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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN
ANMELDUNGEN:
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Diese Patentanmeldung beansprucht
die Priorität
aus der französischen
Patentanmeldung Nr. 03 03001, eingereicht am 11. März 2003,
auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen ist.
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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Konverter
für elektrische
Energie oder Strom und insbesondere einen Tief-Hochsetzsteller (Buck-Boost-Converter).
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In vielfältigen Topologien für Konverter,
die dazu dienen, eine Spannung aufwärts/abwärts zu transformieren und Blindleistung
zu verbessern, werden gegenwärtig
die Parallelchopper oder "Hochsetz"-Steller, die Seriellchopper
oder "Tiefsetz"-Steller, oder die
Induktivspeicherchopper oder "Tief-Hochsetz"-Steller verwendet.
Jeder dieser Konverter weist einen Nachteil auf. Im Falle des Parallelchoppers
(dem Hochsetzsteller) ist die Spannung am Ausgang regelmäßig höher als
die am Eingang angelegte Spannung. Im Falle des Seriellchoppers
(dem Tiefsetzsteller) ist die Spannung am Ausgang immer geringer
als die am Eingang angelegte Spannung. Obwohl es im Falle des Induktivspeicherchoppers möglich ist,
dass die Ausgangsspannung höher
oder niedriger sein kann als die am Eingang angelegte Spannung,
können
die starken Belastungen der Komponenten diesen Chopper ziemlich
unattraktiv machen.
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Das US-Patent 6 348 781 offenbart
einen hybriden Konverter, der als eine Parallel- oder Seriellchopper,
d.h. als "Tief oder
Hochsetz"-Konverter
arbeitet. Ein Nachteil dieses Konverter besteht darin, dass er eine
Topologie aufweist, in der zwei Transistoren das Zerhacken der Spannung
ausführen,
und zwar je ein Transistor für
jeden Betriebsmodus. Dieser Konverter weist demzufolge einen komplizierten und
kostspieligen Aufbau auf.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es existiert daher ein Bedarf nach
einem kostengünstigeren
Tief-Hochsetzsteller.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist ein Tief-Hochsetzsteller einen
Eingang und einen Ausgang und eine zwischen dem Eingang und dem
Ausgang angeordnete Schaltzelle auf, wobei die Zelle einen Schalter
enthält.
Der Konverter umfasst ferner einen Wahlschalter, der die Schaltzelle
wahlweise in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen konfiguriert:
eine Parallelchopper-(Hochsetz)-Konfiguration,
eine Seriellchopper-(Tiefsetz)-Konfiguration,
eine Induktivspeicherchopperkonfiguration, wo bei die Zelle denselben Schalter
in sämtlichen
der Konfigurationen verwendet.
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Ein Vorteil des Konverters besteht
darin, dass dieser mit einem kostengünstigen Aufbau in vielfältigen Betriebsmodi
arbeitet, da für
sämtliche Betriebsmodi
derselbe Schalter eingesetzt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung und deren Ausführungsbeispiele
werden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung
mit den Zeichnungen verständlicher:
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1 zeigt
die Topologie des Konverters gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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2, 3 und 4 zeigen die Konfiguration des Konverters
nach 1 in vielfältigen Betriebsmodi; und
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5 zeigt
die Topologie des Konverters nach 1 mit
einem zum Durchführen
des Schaltens geeigneten Schaltkreis.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
umfasst der Tief-Hochsetzsteller
eine Schaltzelle mit einem Schalter und einem Wahlschalter. Der
Wahlschalter kann die Schaltzelle wahlweise in mindestens zwei von
mehreren Konfigurationen konfigurieren. Die Zelle kann in der Konfiguration
eines Parallel- oder "Hochsetz")-Chopperschaltkreises
konfiguriert werden. Die Zelle kann in der Konfiguration eines Seriell- (oder "Tief setz")-Chopperschaltkreises
konfiguriert werden. Die Zelle kann ferner in der Konfiguration
eines Induktivspeicher-(oder "Tiefsetz-Hochsetz")-Chopperschaltkreises konfiguriert werden.
