DE10100862A1 - Konvertersystem und Netzteil zum Umsetzen einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Konvertersystem und auf ein Netzteil zum Umwandeln einer Eingangsspannung V1 in eine Ausgleichsspannung V2, insbesondere für Schaltnetzteile von Geräten der Unterhaltungselektronik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Konvertersystem 10 und ein bekanntes Netzteil so weiterzubilden, daß auch bei hohen Spannungen und Leistungen hohe Schaltfrequenzen benutzt werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Vermeidung hoher Spannungen an den kritischen Leistungshalbleitern, bei einem Konvertersystem zumindest zwei Konvertermodule, eingangs- oder ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die höchste Spannung, die ein Konvertermodul verarbeiten muß, nur ein Bruchteil der ein- oder ausgangsseitigen Spannung des Konvertersystems beträgt. Dadurch können solche Konvertersysteme auch für hohe Leistungen kompakt und preiswert hergestellt werden. Außerdem wird die zu übertragende Leistung auf eine Vielzahl von Konvertermodulen aufgeteilt, was ebenfalls die Verwendbarkeit hoher Schaltfrequenzen erleichtert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Konvertersystem und auf ein Netzteil zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, insbesondere für Schalt­ netzteile von Geräten der Unterhaltungselektronik, wie z. B. Fernseh- und Audiogeräte oder Ladegeräte für Mobilfunkgeräte des Global System for Mobil Communication GSM Netzes.

Fig. 3 zeigt ein Konvertermodul, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es besitzt zwei Eingangsanschlüsse 1 und 2 zum Anlegen einer individuellen Eingangsspannung V1 und zwei Ausgangsanschlüsse 3 und 4 zum Ausgeben einer individuellen Ausgangs­ gleichspannung V2. Darüber hinaus besitzt es einen Steuereingang 6 zum Empfang eines Steuersignals, welches das Energieübertragungsverhalten des Konvertermoduls beeinflußt, z. B. durch Verändern der Tastrate eines Leistungstransistors in dem Konvertermodul. Weiterhin besitzt das Konvertermodul einen Steuerausgang 5, der ein Steuersignal ausgibt, z. B. um weitere Konverter zu steuern. Solche Konvertermodule sind für weite Bereiche von Eingangsgleichspannungen und Ausgangsgleichspannungen und ebenfalls für ein weites Spektrum von Leistungen verfügbar.

Heutige Konvertersysteme oder Schaltnetzteile sehen in der Regel nur ein einziges derar­ tiges Konvertermodul vor, um einen bestimmten Verbraucher, z. B. ein Fernsehgerät, zu versorgen. Das Konvertermodul muß dann die gesamte Leistung für den Verbraucher auf­ bringen. Die von dem Konvertermodul zu verarbeitenden Spannungen entsprechend dann im wesentlichen der Eingangsgleichspannung des Konvertersystems und den Spannungen, die der Verbraucher benötigt. Diese Vorgehensweise erlaubt es, das Konvertersystem mit möglichst wenigen Bauelementen zu realisieren, was nach dem aktuellen Stand der Technik in aller Regel die kostengünstigste und platzsparendste Lösung ist.

Im Bedarfsfall wird die Leistung eines Konvertersystems dadurch erhöht, daß mehrere gleichartige Konvertermodule (10-1, . . ., 10-6) eingangs- und ausgangsseitig parallel geschaltet werden, wie dies in Fig. 4 vereinfacht dargestellt ist. Derartige Konvertersysteme finden Verwendung bei Installationen der Telekommunikationstechnik, wobei aufwendige Regelverfahren eine gleichmäßige Aufteilung der Leistung auf die einzelnen Konverter­ module gewährleisten.

Dabei nimmt man jedoch in Kauf, daß die geeigneten Schaltfrequenzen nicht sehr hoch sein können, üblicherweise sind diese nicht höher als einige hundert Kilohertz, besonders dann, wenn entweder höhere Spannungen oder höhere Leistungen auftreten. Höhere Schaltfrequenzen dagegen würden eine weitere Verkleinerung und Verbilligung der einzelnen Konvertermodule und damit des gesamten Konvertersystems ermöglichen. Diese sind nach dem aktuellen Stand der Technik jedoch nur bei Konvertermodulen für kleine Spannungen und Leistungen möglich, da Leistungshalbleiter wirtschaftlich nicht verfügbar sind, die hohe Spannungen und Ströme und gleichzeitig hohe Schaltfrequenzen erlauben. Ein weiteres Hindernis sind die zu erwartenden leitungsgeführten Störungen, insbesondere der Gleichtaktstörungen, die mit zunehmender Frequenz und zu schaltender Spannung weiter steigen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Konvertersystem und ein bekanntes Netzteil derart weiterzubilden, daß sie auch bei hohen Spannungen und Leistungen für sehr hohe Schaltfrequenzen genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß zumindest zwei der Konvertermodule (10-1, . . ., 10-6), von denen zumindest eines eine positive Eingangsimpedanz aufweist, eingangsseitig miteinander in Reihe geschaltet sind.

