AT503778B1 - Vorrichtung zum steuern der spannungsversorgung eines verbrauchers, insbesondere einer beleuchtung - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT503 778 B1 2012-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Beleuchtung, mit einem an einer Wechselspannungsquelle anliegenden Spannungswandler, der zwei in Reihe geschaltete elektronische Schaltstufen umfasst, zwischen denen die Ausgangsspannung über eine Induktivität abgreifbar ist und die jeweils eine Reihenschaltung zweier je mit einer parallelen Freilaufdiode versehener Halbleiterschalter mit gegensinniger Sperrrichtung aufweisen, und mit einer Steuerschaltung, die die Halbleiterschalter der ersten und der zweiten Schaltstufe mit einer vorgegebenen, die Frequenz der Wechselspannung mehrfach übersteigenden Taktfrequenz und einem das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Spannungswandlers bestimmenden Tastverhältnis ansteuert.

[0002] Um Verbraucher mit einer Gleichspannung zu versorgen, werden Buck-Konverter eingesetzt, die eine an der Eingangsspannung anliegenden Reihenschaltung eines Halbleiterschalters und einer Diode aufweisen, an der die Ausgangsspannung über eine Induktivität abgegriffen wird, über die der Laststrom während des geöffneten Zustands des Halbleiterschalters fließt. Da der Halbleiterschalter mit Hilfe einer Steuerschaltung im Sinne einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird, ergibt sich ein Tiefsetzsteller, bei dem das Tastverhältnis, also das Verhältnis der Puls- zur Periodendauer, das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmt. Um nicht nur Gleichspannungen, sondern auch Wechselspannungen tiefsetzen zu können, ist es darüber hinaus bekannt (GB 2 301 239 A, WO 96/09686 A1), zwei in Reihe geschaltete Schaltstufen vorzusehen, zwischen denen die Ausgangsspannung über eine Induktivität abgegriffen wird. Die beiden Schaltstufen umfassen jeweils eine Reihenschaltung aus zwei je mit einer parallelen Freilaufdiode versehenen Halbleiterschaltern mit gegensinniger Sperrrichtung, wobei die Halbleiterschalter je für sich über eine Steuereinrichtung angesteuert werden. Jede Schaltstufe kann somit wie ein Halbleiterschalter mit wahlweiser Sperrrichtung betrieben werden, weil zu diesem Zweck lediglich der Halbleiterschalter mit der gewünschten Sperrrichtung mit dem gewünschten Tastverhältnis betätigt und der andere geöffnet zu werden braucht, sodass der geöffnete Halbleiterschalter durch die ihm zugeordnete Freilaufdiode überbrückt wird. Da durch das Schließen eines der beiden Halbleiterschalter und das Öffnen des jeweils anderen Halbleiterschalters einer Schaltstufe diese im Sinne einer Diode mit wählbarer Sperrrichtung eingesetzt werden kann, kann mit Hilfe einer solchen Schaltung ein Tiefsetzsteller sowohl für die positive als auch die negative Halbwelle der Eingangsspannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter über eine Steuerschaltung verwirklicht werden. Während des Nulldurchgangs der Eingangsspannung und - da nicht nur mit ohmschen Verbrauchern gerechnet werden kann - auch des Laststroms ergeben sich allerdings Schwierigkeiten, und zwar einerseits wegen der Schaltzeiten und anderseits wegen der Span-nungs- und Strompolaritäten, weil aufgrund von Messfehlern im Bereich des Nulldurchgangs der Eingangsspannung bzw. des Laststroms der Nulldurchgang und damit die Polarität nicht genau bestimmt werden können.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit einem Spannungswandler der eingangs geschilderten Art anzugeben, der mit Hilfe von Halbleiterschaltern ein möglichst verlustfreies Tiefsetzen der eingangsseitigen Wechselspannung erlaubt, ohne die Schwierigkeiten im Bereich des Nulldurchgangs der Eingangsspannung bzw. des Laststroms in Kauf nehmen zu müssen.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Steuerschaltung die Halbleiterschalter der beiden Schaltstufen je für sich in Abhängigkeit einerseits von der Eingangsspannung und anderseits vom Laststrom ansteuert und dass zwischen der Steuerschaltung und den Halbleiterschaltern der zweiten Schaltstufe je ein über einen Umschalter anwählbares Nicht-Gatter vorgesehen ist, sodass die Halbleiterschalter der zweiten Schaltstufe von der Steuerschaltung wahlweise unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter ansteuerbar sind.