Unabhängig
von der Konfiguration verwendet die Zelle denselben Spannungszerhackerschalter.
Hierdurch werden die Kosten für
die Herstellung des Konverters gesenkt. Der Einsatz eines einzigen
Schalters vereinfacht auch die Konstruktion des Konverters. Darüber hinaus
ist es aufgrund der hybriden Bauart des Konverters möglich, diesen
in verschiedenen Ländern
mit unterschiedlichen Versorgungs- oder Netzspannungen zu verwenden.
Dieser Konverter ermöglicht
es, die Kosten des Implementierens eines von einem ersten Abwärtstransformationskonverter
gespeisten zweiten Konverters einzusparen.
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1 zeigt
eine Topologie des Konverters 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Der Tief-Hochsetzsteller 10 weist einen Eingang 12,
an dem eine Spannung Ue angelegt ist, und einen Ausgang 14 auf,
an dem die Spannung Us gegenüber der
Spannung Ue höher,
gleich oder geringer ist. Zwischen dem Eingang 12 und dem
Ausgang 14 weist der Konverter 10 eine Schaltzelle 16 auf.
Die Schaltzelle enthält
einen Schalter
161. Die Konfiguration der Schaltzelle variiert
in Abhängigkeit
von einem Wahlschalter 18. Der Wahlschalter 18 konfiguriert
die Zelle wahlweise in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen:
eine Seriellchopperkonfiguration, eine Parallelchopperkonfiguration
oder eine Induktivspeicherchopperkonfiguration. Die Zelle 16 verwendet
unabhängig
von der mittels des Wahlschalters 18 ausgewählten Konfiguration
den Schalter 161. Derselbe Schalter 161 ist dementsprechend
eingerichtet, um als ein Seriell-, Parallel- oder Induktivspeicherchopper
die am Eingang 12 während
eines Betriebes angelegte Spannung Ue zu zerhacken. Hierdurch wird
eine Reduzierung der Herstellungskosten des Konverters 10 ermöglicht.
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Der Tiefsetz-Hochsetzsteller 10 liefert
eine an eine Last 26 angepasste Spannung Us. Der Konverter 10 ermöglicht es,
eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung zu transformieren.
Es ist ebenfalls vorstellbar, dass der Konverter 10 die
Konvertierung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung ermöglicht.
Um dies zu verwirklichen, kann an dem Eingang 14 eine Gleichrichterdiodenbrücke 22 angeordnet
sein. Eine Diodenbrücke 22 ermöglicht es,
die Spannung Ue gleichzurichten. Der Konverter verfügt lässt sich
vielfältig
einsetzen. Insbesondere ist der Konverter 10 in der Lage,
im Parallelchoppermodus zu arbeiten, in dem der Konverter am Ausgang 14 eine
Spannung Us liefert, die größer ist, als
die Spannung Ue am Eingang 12. Der Konverter 10 ist
ferner in der Lage, im Seriellchoppermodus zu arbeiten, in dem der
Konverter am Ausgang 14 eine Spannung Us liefert, die geringer
ist als die Spannung Ue am Eingang. Der Konverter 10 ist
ferner in der Lage, im Induktivspeicherchoppermodus zu arbeiten,
in dem der Konverter am Ausgang 14 eine Spannung Us liefert,
die gegenüber
der Spannung Ue am Eingang 12 höher, niedriger oder gleich
ist. In diesem Betriebsmodus, werden die Komponenten zwar hohen
Belastungen ausgesetzt, jedoch ermöglicht der Konverter, während er
den Eingangsstrom steuert und für
eine kurze Zeitspanne eines Übergangs,
einen Übergang
vom Seriellchoppermodus zum Parallelchoppermodus (oder umgekehrt).