Diese Aufgabe wird weiterhin gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 9 dadurch gelöst, daß zumindest zwei der Konvertermodule (10-1, . . ., 10-6), von denen zumindest eines eine positive Ausgangsimpedanz aufweist, ausgangsseitig miteinander in Reihe geschaltet sind.

Eine derartige Verschaltung der einzelnen Konvertermodule hat den Vorteil, daß die einzelnen Konvertermodule keine hohen Leistungen, aber insbesondere auch keine hohen Spannungen mehr verarbeiten müssen. Bei eingangsseitiger Reihenschaltung der Konvertermodule teilt sich die Eingangsspannung des Konvertersystems gleichmäßig auf die einzelnen Konvertermodule auf. Bei ausgangsseitiger Reihenschaltung teilt sich die Ausgangsspannung des Konvertersystems gleichmäßig auf die einzelnen Konvertermodule auf.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung des Konvertersystems basiert auf dem Grundge­ danken, die für die Benutzung einer hohen Schaltfrequenz schädlichen hohen Spannungen und Leistungen von einem individuellen Konvertermodul fernzuhalten. Dies geschieht insbesondere dadurch, daß am Eingang oder am Ausgang des Konvertersystems, also dort, wo hohe Spannungen auftreten würden, die einzelnen Konvertermodule in Reihe geschaltet sind, wodurch eine Spannungsaufteilung entsteht. Bei Netzteilen zur Versorgung eines Verbrauchers aus dem Stromnetz treten die hohen Spannungen in der Regel am Eingang des Konvertersystems auf. Die hohen Spannungen treten dann am Ausgang des Konvertersystems auf, wenn dort eine hohe Ausgangsspannung benötigt wird. Das bedeutet auch, daß ein einzelnes Konvertermodul lediglich einen Bruchteil der Gesamt­ leistung übertragen muß.

Wegen der geringen Leistung und der hohen Schaltfrequenz lassen sich solche Konverter­ module besonders klein und kompakt herstellen und es wird sogar möglich, die notwen­ digen induktiven Bauelemente zu integrieren, wodurch ein besonders einfacher und damit billiger Herstellungsprozeß möglich wird. Durch die große Zahl von Einzelmodulen, die bei einem solchen System verwendet werden, läßt sich eine Massenfertigung besonders vorteilhaft realisieren, wenn das System nur aus gleichartigen Konvertermodulen besteht. Eine Herstellung mit integrierten Komponenten erzielt außerdem eine sehr hohe Packungsdichte.

Die Vielzahl der verwendeten Konvertermodule würde bevorzugt räumlich in einer Ebene angeordnet, wodurch die Bauhöhe des Gesamtsystems extrem niedrig ist und sich die Verlustleistung des Systems leicht über die große Fläche abführen läßt.

Je nach durchgeführter Verschaltung lassen sich verschiedene Konfigurationen erreichen: Bei der Parallelschaltung von Ausgängen ergeben sich niedrige Spannungen mit hohen Strömen, bei der Reihenschaltung hohe Spannungen mit niedrigen Strömen. Es existiert somit eine Art Baukasten, mit dem unterschiedliche Anforderungen durch entsprechende Verschaltung einer geeigneten Zahl von Konvertermodulen erreicht werden können, ohne daß das einzelne Konvertermodul andere Eigenschaften haben müßte. Damit läßt sich ein weites Gebiet von Anforderungen mit nur einem einzigen Modultyp abdecken.

Zur Erhöhung der Gesamtleistung können die zuvor beschriebenen Anordnungen auch insgesamt mehrfach parallel geschaltet werden. Solche teilweise parallel und in Reihe geschalteten Anordnungen erlauben es, die Anforderungen ganz verschiedener Anwendung zu erfüllen, ohne ein spezielles Konvertermodul entwickeln zu müssen.

