DE10124354A1 - Spannungsversorgung mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung zur Umwandlung einer 3-Phasen-Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung. DOLLAR A Stromversorgung zur Umwandlung einer 3-Phasen-Eingangswechselspannung (U¶R¶, U¶S¶, U¶T¶) in eine Ausgangsgleichspannung (U¶A¶) besitzt drei Schaltnetzteileinheiten (SRN, SNS, SNT), von welchem jede primärseitig eines Übertragers (TRF) einen von einen pulsweiten-gesteuerten Schalter (V1, V2) aufweist und ein Sekundärgleichrichter (D1, D2) über einen Siebkondendator (C1) die Ausgangsgleichspannung (U¶A¶) liefert, wobei der Strom vor dem Siebkondensator (C1) im wesentlichen nach einer Sinus-Quadrat-Funktion gesteuert wird und jede der drei Schaltnetzteileinheiten (SNR, SNS, SNT) eingangsseitig an eine der drei Phasen (R, S, T) des Drehmomentnetzes gelegt ist und die Gleichspannungsausgänge der Netzteileinheiten parallel geschaltet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung zur Um­ wandlung einer 3-Phasen-Eingangswechselspannung in eine Aus­ gangsgleichspannung.

Für viele Stromversorgungen, z. B. für solche von Telekommu­ nikationseinrichtungen, gelten höhere Anforderungen an eine sinusförmige Netzstromaufnahme einerseits bzw. für eine Aus­ gangsgleichspannung mit geringer Welligkeit andererseits, wobei der Wirkungsgrad möglichst hoch sein soll. Die Verwen­ dung bekannter zweistufiger Wandler mit Gleichrichtung der Eingangswechselspannung und einem Gleichspannung/Gleich­ spannungswandler kann zwar hinsichtlich der sinusförmigen Netzstromaufnahme und der geringen Welligkeit der Ausgangs­ gleichspannung zufriedenstellen, doch ist der Wirkungsgrad meist nicht genügend hoch. Hinsichtlich des Wirkungsgrades wäre die Verwendung eines Wandlers ohne Zwischenkreis in einstufiger Topologie zweckmäßig, doch ist gerade wegen des fehlenden Zwischenkreises die Ausgangswelligkeit hoch.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad, möglichst sinusförmi­ ger eingangsseitiger Stromaufnahme und geringer Welligkeit am Ausgang.

Diese Aufgabe wird mit einer Stromversorgung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß drei Schaltnetzteileinheiten vorgesehen sind, von welchen jede einen von einer Ansteuerschaltung mit einem Pulsweitenmodula­ tor gesteuerten Schalter aufweist, über den die gleichgerich­ tete Eingangswechselspannung an zumindest eine Primärwicklung eines Übertragers legbar ist, sowie einen, einer Sekundär­ wicklung des Übertragers nachgeschalteten Sekundärgleichrich­ ters, welcher an einem Siebkondensator die Ausgangsgleich­ spannung liefert, wobei jede der drei Schaltnetzteileinheiten eingangsseitig an eine der drei Phasen des Drehstromnetzes gelegt ist und die Gleichspannungsausgänge der Netzteilein­ heiten parallel geschaltet sind.

Die Ausbildung nach der Erfindung führt zu einem Wandler, bei dem trotz bescheidenem Aufwand ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Ausgangswelligkeit ebenso erreichbar sind, wie gegebenenfalls eine sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz. Es wird für den Fachmann klar sein, dass die Ausgangswellig­ keit der parallel geschalteten Ausgänge aufgrund der um 120° verschobenen Phasen der Eingangswechselspannungen signifikant geringer ist, als bei einem einphasigen Schaltnetzteil.