Insbesondere ist der Konverter 10 in der Lage, im Seriellchoppermodus
zu arbeiten, um kontrollierte Vorgänge des Einschaltens oder des
Abschaltens durchzuführen.
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Die Schaltzelle 16, die
den Schalter 161 umfasst, bewirkt eine Aufwärts- oder
Abwärtstransformation
der am Eingang des Konverters angelegten Spannung. Die Konfiguration
der Schaltzelle 16 variiert in Abhängigkeit von einer mittels
des Wahlschalters 18 durchgeführten Wahl. Die Konfiguration
ist an den Betriebsmodus des Konverters angepasst. Die Schaltzelle 16 umfasst
den Schalter 161. Die Zelle 16 nutzt in den vielfältigen Betriebsmodi
denselben Schalter. Die Zelle weist ferner eine Induktivität 162 (Drossel)
und Dioden 163, 164, 165 auf. Die Verbindungen
zwischen dem Schalter 161, der Induktivität 162 und
den Dioden 163, 164, 165 variieren in
Abhängigkeit
von dem Betriebsmodus der Zelle.
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Der Schalter 161 kann ein
Transistor sein, beispielsweise ein Hochfrequenztransistor. Der
Transistor ist beispielsweise ein 30-kHz-Transistor. Die Wahl eines
Hochfrequenztransistors ermöglicht
eine Verringerung der Abmessung der Induktivität. Der Transistor kann ebenso
ein Niederfrequenztransistor sein. Der Hochfrequenztransistor 161 erfüllt die Funk tion
einer Regulierung der Ausgangsspannung und der Verbesserung der
Blindleistung. Der Schalter 161 wird unter der Steuerung/Regelung
eines Steuerschaltkreises periodisch geschaltet. Ein Vorteil des Konverters
besteht darin, dass dieser daher lediglich einen einzigen Hochfrequenztransistor
und einen einzigen raschen Steuerschaltkreis benötigt. Dies ermöglicht eine
kostengünstigere
und einfachere Herstellung des Konverters.
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Die Induktivität 162 ermöglicht es,
Energie zu akkumulieren, und die Dioden stellen entsprechend den
Betriebsmodi sicher, dass der Stromin der Induktivität 162 beim Öffnen des
Schalters 161 unterbrechungsfrei fließt.
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Der Wahlschalter 18 ermöglicht es
zwischen den Betriebsmodi des Konverters 10 hin- und herzuschalten.
Der Wahlschalter 18 wird mittels eines langsamen Steuerschaltkreises
gesteuert. Der Wahlschalter umfasst beispielsweise Transistoren 181, 182.
Die Transistoren 181, 182 können Niederfrequenztransistoren
sein, beispielsweise 50-Hz-Transistoren. Der Vorteil derartiger
Transistoren besteht darin, dass sie einen weniger kostspieligen
Steuerschaltkreis benötigen
als die Hochfrequenztransistoren. Allerdings können die Transistoren 181, 182 ebenso
Hochfrequenztransistoren sein. Der Wahlschalter 18 kann
unterschiedliche Positionen einnehmen. Als nicht als beschränkend zu
bewertendes Beispiel ermöglicht
der Wahlschalter 18 eine Wahl zwischen drei Positionen.
Wenn die Niederfrequenztransistoren 181 und 182 gesättigt sind,
wobei dies einem geschlossen Ein-/Aus-Schalter entspricht, befindet
sich der Konverter in einem Betriebsmodus, der demjenigen ei nes
Parallelchoppers entspricht. Wenn die Niederfrequenztransistoren 181 und 182 gesperrt
sind, wobei dies dem geöffneten Ein-/Aus-Schalter
entspricht, befindet sich der Konverter in einem Betriebsmodus,
der demjenigen eines Seriellchoppers entspricht. Wenn der Niederfrequenztransistor 181 gesperrt
ist, wobei dies einem geschlossenen Ein-/Aus-Schalter entspricht,
und der Niederfrequenztransistor 182 gesperrt ist, was
einem geöffneten
Ein-/Aus-Schalter entspricht, befindet sich der Konverter in einem
Betriebsmodus, der demjenigen eines Induktivspeicherchoppers entspricht.