Wesentliches Merkmal jedoch ist, daß durch die gewählte Verschaltung die Spannungen sowohl am Eingang wie auch am Ausgang jedes einzelnen Konvertermoduls klein gehalten werden können, d. h. gegenüber dem bisherigen Stand der Technik zumindest auf einer Seite des Konvertersystems eine Reihenschaltung verwendet wird. Daraus ergibt sich jedoch unmittelbar das Problem der Spannungsaufteilung auf die einzelnen Konverter­ module. Es muß vermieden werden, daß durch unvermeidliche Parameterstreuungen die Spannungsaufteilung auf die einzelnen Konverter ungleichmäßig erfolgt, oder sogar instabil wird. Dieses Verhalten ergibt sich z. B. bei der Verwendung handelsüblicher, spannungs­ geregelter Konvertermodule bei eingangsseitiger Reihenschaltung und ausgangsseitiger Parallelschaltung. Selbst wenn alle Konvertermodule so beschaffen sind, daß sie im unab­ hängigen Betrieb genau die gleiche Ausgangsgleichspannung einstellen, so bewirkt z. B. eine vorübergehende Störung, die eine kurzzeitige Erhöhung des Stromes auf der Eingangsseite zur Folge hat, daß die Eingangsgleichspannung des betroffenen Konvertermoduls sinkt. Dies ist bei einer Reihenschaltung unvermeidlich.

Eine im Konvertermodul implementierte Regelung bewirkt aber eine Beibehaltung der Leistungsaufnahme des Konvertermoduls, was eine weitere Erhöhung des Eingangsstromes zur Folge hat. In Konsequenz wird die Eingangsspannung weiter sinken, bis sich ein Wert einstellt, bei dem das Konvertermodul versagt. Es ist also für die Zuverlässigkeit solcher Systeme mit Reihenschaltung notwendig, daß die Konvertermodule eine geeignete Energie­ übertragungscharakteristik haben, und zwar eine solche, die bewirkt, daß bei Abwei­ chungen von der gleichmäßigen Aufteilung sich die entsprechenden Ströme in stabili­ sierender Weise verändern. Das erfordert, daß die eingangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule eine positive Eingangsimpedanz und die ausgangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule eine positive Ausgangsimpedanz haben. Konvertermodule mit einer gewöhnlichen Regelung haben dagegen zumindest eingangsseitig eine negative Impedanz, was sie ungeeignet macht für eine Verwendung im erfindungsgemäßen Konvertersystem. Geeignete Schaltnetzteile für dieses Konvertersystem sind z. B. Durch­ flußwandler mit vorgegebenem Tastgrad, ungeeignet sind z. B. selbstschwingende Sperr­ wandler mit vorgegebenem Stromsollwert.

Um eine Reihenschaltung problemlos zu ermöglichen, sollten die Ein- und Ausgänge gegeneinander potentialfrei sein, d. h. der Konverter muß eine Potentialtrennung enthalten. Daher sind einfache Hoch- oder Tiefsetzsteller nicht geeignet.

Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die eingangsseitige Verknüpfung zwischen mindestens zwei Konvertermodulen als Reihenschaltung ausge­ bildet. Diese Verknüpfung erlaubt die Verarbeitung einer hohen System-Eingangsgleich­ spannung, wobei die dann wirksame Eingangsgleichspannung für ein Konvertermodul nur ein Bruchteil dieser Spannung beträgt. Dies ermöglicht den Einsatz von Leistungshalb­ leitern bei hoher Schaltfrequenz und gleichzeitig eine Verringerung von Hochfrequenz­ störungen.

Wird statt dessen bei einer kleinen vorgegebenen System-Eingangsgleichspannung eine hohe Ausgangsgleichspannung benötigt, kann das System auch gespiegelt werden, d. h. eingangsseitig erfolgt eine Parallelschaltung und ausgangsseitig eine Reihenschaltung der Konvertermodule.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Konvertersystems sind Gegenstand der Unteransprüche. Die in den Unteransprüchen 4-8 genannten Ausführungsformen des Konvertersystems mit zumindest teilweiser eingangsseitiger Reihenschaltung seiner Konvertermodule gelten in gleicher Weise auch für das Konvertersystem mit zumindest teilweiser ausgangsseitiger Reihenschaltung seiner Konvertermodule gemäß den Ansprüchen 9 und 10.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Netzteil gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Die Vorteile dieses Netzteils entsprechen den oben beschriebenen Vorteilen des Konverter­ systems in seinen verschiedenen Ausführungsformen.

