC converter, together with its control, delivers one
Voltage to be fed into the signal path.
The positive pole of this voltage is connected to the interconnected drains of transistors S2 and S1 ', the negative pole to the interconnected sources of transistors S2' and S1 '. Now a positive voltage (counting arrow direction
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from left to right) are coupled into the signal path, switches S2 and S2 'are switched on (via their gate-source voltage). If a voltage in the other polarity is required, the transistors S1 and S1 'must be switched on.
The selected polarity of the output voltage of the DC / DC converter prevents the parasitic diodes of the MOS transistors from becoming conductive
The synchronous circuit breaker is also suitable for feeding a compensation current in a current-compensated D-amplifier. The compensation source can be implemented by a common switching power supply concept, an inductance "in the output circuit of this power supply, the current of which is regulated. The large output capacitor, which is used in a switching power supply to stabilize the input voltage, is replaced by a switch, which for safety reasons small capacitor can be connected in parallel. Again, the positive pole of the current source must be connected to the
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tied sources of transistors S2 'and S1 are connected.
If a positive current (counting field from left to right) is to be coupled in parallel to the load, switches S2 and S2 'are switched on (via your gate-source voltage). Is a current in the other polarity required. so the transistors S1 and S1 'must be turned on. The switch mentioned above, which the controlled current source requires, can also be used e.g. B. are formed by the switch S1'desynchronous rectifier
In the drawing, an exemplary embodiment of the subject of the invention is shown, the Flg. 1 represents the structure of the compensation feed. FIG. 2 represents the structure of a compensating
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Location of the compensation voltage source and P! G. 5 shows the location of the compensation power source.
Figure 1 shows the use of a synchronous rectifier for coupling the compensation voltage. This is connected in series with the load. The compensation voltage is an example
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te of the synchronous rectifier are used in the description of MOSFETs) of the coupling is as follows: The DC / DC converter (9), in conjunction with its regulation, delivers a voltage that is in the signal path between the output voltage of a normal D-amplifier (UDV1) and the Voltage at the load (unload) is to be fed. The positive pole of this voltage is looped with the interconnected drains of transistors S2 and S1 ', the negative pole with the interconnected sources of transistors S2' and S1.
If a positive voltage is now to be coupled into the signal path (counting arrow direction from left to right), switches S2 and S2 'are switched on (via their gate-source voltage). If a voltage in the other polarity is required, the transistors S1 and S1 'must be switched on. The selected polarity of the output voltage of the DC / DC converter (9) prevents the parasitic diodes of the MOS transistors from becoming conductive.
The Flg. 2 shows the basic structure of a voltage-compensated D-amplifier for
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(4) to compensate for the resulting rippet on the load. The input signal Um is fed to both the modulator and the compensator. However, the power section can also be implemented by a full bridge, as shown in FIG. 3. 4 and 5 show where the compensation source can be arranged.
The arrangement, consisting of D amplifier (10), which is supplied by the operating voltages (6) and emits its signal to the load (5), is used in series for voltage compensation (Fig. 4) by a compensation voltage source (7) Load and qlnzt with a current compensation (Fig. 5) by a compensation current source (7) parallel to the load.
Reference designation list
1 Power bridge circuit
2 filters
3 modulation unit
4 compensation device
5 load
6 DC voltage supply, operating DC voltage
7 compensation voltage source
8 compensation power source
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9 Switching power supply 10 D amplifier To be amplified signal Uso11 setpoint
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Voltage signal tone Output current of the D amplifier Load current IK Compensation current
Si active switch
Si active switch
S2 active switch
S2 active switch claims 1.
Device for feeding a compensation voltage in Sene to the load, or for feeding a compensation current parallel to the load in a D-amplifier, characterized in that the positive terminal of the voltage or the current to be fed in is connected to the interconnected drains of the transistors S2 and S1 ' and the negative terminal of the voltage to be fed or
of the current to be fed in is connected to the interconnected sources of transistors S1 and S2 ', furthermore drain of S1 is connected to source of S2 and drain of S2' is connected to source of S1 ', the two-pole thus formed at
Infeed of a voltage is connected in series to the load, in the case of infeed of a current is connected in parallel to the load and by appropriate activation of the switch pairs S1 & S1 'or.
S2 & S2 'the polarity of the voltage or current being fed in is determined.
2. Warning according to expression 1, characterized in that instead of MOSFETs other active ones
Switches are used, such as. B. FETs, BJTs, IGBTs.