Da die 3-Phasen-Spannungen in der Praxis nicht immer gleich sind, kann man, um die Qualität der Ausgangsspannung zu erhö­ hen, vorsehen, dass jede Schaltnetzteileinheit einen Strom­ sensor für ihren Ausgangsstrom besitzt und ihre Ansteuer­ schaltung dazu eingerichtet ist, auf gleichen Ausgangsstrom jeder Netzteileinheit zu regeln, wozu als Referenz der jeder Ansteuerschaltung zur Verfügung gestellte Mittelwert der Ausgangsströme aller drei Netzteileinheiten herangezogen ist.

Zur weiteren Verbesserung der Sinusförmigkeit des Eingangs­ stroms ist es ratsam, wenn die Ansteuerschaltung jeder Netz­ teileinheit dazu eingerichtet ist, auf den Ausgangsstrom vor dem Siebkondensator unter Benutzung einer auf die Eingangs­ wechselspannung rückbezogenen Referenzwechselspannung zu regeln.

Dabei ergibt sich eine einfache technische Lösung, wenn eine Referenzeinheit zur Bildung der Referenzwechselspannung vor­ gesehen ist, welche im wesentlichen eine mit der Eingangs­ wechselspannung synchronisierte Sinus-Quadrat-Spannung ist.

Um allfällige Ungleichheiten bezüglich der Blindlast in den einzelnen Phasen des Wechselstromnetzes kompensieren bzw. solchen Ungleichheiten entgegenwirken zu können, kann es zweckmäßig sein, wenn die Phasenlage der Referenzwechselspan­ nung bezüglich der Eingangswechselspannung mit Hilfe eines Phasenschiebers einstellbar ist.

Eine besonders sinnvolle Verknüpfung der für die Regelung benötigten Größen erhält man, wenn für jede Schaltnetzteil­ einheit ein Multiplikator für die Multiplikation eines die Ausgangsgleichspannung betreffenden Regelsignals mit der Referenzwechselspannung vorgesehen ist, wobei das Ausgangs­ signal des Multiplikators nach Vergleich mit einem dem Ist­ wert des Ausgangsstroms entsprechenden Signals in einem Kom­ parator als Regelsignal für den Pulsweitenmodulator für den gesteuerten Schalter zugeführt ist.

Zur Einführung des Strommittelwertes aller drei Netzteilein­ heiten in die Regelung, kann eine Ausbildung empfehlenswert sein, bei welcher für jede Schaltnetzteileinheit eine Strom­ regeleinheit vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, aus der Abweichung des Mittelwertes des Ausgangsstroms einer Schaltnetzteileinheit von dem Mittelwert aller Schaltnetz­ teileinheiten eine Regelgröße für die Ansteuerung des Puls­ weitenmodulators zu bilden, welche mit einer bezüglich der doppelten Netzfrequenz großen Zeitkonstante behaftet ist.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 in einem Blockschaltbild die Zusammenschaltung von drei identischen Schaltnetzteileinheiten und

Fig. 2 in einem prinzipiellen Blockdiagramm die Schaltung einer der drei Schaltnetzteileinheiten nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt drei Schaltnetzteileinheiten SNR, SNS, SNT, die mit ihren Eingängen je an eine Phase R, S bzw. T eines Drei­ phasennetzes mit Eingangswechselspannungen bzw. Phasenspan­ nungen U_R, U_S und U_T angeschlossen sind. Die Ausgänge dieser Schaltnetzteileinheiten sind hingegen sämtliche parallelge­ schaltet und führen gemeinsam eine Ausgangsgleichspannung U_A. Ein besonders für die Anwendung bei der Erfindung bevorzugter Wandlertyp ist ein einstufiger Schaltwandler, der in ver­ schiedenen Ausführungsformen dem Fachmann bekannt ist. Ein solcher Wandler kann eine Ansteuerschaltung besitzen, die dem Fachmann gleichfalls bekannt ist und in vielen Ausführungs­ formen im Handel erhältlich ist, wie z. B. die Type UCC3857 der Unitrode Corporation. Ein Wandler mit der zugehörigen Ansteuerschaltung ist beispielsweise in dem Datenblatt "Iso­ lated Boost PFC Preregulator Controller" der Firma Unitrode vom 02/99 beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine der drei Schaltnetzteileinheiten SNR, SNS, SNT, welche sämtlich identisch ausgebildet sind, in näherem Detail. An Eingangsklemmen AC1 und AC2 liegt eine Phasenspan­ nung, z. B. U_R und wird mittels eines primären Gleichrichters V3, hier eines Brückengleichrichters gleichgerichtet und in dieser Form, d. h. ohne Zwischenkreiskondensator, über eine Induktivität L1 und ein Paar von gesteuerten Schaltern V1, V2 einer zweiteiligen Primärwicklung W1 zugeführt. Angesteuert wird der primäre Schalter bzw. das Schalterpaar V1, V2 von einem Pulsweitenmodulator PWM, dem eine Information über den Primärstrom, gemessen mittels eines Widerstands R1, ebenso zugeführt wird, wie ein Regelsignal s_r.