Der Beschreibung sind insgesamt vier Figuren beigefügt, wobei

Fig. 1 ein Konvertersystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Netzteil gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen einzelnen Konverter gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 4 ein Konvertersystem gemäß dem Stand der Technik zeigen.

Es folgt eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des Konvertersystems gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt ein Konvertersystem 10 zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung V1 in eine Ausgangsgleichspannung V2. Die Eingangsgleichspannung V1 kann auch unstabilisiert sein. Das Konvertersystem umfaßt sechs Konvertermodule 10-1, . . ., 10-6, die eingangsseitig alle über Verbindungsleitungen 12-1. . .12-5 in Reihe geschaltet sind. Die Eingangsgleichspannung V1 des Konvertersystems liegt über der Reihenschaltung dieser sechs Konvertermodule 10-1. . .10-6 an, so daß jedes der Konvertermodule ein Sechstel der Eingangsgleichspannung V1 des Konvertersystems 10 als seine wirksame Eingangsspannung V1-1. . .V1-6 erhält. Ausgangsseitig sind die Konvertermodule 10-1, 10-2 und 10-3 über Verbindungsleitungen 14-1 und 14-2 parallel geschaltet und bilden eine erste Modulgruppe. Aufgrund der Parallelschaltung sind die einzelnen Ausgangsspannungen V2-1. . .V2-3 der Konvertermodule 10-1. . .10-3 gleich groß. Gleichermaßen sind die Konvertermodule 10-4. . .10-6 über die Verbindungsleitungen 14-3 und 14-4 parallel geschaltet und bilden eine zweite Gruppe; auch bei dieser Gruppe sind die einzelnen Ausgangsgleichspannungen gleich. Die Parallelschaltung jeweils dreier Konvertermodule zu einer Gruppe ermöglicht die Realisierung eines System- Ausgangsstromes, der dreimal so hoch ist wie der maximale Strom eines einzelnes Konvertermoduls.

Die ausgangsseitige Reihenschaltung der beiden Gruppen über eine Verbindungsleitung 16 ermöglicht eine Verdoppelung der System-Ausgangsgleichspannung gegenüber der Ausgangsgleichspannung eines einzelnen Konvertermoduls.

Das Konvertersystem 10 weist weiterhin einen Regelverstärker 18 auf, welcher ein Steuersignal in Form eines eingeprägten Stromes an das erste der in Reihe geschalteten Konvertermodule 10-6 ausgibt. Das Steuersignal in Form eines eingeprägten Stromes eignet sich besonders vorteilhaft, da es unempfindlich gegenüber Potentialdifferenzen zwischen Sender und Empfänger des Signals ist und somit eine korrekte Übertragung von Steuerinformationen auch dann gewährleistet, wenn sich diese Potentialdifferenzen ändern. Dieses Steuersignal wird nach üblichen regelungstechnischen Verfahren aus der Differenz zwischen der tatsächlichen Ausgangsspannung V2 des Konverters und einem vorgegebenen Sollwert Vref gebildet.

Das Steuersignal dient zur Anpassung des Energieübertragungsverhaltens der einzelnen Konvertermodule. Es wird zunächst dem Konvertermodul 10-6 zugeführt. Dieses regeneriert das Steuersignal und gibt es über eine Verbindungsleitung 19-5 an das nächste Konvertermodul 10-5 weiter. Der Vorgang der Regeneration des Steuersignals und seine Weiterleitung über die Verbindungsleitungen 19-4. . .19-1 wiederholt sich anschließend auch in den Konvertermodulen 10-4, 10-4 und 10-2. Schließlich ist das Signal am Konvertermodul 10-1 angelangt und hat dabei die gesamte Eingangspotentialdifferenz überwunden. Dadurch wird das Übertragungsverhalten aller Konvertermodule in gleicher Weise gesteuert. Damit wird eine gleichmäßige Aufteilung der Leistung auf alle Konverter­ module erreicht.

Aufgrund der kompakten Bauweise der einzelnen Konvertermodule, der kleinen Schalt­ spannungen und der geringen kapazitiven Kopplung der Transformatoren sind Gleichtaktstörungen bei dem Konvertersystem erheblich geringer als bei einem einzelnen Konvertermodul mit gleicher Schaltfrequenz.

Da die Schaltfrequenzen der einzelnen Konvertermodule in dem Konvertersystem nicht synchronisiert sind, ergeben sich in der Praxis Unterschiede zwischen den Schaltfrequenzen der einzelnen Konverter. Dies hat den Effekt, daß sich dadurch die Störpegel der einzelnen Konvertermodule nicht mehr linear, sondern geometrisch addieren. Dadurch wächst die Störleistung des Konvertersystems mit zunehmender Leistung nur noch linear an, im Unterschied zu einem einzelnen Konvertermodul, bei dem die Störleistung quadratisch mit der Nutzleistung zunimmt.