[0005] Um die Unsicherheit hinsichtlich der Bestimmung der Polaritäten der Eingangsspannung österreichisches Patentamt AT503 778B1 2012-03-15 oder des Laststroms im Bereich ihrer Nulldurchgänge berücksichtigen zu können, können somit im Nulldurchgangsbereich jeweils beide Polaritäten zugelassen werden, indem die Halbleiterschalter der beiden Steuerstufen entsprechend alternierend angesteuert werden. Dies gelingt durch eine unmittelbare Ansteuerung der Halbleiterschalter der ersten Schaltstufe und eine Ansteuerung der Halbleiterschalter der zweiten Schaltstufe über ein Nicht-Gatter. Aus diesem Grunde ist für die Halbleiterschalter der zweiten Schaltstufe ein Umschalter vorzusehen, der in Abhängigkeit vom Nulldurchgang der Eingangsspannung bzw. des Laststroms die jeweiligen Halbleiterschalter über ein Nicht-Gatter an die Steuerschaltung legt.

[0006] Zu diesem Zweck kann im Bereich des Nulldurchgangs der Eingangsspannung die Steuerschaltung einen der beiden Halbleiterschalter der ersten Schaltstufe unmittelbar und den Halbleiterschalter mit gegensinniger Sperrrichtung der zweiten Schaltstufe über das Nicht-Gatter ansteuern, um bei einer vorgegebenen Richtung des Laststroms beide Polaritäten der Eingangsspannung zuzulassen. Im Bereich des Nulldurchgangs des Laststroms sind hingegen die Voraussetzungen für beide Polaritäten des Laststroms zu schaffen. Diese Voraussetzungen können vorteilhaft dadurch erfüllt werden, dass die Steuerschaltung die beiden Halbleiterschalter der ersten Schaltstufe unmittelbar und die Halbleiterschalter der zweiten Schaltstufe über das Nicht-Gatter ansteuert, sodass der Laststrom in der einen Richtung über die eine und in der anderen Richtung über die andere Schaltstufe fließen kann.

[0007] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0008] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers in einem vereinfachten Blockschaltbild und [0009] Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einerseits der Eingangsspannung des Spannungswand lers und anderseits des Laststroms.

[0010] Die dargestellte Vorrichtung zeigt gemäß der Fig. 1 eine erste Schaltstufe 1 und eine zweite Schaltstufe 2 in einer an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Reihenschaltung. Die Eingangsspannung uE ist eine Wechselspannung, beispielsweise eines Wechselstromnetzes. Die an den Ausgangsklemmen 4 anliegende Ausgangsspannung uL wird an der zweiten Schaltstufe 2 über eine Induktivität 5 abgegriffen. Die Schaltstufen 1 und 2 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 6 und 7 mit gegensinniger Sperrrichtung in einer Reihenschaltung. Diese Halbleiterschalter 6 und 7 sind jeweils durch eine Freilaufdiode 8 überbrückt. Die Halbleiterschalter 6 und 7, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, können über eine Steuerschaltung 9 je für sich im Sinne einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei die Pulsdauer des Pulsgenerators 10 über eine Eingabe- und Anzeigeeinrichtung 11 zur Vorgabe eines bestimmten Tastverhältnisses und damit eines entsprechenden Übersetzungsverhältnisses des Spannungswandlers eingestellt werden kann. Die Pulsfrequenz des Pulsgenerators 10 soll dabei entsprechend über der Frequenz der an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Wechselspannung liegen und kann z.B. mindestens der dreifachen Wechselspannungsfrequenz entsprechen. Während die Ansteuerung der Halbleiterschalter 6 und 7 der ersten Schaltstufe 1 über die Steuerschaltung 9 unmittelbar erfolgt, können die Halbleiterschalter 6 und 7 der zweiten Schaltstufe 2 wahlweise unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter 12 angesteuert werden. Zu diesem Zweck ist jeweils ein elektronischer Umschalter 13 vorgesehen, der von der Steuerschaltung 9 in Abhängigkeit vom Verlauf der Eingangsspannung bzw. des Laststroms beaufschlagt wird.