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Die Wahl der Komponenten ist weitgehend beliebig,
bestimmt sich allerdings in erster Linie danach, dass die Komponenten
im durchgeschalteten Zustand einen niedrigen Widerstand aufweisen.
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Die Topologie des Konverters 10 wird
nun anhand von 1 beschrieben.
Der Konverter umfasst einen Eingang 12 und einen Ausgang 14.
Die Spannung Ue liegt am Eingang 12 an. Der Konverter 10 kann
mit der Spannungsgleichrichterdiodenbrücke 22 ausgestattet
sein oder auch nicht. Der Konverter 10 umfasst eine erste
Reihenschaltung, über deren
Anschlüsse
die Spannung Ue anliegt; die Reihenschaltung umfasst den Schalter 161,
den Transistor 181 und den Induktor 162. Der erste
Anschluss des Induktors 162 ist an dem Eingang 12 und
sein zweiter Anschluss an dem Transistor 181 angeschlossen.
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Der Konverter umfasst ferner eine
zweite Reihenschaltung, die den Transistor 182 und die
Diode 165 aufweist. Die zweite Reihenschaltung ist parallel
zu dem Schalter 161 ge schaltet. Die Anode der Diode 165 ist
mit dem Transistor 182 verbunden und die Kathode der Diode 165 ist
mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor 181 und
dem Schalter 161 verbunden.
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Die Anode der Diode 163 ist
mit der Anode der Diode 165 verbunden und ihre Kathode
ist mit dem ersten Anschluss der Induktivität 162 verbunden. Die
Anode der Diode 164 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden,
d.h. an das Verbindungselement zwischen der Induktivität 162 und
dem Transistor 181 angeschlossen, und ihre Kathode ist
mit dem Ausgang 14 verbunden.
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Die Spannung Us am Ausgang 14 wird
zwischen der Kathode der Diode 164 und dem Verbindungspunkt
zwischen der Diode 165 und dem Transistor 182 abgegriffen.
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Der Konverter kann ferner einen Kondensator 20 umfassen,
der dazu dient, die Spannung am Ausgang 14 zu filtern.
Der Kondensator kann parallel zu der Reihenschaltung geschaltet
werden, die die Diode 165, den Transistor 181 und
die Diode 164 aufweist. Die Spannung Us wird an den Anschlüssen des
Kondensators 20 abgegriffen.
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Der Betrieb des Konverters wird nun
anhand von 2, 3 und 4 erläutert. 2 bis 4 zeigen die Konfiguration des Konverters
nach 1 in vielfältigen Betriebsmodi.
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2 zeigt
den Konverter nach 1 in
der Funktion eines Parallelchoppers (oder Hochsetz-Schaltung). Der
Wahl schalter 18 befindet sich in einer ersten Position.
In einem Ausführungsbeispiel eines
Wahlschalters 18 in Form von Transistoren 181 und 182 sind
die Transistoren gesättigt,
um die Funktion eines geschlossenen Ein-/Aus-Schalters zu erzielen.
In dieser Position des Wahlschalters weist die Schaltzelle 16 eine
Konfiguration eines Parallelchoppers auf oder eine solche, die zu
derjenigen eines Parallelchoppers äquivalent ist; die Zelle 16 erfüllt eine
Funktion eines Aufwärtstransformierens
der Spannung Ue zu einer höheren
Spannung Us. Die Zelle 16 weist in diesem Falle als Komponenten
die Induktivität 162,
den Schalter 161 und die Diode 164 auf, die an
einem Schaltungsknoten miteinander verbunden sind. Mittels einer
einfachen Wahl des Wahlschalters 18 werden diese Komponenten
miteinander verbunden, um der Zelle, und in einer allgemeinen Weise
dem Konverter, die Konfiguration eines Parallelchoppers zu verleihen.