Dadurch können die erforderlichen Filter zur Einhaltung von Entstörvorschriften kleiner ausfallen und sind in bestimmten Fällen sogar ganz entbehrlich.

Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die von dem Konverter­ system zu übertragende Leistung 30-50 W. Dabei liegen die einzelnen Eingangs­ spannungen V1 - n bei n = 10 Konvertermodulen bei jeweils ca. 10 V, so daß sich bei einer eingangsseitigen Reihenschaltung der zehn Konvertermodule eine Eingangsgleichspannung von etwa 100 V verarbeiten läßt. Die Ausgangsgleichspannung der einzelnen Konverter­ module liegt in diesem Beispiel zwischen 5 bis 12 V.

Fig. 2 zeigt ein Schaltnetzteil gemäß der Erfindung zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung V0 in eine Ausgangsgleichspannung V2. Es umfaßt eine Gleichrichterschaltung 20 zum Umwandeln der Wechselspannung V0 in eine geglättete aber eventuell unstabilisierte Gleichspannung V1. Diese Gleichspannung versorgt das erfindungsgemäße Konvertersystem 10, das die Gleichspannung V1 in eine Ausgangsgleichspannung V2 umwandelt.

Claims (12)

1. Konvertersystem (10) zum Umsetzen einer Eingangsgleichspannung (V1) in eine Ausgangsgleichspannung (V2), insbesondere in Geräten der Unterhaltungselektronik, mit einer Vielzahl von Konvertermodulen (10-1. . .10-6), welche jeweils zumindest einen Teil der Eingangsspannung (V1) des Konvertersystems (10) empfangen und in zumindest einen Teil von dessen Ausgangsspannung (V2) umsetzen; dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Konvertermodule (10-1. . .10-6), von denen zumindest eines eine positive Eingangsimpedanz aufweist, eingangsseitig miteinander in Reihe geschaltet sind.

2. Konvertersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei eingangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule (10-1. . .10-6) ausgangsseitig parallel geschaltet sind.

3. Konvertersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei eingangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule (10-1. . .10-6) auch ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind.

4. Konvertersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne aus Vielzahl der Konvertermodule (10-1. . .10-6) eine Potential­ trennung zwischen ihrem jeweiligen Eingang und Ausgang aufweisen.

5. Konvertersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Konvertermodule gleichartig ausgebildet sind.

6. Konvertersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne der Konvertermodule integrierbar sind.

7. Konvertersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieübertragungsverhalten aller Konvertermodule gleichsinnig mit Hilfe eines Steuersignals einstellbar ist.

8. Konvertersystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal nach Maßgabe durch das Ergebnis eines Vergleichs der Ausgangs­ gleichspannung (V2) des Konvertersystems mit einer vorbestimmten Referenzgleich­ spannung (Vref) ausgebildet ist.

9. Konvertersystem (10) zum Umsetzen einer Eingangsgleichspannung (V1) in eine Ausgangsgleichspannung (V2), insbesondere in Geräten der Unterhaltungselektronik, mit einer Vielzahl von Konvertermodulen (10-1. . .10-6), welche jeweils zumindest einen Teil der Eingangsspannung (V1) des Konvertersystems (10) empfangen und in zumindest einen Teil von dessen Ausgangsspannung (V2) umsetzen; dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Konvertermodule (10-1. . .10-6), von denen zumindest eines eine positive Ausgangsimpedanz aufweist, ausgangsseitig miteinander in Reihe geschaltet sind.

10. Konvertersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule (10-1. . .10-6) eingangsseitig parallel geschaltet sind.

11. Konvertersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Konvertermodule (10-1. . .10-6 6) eingangsseitig parallel geschaltet sind.

12. Netzteil zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung (V0) in eine Ausgangsgleichspannung (V2) mit:
einer Gleichrichterschaltung (20) zum Umwandeln der Eingangswechselspannung (V0) in eine Eingangsgleichspannung (V1);
dadurch gekennzeichnet,
daß das Konvertersystem (10) nach Anspruch 1 oder 9 zum Umwandeln der Eingangs­ gleichspannung (V1) in die Ausgangsgleichspannung (V2) der Gleichrichtereinrichtung (20) des Netzteils nachgeschaltet ist.