[0011] In der Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Laststroms iL in Beziehung zum Verlauf der Eingangsspannung uE gesetzt, und zwar für eine induktive Last, bei der der Strom iL der Spannung uL nacheilt. Die in der Fig. 1 dargestellten Bezugspfeile für die Spannungen uE, uL und den Strom iL entsprechen den positiven Werten gemäß der Fig. 2. Für die Ansteuerung der Schaltstufen 1 und 2 über die Steuerschaltung 9 sind die unterschiedlichen Polaritäten der Eingangsspannung uE einerseits und des Laststroms iL anderseits zu berücksichtigen. Aus diesem Grunde wird die Steuerschaltung 9 sowohl mit der an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Eingangsspannung uE als auch mit dem Ausgangssignal eines Stromgebers 14 beaufschlagt. Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 ergeben sich in einem Periodenabschnitt a eine positive Eingangsspannung uE und ein positiver Laststrom iL in einem Periodenabschnitt b eine nega- 2/6 österreichisches Patentamt AT503 778B1 2012-03-15 tive Eingangsspannung uE bei einem positiven Laststrom iL, in einem Periodenabschnitt c sowohl eine negative Eingangsspannung uE als auch ein negativer Laststrom iL und in einem Periodenabschnitt d eine positive Eingangsspannung uE und ein negativer Laststrom iL. Damit die Polaritäten entsprechend dem Periodenabschnitt a berücksichtigt werden, ist der Halbleiterschalter 6 der ersten Schaltstufe 1 im eingestellten Tastverhältnis anzusteuern und der Halbleiterschalter 7 dieser Schaltstufe 1 zu öffnen, der somit durch seine Freilaufdiode 8 überbrückt wird. Der Halbleiterschalter 6 der zweiten Schaltstufe 2 ist ebenfalls zu öffnen, sodass seine Freilaufdiode 8 wirksam wird, während der zugehörige Halbleiterschalter 7 geschlossen bleiben muss. Dies bedeutet, dass der in diesem Periodenabschnitt a positive Halbwellenabschnitt der Eingangsspannung uE gemäß dem eingestellten Tastverhältnis tiefgesetzt wird, sodass an den Ausgangsklemmen 4 eine dem Tastverhältnis entsprechend niedrigere Spannung abgegriffen werden kann, die aufgrund ihrer Glättung durch die Induktivität 5 einen mit der Eingangsspannung uE übereinstimmenden zeitlichen Verlauf aufweist.

[0012] Für die Polaritätsverhältnisse im Periodenabschnitt b ist der Halbleiterschalter 7 der zweiten Schaltstufe 2 im Tastverhältnis über die Steuerschaltung 9 anzusteuern, und zwar bei geöffnetem Halbleiterschalter 6. Die erste Schaltstufe 1 muss in diesem Fall als entsprechend gepolte Diode wirksam werden, was ein Schließen des Halbleiterschalters 6 und ein Öffnen des Halbleiterschalters 7 dieser ersten Schaltstufe 1 bedingt.

[0013] Im Periodenabschnitt c nehmen sowohl die Eingangsspannung uE als auch der Laststrom iL negative Werte an, was eine Ansteuerung des Halbleiterschalters 7 der ersten Schaltstufe 1 im jeweiligen Tastverhältnis bedingt, während der zugehörige Halbleiterschalter 6 geöffnet bleiben muss. Die zweite Schaltstufe 2 wird im Sinne einer entsprechend gepolten Diode geschaltet, was ein Öffnen des Halbleiterschalters 7 und ein Schließen des Halbleiterschalters 6 dieser Schaltstufe 2 voraussetzt.

[0014] Im Periodenabschnitt d steht eine positive Eingangsspannung uE einem negativen Laststrom iL gegenüber. Dies bedeutet, dass der Halbleiterschalter 6 der zweiten Schaltstufe 2 im gewählten Tastverhältnis über die Steuerschaltung 9 anzusteuern ist, und zwar bei geöffnetem Halbleiterschalter 7. Die Diodenwirkung der ersten Schaltstufe 1 wird für diesen Fall durch das Öffnen ihres Halbleiterschalters 6 und das Schließen ihres Halbleiterschalters 7 erreicht.