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In 2 liegt
die am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einer
Reihenschaltung an, die den Induktor 162 und den Schalter 161 umfasst.
Der Schalter 161 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden.
Eine Diode 164 ist über
ihre Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschluss
der Induktivität 162 und
dem Schalter 161 verbunden. Die Diode 164 ist über ihre
Kathode an den Ausgang 14 angeschlossen. Die Diode 164,
die Induktivität 162 und der
Schalter 161 sind an einem Schaltungsknoten verbunden.
Der Kondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltung
des Schalters 161 und der Diode 164 angeschlossen
sein.
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Die Diode 165 ist parallel
zu dem Schalter 161 geschaltet, wobei die Kathode mit dem
zentralen Knoten der sternförmigen
Verbindung zwischen der Diode 164, der Induktivität 162 und
dem Schalter 161 verbunden ist. Die Diode 165 befindet
sich nicht im Leitzustand, entweder weil sie durch den Schalter 161 kurzgeschlossen
ist, wenn letzterer durchgeschaltet ist, oder weil sie abgeschaltet
wird, wenn der Schalter 161 öffnet. Die Diode 163 ist
einerseits über ihre
Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 165 und
dem Schalter 161 und andererseits mit dem ersten Anschluss
der Induktivität 162 verbunden.
Sie ist durch die Spannung Ue ständig
in Sperrrichtung in Richtung des ausgeschalteten Zustands vorgespannt
und kann folglich auf keinen Fall in den elektrisch leitfähigen Zustand
geraten.
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Der Betrieb des Konverters 10 in
diesem Wahlmodus des Wahlschalters geschieht wie folgt. Der Schalter
wird entsprechend der Befehle eines (nicht gezeigten) Steuerschaltkreises
periodisch geschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenen
oder geschlossen Ein-/Aus-Schalters auf. Es wird an den Anschlüssen der
Induktivität 162 anliegendes
rechteckiges Spannungssignal erhalten. Dieses Spannungssignal legt
den Strom fest, der durch die Induktivität 162 fließt, dessen
Mittelwert sich durch Variieren der Schaltdauer einstellen lässt. Der Kondensator 20 ermöglicht es,
die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zu filtern. Die
Diode 164 dient dazu, die den Strom in der Induktivität beim Öffnen des
Schalters unterbrechungsfrei fließen zu lassen. Wenn der Schalter
geschlossen wird (was einem gesättigten
Transistor entspricht), wächst
der Strom und der die Induktivität
spei chert Energie. Wenn der Schalter geöffnet ist (was einem gesperrten
Transistor entspricht), fließt
der Strom in der Induktivität 162 in
die Diode 164, die augenblicklich leitend wird.
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Im Parallelchoppermodus weist der
Konverter im Vergleich zu dem Konverter des US-Patents 6 348 781
hinsichtlich der Zuverlässigkeit
Vorteile auf. Insbesondere für
den Fall, dass diese zwei Konverter im Parallelchoppermodus ("Hochsetzsteller"-Modus) betrieben
werden, haben der "Tiefsetz-Schalt"-Transistor des US-Patents 6 348 781
(nachstehend als "Tiefsetz-Transistor" bezeichnet) und
die Niederfrequenztransistoren 181, 182 des Konverters 10 dieselbe
Funktion. Im Parallelchoppermodus sind sämtliche dieser drei Transistoren äquivalent
zu einem geschlossen Ein-/Aus-Schalter vollkommen durchgeschaltet,
jedoch fließen
durch diese unterschiedliche Ströme.
Der durch den Buck-Transistor fließende effektive Strom ist um
das √2-fache größer als der in den Transistoren 181 und 182 fließende Strom.
Diese ist die Wahl des Tiefsetz-Transistors
eingeschränkt.