Die gezeigte Taktung mit Hilfe von zwei Schalttransistoren V1 bzw. V2 ist in vielen Fällen besonders zweckmäßig und hilft Sättigungseffekte in dem Übertrager TRF zu vermeiden. Wie erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf eine derartige Ansteuerschaltung oder ganz allgemein ein Schaltwandler der vorliegenden Art beschränkt.

Sekundärseitig wird die Spannung an einer mittenangezapften Sekundärwicklung W2 mit Hilfe von zwei Dioden D1, D2, gleich­ gerichtet und an einem Kondensator C1 geglättet, an welchem die Gleichspannung U_A als Ausgangsspannung liegt. Der Aus­ gangsstrom I_A wird mit Hilfe eines Stromsensors R2, hier eines Messwiderstandes gemessen, um in später noch zu erläu­ ternder Weise der gesamten Ansteuerschaltung AST zugeführt zu werden und zur Regelung beizutragen.

Nun wird bei gleichzeitiger Aufzählung der weiteren wesentli­ chen Bauteile der Ansteuerschaltung die Funktion derselben erläutert.

Um eine Regelgröße der sekundärseitigen Gleichspannung U_A zu bilden, wird diese Spannung über einen Spannungsteiler, be­ stehend aus den Widerständen R5 und R4 abgegriffen und an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP1 ge­ legt. An dem nicht invertierenden Eingang dieses Operations­ verstärkers liegt eine Referenzspannung U_rd als Gleichspan­ nungsreferenz. Mit dem Kästchen Z1 ist ein Stabilisierungs­ netzwerk, üblicherweise ein einfaches RC-Glied angedeutet. Der Ausgang des Operationsverstärkers führt somit ein Regel­ signal U_gr als Regelgröße für die Gleich-/Ausgangsspannung. Es handelt sich hier um eine langsame Regelung womit gemeint ist, dass die Zeitkonstante groß bezüglich der doppelten Netzfrequenz ist.

Zur Bildung einer Wechselspannungsreferenz wird in einer Referenzeinheit REF eine möglichst ideale Sinus-Quadrat- Funktion gebildet, wozu die Eingangswechselspannung über einen Widerstand R3 einer Synchronisiereinheit SYN zugeführt wird, welche die Leuchtdiode eines Optokopplers OK1 ansteu­ ert. Die Ausgangsspannung des Optokopplers OK1 ist über einen Phasenschieber PHS der Referenzeinheit zugeführt. Bei Bildung der Wechselspannungsreferenz U_ra sollen die Nullwerte der Sinus-Quadrat-Funktion und die Nulldurchgänge der Netzspan­ nung bei ohmscher Betriebsart zeitlich genau übereinstimmen.