[0015] Da aufgrund von Messfehlern im Bereich des Nulldurchgangs sowohl der Eingangsspannung uE als auch des Laststroms iL die jeweilige Polarität nicht genau festgestellt werden kann, wird im Bereich des Nulldurchgangs berücksichtigt, dass beide Polaritäten auftreten können. Für den Fall des Nulldurchgangs der Eingangsspannung uE werden in einem Periodenabschnitt e beide Schaltstufen 1 und 2 getastet. Während der Halbleiterschalter 6 der ersten Schaltstufe 1 bei geöffnetem Halbleiterschalter 7 unmittelbar angesteuert wird, erfolgt die Ansteuerung des Halbleiterschalters 7 der zweiten Schaltstufe 2 bei geöffnetem Halbleiterschalter 6 über das Nicht-Gatter 12 abwechselnd zum Halbleiterschalter 6 der ersten Schaltstufe 1. Zu diesem Zweck ist der Umschalter 13 für den Halbleiterschalter 7 der zweiten Schaltstufe 2 über die Steuerschaltung 9 entsprechend zu beaufschlagen. Für den Nulldurchgang der Eingangsspannung uE im Periodenabschnitt f ergeben sich grundsätzlich ähnliche Verhältnisse, doch muss die negative Polarität des Laststroms iL berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass der Halbleiterschalter 7 der ersten Schaltstufe 1 bei geöffnetem Halbleiterschalter 6 im gewählten Tastverhältnis angesteuert wird, während der Halbleiterschalter 6 der zweiten Schaltstufe 2 bei geöffnetem Halbleiterschalter 7 über das Nicht-Gatter 12 getaktet wird.

[0016] Im Bereich des Periodenabschnitts g, der den Nulldurchgang des Laststromes iL umfasst, ist ein Stromfluss in beiden Richtungen zuzulassen. Zu diesem Zweck werden die beiden Halbleiterschalter 6 und 7 beider Schaltstufen 1 und 2 gemeinsam angesteuert, wobei die Ansteuerung der Halbleiterschalter 6 und 7 der zweiten Schaltstufe 2 abwechselnd zur Ansteuerung der ersten Schaltstufe 1 erfolgen muss, was eine Beaufschlagung der Halbleiterschalter 6 und 7 der zweiten Schaltstufe 2 über die zugehörigen Nicht-Gatter 12 bedingt. Diese Ansteuerung der Schaltstufen 1 und 2 gilt auch für den Periodenabschnitt h, der den Nulldurchgang des Laststromes iL bei einer positiven Eingangsspannung uE beinhaltet. 3/6

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT503 778B1 2012-03-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Beleuchtung, mit einem an einer Wechselspannungsquelle anliegenden Spannungswandler, der zwei in Reihe geschaltete elektronische Schaltstufen (1, 2) umfasst, zwischen denen die Ausgangsspannung über eine Induktivität (5) abgreifbar ist und die jeweils eine Reihenschaltung zweier je mit einer parallelen Freilaufdiode (8) versehener Halbleiterschalter (6, 7) mit gegensinniger Sperrrichtung aufweisen, und mit einer Steuerschaltung (9), die die Halbleiterschalter (6, 7) der ersten und der zweiten Schaltstufe (1, 2) mit einer vorgegebenen, die Frequenz der Wechselspannung mehrfach übersteigenden Taktfrequenz und einem das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Spannungswandlers bestimmenden Tastverhältnis ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (9) die Halbleiterschalter (6, 7) der beiden Schaltstufen (1, 2) je für sich in Abhängigkeit einerseits von der Eingangsspannung uE und anderseits vom Laststrom (iL) ansteuert und dass zwischen der Steuerschaltung (9) und den Halbleiterschaltern (6, 7) der zweiten Schaltstufe (2) je ein über einen Umschalter (13) anwählbares Nicht-Gatter (12) vorgesehen ist, sodass die Halbleiterschalter (6, 7) der zweiten Schaltstufe (2) von der Steuerschaltung (9) wahlweise unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter (12) ansteuerbar sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Nulldurchgangs des Laststroms (iL) die Steuerschaltung (9) die beiden Halbleiterschalter (6, 7) der ersten Schaltstufe (1) unmittelbar und die Halbleiterschalter (6, 7) der zweiten Schaltstufe (2) über das Nicht-Gatter (12) ansteuert.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Nulldurchgangs der Eingangsspannung (uE) die Steuerschaltung (9) einen der beiden Halbleiterschalter (6, 7) der ersten Schaltstufe (1) unmittelbar und den Halbleiterschalter (7, 6) mit gegensinniger Sperrrichtung der zweiten Schaltstufe (2) über das Nicht-Gatter (12) ansteuert. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6