Genauer gesagt bedeutet dies, das für einen vorgegebenen Arbeitspunkt
für die
Ströme
in den Transistoren die folgende Beziehung gilt: Irms Transistor_buck
2 = Irms_181
2 + Irms_182
2. Unter der Annahme, dass das Kriterium
eines niedrigen Widerstands vernachlässigt wird, und dass die drei
Komponenten denselben Widerstand aufweisen, werden die Verluste übereinstimmen.
Allerdings werden die Verluste in dem Konverter auf die beiden Transistoren 181 und 182 verteilt
sein, anstatt auf denselben Tiefsetz-Transistor konzentriert zu
werden. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit
ist der Konverter 10 daher vorteilhafter.
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3 zeigt
den Konverter nach 1 betrieben
als einen Seriell-(oder "Tiefsetz")-Chopper. Der Wahlschalter 18 befindet
sich in einer zweiten Position. In einem Ausführungsbeispiel des Wahlschalters 18 in
Form von Transistoren 181 und 182 sind die Transistoren
gesperrt, wodurch die Funktion von geöffneten Ein-/Aus-Schaltern
erreicht wird. In dieser Position des Wahlschalters weist die Schaltzelle 16 eine
Konfiguration eines Seriellchoppers auf oder eine solche, die zu
derjenigen eines Seriellchoppers äquivalent ist; die Zelle 16 erfüllt eine
Funktion des Abwärtstransformierens
der Spannung Ue zu einer niedrigeren Spannung Us. Mittels einer
einfachen Wahl des Wahlschalters 18 weist die Zelle, und
in einer allgemeinen Weise der Konverter, die Konfiguration eines
Seriellchoppers auf. In diesem zweiten Betriebsmodus transformiert
der Konverter die am Eingang angelegte Spannung abwärts, indem
er denselben Schalter 161 wie in dem vorhergehenden Fall verwendet.
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In 3 liegt
die am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einer
Reihenschaltung, die die Diode 163, die Diode 165 und
den Schalter 161 umfasst. Die Diode 163 ist mit
ihrer Anode an der Anode der Diode 165 angeschlossen. Die Kathode
der Diode 165 ist mit dem Schalter 161 verbunden.
Ein Ende der Induktivität 162 ist
mit der Kathode der Diode 163 verbunden. Das andere Ende der
Induktivität 162 ist
mit der Anode der Diode 164 verbunden. Die Kathode der
Diode 164 ist mit dem Ausgang 14 verbunden. Der
Kondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltung angeschlossen
sein, die die Diode 163, die Induktivität 162 und die Diode 164 umfasst.
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Die Diode 165 ist Teil der
Reihenschaltung, die den Schalter 161 und die Diode 163 aufweist.
Die Diode 165 ist in Durchlassrichtung vorgespannt und ist
in Reihe mit dem Schalter 161 geschaltet. Aufgrund des
Betriebs des Schaltkreises im Seriellchoppermodus ist die Diode 165 ständig positiv
vorgespannt, d. h. immer in einem leitenden Zustand, auch dann,
wenn kein Strom durch diese fließt, da es der Schalter ist,
der den Strom unterbricht und durch die Schaltvorgänge belastet
wird. Ein Anschluss der Diode 164 ist über ihre Anode mit der Induktivität 162 und über das
andere Ende mit dem Ausgang 14 verbunden. Die Diode 164 ist
mit der Induktivität 162 in Reihe
geschaltet. Die Induktivität 162 kann
entsprechend der nach vorne gerichteten Diode lediglich in einer
Richtung leiten, nämlich
von dem Eingang 12 zu dem Ausgang 14. Folglich
leitet die Diode 164, falls die Induktivität 162 durchgeschaltet
ist.
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Der Betrieb des Konverters 10 in
diesem Wahlmodus des Wahlschalters ist wie folgt. Der Schalter wird,
gesteuert durch einen (nicht gezeigten) Steuerschaltkreis, periodisch
geschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenen oder geschlossen
Ein-/Aus-Schalters auf. Der Schalter zerhackt das Eingangssignal.