Es ist weiter ein Multiplikator MUL vorgesehen, dessen einem Eingang die zuvor besprochene Wechselspannungsreferenz U_ra der Referenzeinheit REF zugeführt ist. Dem anderen Eingang ist die gleichfalls schon besprochene Gleichspannungsreferenz U_rd zugeführt, sodass an dem Ausgang des Multiplikators ein Signal entsteht, welches die Voraussetzung für die Regelung der Ausgangsgleichspannung und für eine sinusförmige Strom­ aufnahme aus dem Netz ist. Das Ausgangssignal des Multiplika­ tors MUL wird in einem Operationsverstärker OP2 mit einem für den Ausgangsstrom I_A repräsentativen und an R2 liegenden Wert verglichen, der über Widerstände R6 und R7 weitergeleitet wird. Somit ist das Ausgangssignal des Multiplizierers MUL de facto ein Sollwert für den Momentanwert des sekundärseitigen Stroms vor dem Siebkondensator C1. Auch dem Operationsver­ stärker OP2 ist ein Stabilisationsnetzwerk Z2 zugeordnet, im einfachsten und üblichsten Fall ein RC-Glied. Das Ausgangs­ signal des Operationsverstärkers OP2 soll nun als Regelsignal s_r an den Pulsweitenmodulator PWM geführt werden und hiezu ist zur galvanischen Trennung ein weiterer Optokoppler OK2 vorgesehen. Wie bereits erwähnt, steuert sodann der Ausgang des Pulsweitenmodulators PWM die Leistungsschalttransistoren V1 und V2, sodass die Regelkreise für die Ausgangsgleichspan­ nung sowie für die sinusförmige Netzstromaufnahme geschlossen sind. Durch Auswertung des Signals an dem Messwiderstand R1 im Primärkreis kann über den Pulsweitenmodulator PWM eine primärseitige Strombegrenzung realisiert werden.

Um die eingangs bereits angesprochene Problematik unter­ schiedlicher Phasenspannungen des Dreiphasennetzes in den Griff zu bekommen, ist eine weitere Regelung vorgesehen. Eine Stromregeleinheit CUR sorgt dafür, dass in jeder der drei Schaltnetzteileinheiten SNR, SNS, SNT (siehe Fig. 1) stets der gleiche Ausgangsstrom fließt. Hierfür muss wieder eine langsame Regelung vorgesehen sein, d. h. eine große Zeitkon­ stante, genauer gesagt, soll diese Zeitkonstante groß, ver­ glichen mit der doppelten Netzfrequenz, d. h. 100 Hz sein. Um dies zu ermöglichen, müssen natürlich alle drei Schaltnetz­ teileinheiten jeweils über die Stromsituation informiert sein. Hiezu ist eine gemeinsame Leitung sha vorgesehen, wel­ che den Mittelwert I_m der Ausgangsströme der drei Netzteil­ einheiten SNR, SNS, SNT führt. Eine solche Bildung eines Mittelwertes kann in bekannter und einfacher Weise mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerkes, bestehend z. B. aus drei Wider­ ständen durchgeführt werden. Wie bereits erwähnt, wird mit Hilfe des Widerstandes R2 der Ausgangsstrom I_A des Schalt­ netzteils gemessen und nun der Stromregeleinheit CUR zuge­ führt, und hier wird der tatsächliche Ausgangsstrom mit dem genannten Mittelwert I_m an der Leitung sha verglichen. Aus der Abweichung wird eine Regelgröße gebildet, nämlich ein Signal s_i, dass in geeigneter Weise in den Regelvorgang ein­ bezogen wird. Im vorliegenden Fall wird dieses Signal s_i dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 zuge­ führt und dadurch letztlich die Ausgangsspannung U_A der Schaltnetzteileinheit zu beeinflussen, dass durch den Regel­ vorgang jede der drei Schaltnetzteileinheiten den gleichen Ausgangsstrom liefert. Es ist noch zu bemerken, dass mit Hilfe des nicht erforderlichen, aber hier gezeigten Phasen­ schiebers PHS die Phasenlage der Referenzwechselspannung U_ra bezüglich der Eingangswechselspannung, z. B. U_R einstellbar ist. Dadurch kann die am Netz liegende Schaltnetzteileinheit induktiv, kapazitiv oder ohmsch eingestellt werden, was vor allem dann von Interesse ist, wenn eine Kompensation netzsei­ tig unerwünschter Phasenlagen erwünscht ist.