Ergebnis ist ein an den Anschlüssen
der Induktivität 162 anliegendes
rechteckiges Spannungssignal. Dieses Spannungssignal definiert den
Strom, der durch die Induktivität 162 fließt, dessen
Mittelwert durch Variieren der Schaltdauer eingestellt werden kann.
Der Kondensator 20 ermöglicht
es, die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zu
filtern. Die Diode 163 dient dazu, die Konti nuität des Stroms
in dem Induktor beim Öffnen
des Schalters sicherzustellen. Wenn der Schalter geschlossen wird
(was einem gesättigten
Transistor entspricht), wächst
der Strom und die in der Induktivität gespeicherte Energie. Wenn
der Schalter geöffnet
ist (was einem gesperrten Transistor entspricht), fließt der Strom
in der Induktivität 162 in
die Diode 163, die augenblicklich leitend wird.
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4 zeigt
den Konverter nach 1 als
einen Induktivspeicher-(oder "Tiefsetz-Hochsetz")-Chopper betrieben
(als Drosselwandler). Der Wahlschalter befindet sich in einer dritten
Position. In einem Ausführungsbeispiel
des Wahlschalters 18 in Form von Transistoren 181 und 182 ist
der Transistor 181 gesättigt,
was einem geschlossenen Ein-/Aus-Schalter entspricht, und der Transistor 182 ist
gesperrt, was einem geöffneten
Ein-/Aus-Schalter entspricht.
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In 4 liegt
die am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einer
Reihenschaltung, die den Induktor 162 und den Schalter 161 umfasst.
Der Schalter 161 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden.
Die Diode 164 ist über
ihre Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschluss
der Induktivität 162 und
dem Schalter 161 verbunden. Die Diode 164 ist über ihre
Kathode an den Ausgang 14 angeschlossen. Die Diode 164,
die Induktivität 162 und
der Schalter 161 sind an einem Sternpunkt verbunden. Die
Kathode der Diode 165 ist mit dem zentralen Knoten der
Sternschaltung verbunden, die die Diode 164, die Induktivität 162 und
den Schalter 161 umfasst. Die Diode 165 ist über ihre
Anode mit dem Ausgang 14 verbunden. In diesem Ausführungsbei spiel ist
die Diode 165 ständig
gesperrt, da die Diode 165, wenn die Diode 164 leitend
ist, in Sperrrichtung auf eine Spannung vorgespannt wird, die gleich
Us ist, und die beiden Dioden sich die Sperrrichtungsvorspannung
Us teilen, falls die Diode 164 gesperrt ist. Ein Anschluss
der Diode 163 ist mit der Anode der Diode 165 verbunden
und der andere mit dem ersten Anschluss der Induktivität 162.
Der Kondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltung
der Diode 165 und der Diode 164 angeschlossen
sein.
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Der Betrieb des Konverters 10 in
diesem Wahlmodus des Wahlschalters läuft wie folgt ab. Der Schalter
wird abhängig
von den Steuerbefehlen eines (nicht gezeigten) Steuerschaltkreises
periodisch geschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenen
oder geschlossen Ein-/Aus-Schalters auf. Es wird ein an den Anschlüssen der
Induktivität 162 anliegendes
rechteckiges Spannungssignal erhalten. Dieses Spannungssignal definiert
den Strom, der durch die Induktivität 162 fließt, dessen
Mittelwert sich durch ein Variieren der Schaltdauer einstellen lässt. Der
Kondensator 20 ermöglicht
es, die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zu filtern.
Die Diode 163 dient dazu, die Kontinuität des Stroms in der Induktivität beim Öffnen des
Schalters sicherzustellen. Wenn der Schalter 161 geschlossen wird
(was einem gesättigten
Transistor entspricht), steigt der Strom an und die Induktivität speichert
Energie. Wenn der Schalter 161 geöffnet ist (was einem gesperrten
Transistor entspricht), fließt
der Strom in der Induktivität 162 in
die Diode 163, die augenblicklich leitend wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
konfiguriert der Wahlschalter 18 die Schaltzelle 16 wahlweise
gemäß den drei
anhand von 2 bis 4 beschriebenen Konfigurationen.