Claims (8)

1. Stromversorgung zur Umwandlung einer 3-Phasen-Eingangs­ wechselspannung (U_R, U_S, U_T) in eine Ausgangsgleichspan­ nung (U_A), dadurch gekennzeichnet, dass
drei Schaltnetzteileinheiten (SNR, SNS, SNT) vorgesehen sind, von welchen jede einen von einer Ansteuerschaltung (AST) mit einem Pulsweitenmodulator (PWM) gesteuerten Schalter (V1, V2) aufweist, über den die gleichgerichtete Eingangswechselspannung (U_R, U_S, U_T) an zumindest eine Primärwicklung (W1) eines Übertragers (TRF) legbar ist, sowie einen, einer Sekundärwicklung (W2) des Übertragers nachgeschalteten Sekundärgleichrichters (D1, D2), welcher an einem Siebkondensator (C1) die Ausgangsgleichspannung (U_A) liefert,
wobei jede der drei Schaltnetzteileinheiten (SNR, SNS, SNT) eingangsseitig an eine der drei Phasen (R, S, T) des Drehstromnetzes gelegt ist und die Gleichspannungsausgän­ ge der Netzteileinheiten parallel geschaltet sind.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltnetz­ teileinheit (SNR, SNS, SNT) einen Stromsensor (R2) für ihren Ausgangsstrom (I_A) besitzt und ihre Ansteuerschal­ tung (AST) dazu eingerichtet ist, auf gleichen Ausgangs­ strom jeder Netzteileinheit zu regeln, wozu als Referenz der jeder Ansteuerschaltung zur Verfügung gestellte Mit­ telwert (I_m) der Ausgangsströme aller drei Netzteilein­ heiten herangezogen ist.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschal­ tung (AST) jeder Netzteileinheit (SNR, SNS, SNT) dazu eingerichtet ist, auf den Ausgangsstrom (I_A) vor dem Siebkondensator (C1) unter Benutzung einer auf die Ein­ gangswechselspannung rückbezogenen Referenzwechselspan­ nung (U_ra) zu regeln.

4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzein­ heit (REF) zur Bildung der Referenzwechselspannung (U_ra) vorgesehen ist, welche im wesentlichen eine mit der Ein­ gangswechselspannung (U_R, U_S, U_T) synchronisierte Sinus- Quadrat-Spannung ist.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzein­ heit (REF) von der Eingangswechselspannung durch einen Optokoppler (OK1) galvanisch getrennt ist.

6. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage der Referenzwechselspannung (U_ra) bezüglich der Eingangswech­ selspannung mit Hilfe eines Phasenschiebers (PHS) ein­ stellbar ist.

7. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schalt­ netzteileinheit (SNR, SNS, SNT) ein Multiplikator (MUL) für die Multiplikation eines die Ausgangsgleichspannung (U_A) betreffenden Regelsignals (U_gr) mit der Referenzwech­ selspannung (U_ra) vorgesehen ist, wobei das Ausgangssig­ nal des Multiplikators nach Vergleich mit einem dem Ist­ wert des Ausgangsstroms (I_A) entsprechenden Signals in einem Komparator (OP2) als Regelsignal (s_r) für den Puls­ weitenmodulator (PWM) für den gesteuerten Schalter (V1, V2) zugeführt ist.

8. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schalt­ netzteileinheit (SNR, SNS, SNT) eine Stromregeleinheit (CUR) vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, aus der Abweichung des Mittelwertes des Ausgangsstroms (I_A) einer Schaltnetzteileinheit von dem Mittelwert (I_m) aller Schaltnetzteileinheiten eine Regelgröße für die Ansteue­ rung des Pulsweitenmodulators (PWM) zu bilden, welche mit einer bezüglich der doppelten Netzfrequenz großen Zeit­ konstante behaftet ist.