Der Vorteil liegt darin, dass es möglich ist, den Konverter in
vielfältigen
Betriebsmodi zu betreiben, während
lediglich ein einziger Schalter 161 verwendet wird. Diese
macht den Konverter kostengünstiger.
Im Induktivspeicherchoppermodus ermöglicht der Konverter 10,
während
der Eingangsstrom gesteuert wird, einen Übergang von dem Seriellchoppermodus
zu dem Parallelchoppermodus (oder umgekehrt).
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5 zeigt
die Topologie des Konverters nach 1 mit
einem Schalthilfskreis 28. Der Schalthilfskreis 28 ist
als Beispiel gezeigt und ist nicht auf letzteren beschränkt. Der
Schalthilfskreis 28 unterstützt das Schalten des Schalters 161 und
reduziert die Überspannung
in dem Schalter, wenn dieser geöffnet
wird. Der Schalthilfskreis 28 unterstützt ferner das Schalten der
Diode 164 im Parallelchoppermodus und der Diode 163 in
den Modi des Seriellchoppers oder Induktivspeicherchoppers.
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Der Schalthilfskreis 28 umfasst
eine Reihenschaltung, die einen Ein-/Aus-Schalter 281,
eine Diode 282 und eine Induktivität 283 umfasst, wobei
diese Reihenschaltung zu dem Schalter 161 parallel geschaltet
ist. Die Diode 282 ist über
ihre Kathode mit dem Ein-/Aus-Schalter 281 und über ihre
Anode mit der Induktivität 283 verbunden.
Der Schalthilfskreis 28 umfasst ferner eine Diode 284,
die mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität 283 und
der Diode 282 verbunden ist, und deren anderer Anschluss
mit der Katho de der Diode 164 verbunden ist. Der Schalthilfskreis 28 umfasst
außerdem
eine Diode 286 und einen Kondensator 285, die beide
zu dem Schalter 161 parallel geschaltet sind. Das Einschalten
des Ein-/Aus-Schalters 281 ermöglicht ein lineares und gesteuertes
Ansteigen des durch die Induktivität 283 fließenden Stroms.
Wenn dieser Strom einen ausreichenden Pegel erreicht, wird er ein
sanftes Abschalten des Stroms ermöglichen, der durch die Diode 164 fließt (falls
diese sich im Parallelchoppermodus befindet), oder der durch die
Diode 163 fließt
(falls diese sich im seriellen oder im Induktivspeicherchoppermodus
befindet). Daraufhin kommt es zu Resonanz zwischen der Induktivität 283 und
dem parallel zu dem Schalter 161 geschalteten Kondensator 285.
Folglich erreicht die Spannung in dem Schalter 161 knapp
bevor sie den Schalter einschaltet den Wert Null, wodurch ein sanftes Schalten
des Schalters ermöglicht
wird. Eine zu dem Schalter 161 und dem Kondensator 285 parallel
geschaltete Diode 286 verhindert ein (gefährliches) Umkehren
der an den Anschlüssen
des Schalters 161 anliegenden Spannung. Die Diode 286 ermöglicht es
ferner, die Kontinuität
des auf diese Resonanz zurückzuführenden
Stroms zu gewährleisten. Sobald
die an den Anschlüssen
des Schalters 161 anliegende Spannung nahe Null ist, kann
der Ein-/Aus-Schalter 281 geschlossen werden (d.h. ein Durchschalten
veranlasst werden), und unmittelbar anschließend kann der Ein-/Aus-Schalter 281 geöffnet werden.
Der in der Induktivität 283 gespeicherte Strom
fließt über die
Diode 284 zum Ausgang.
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Ein Vorteil des Konverters besteht
darin, dass dieser lediglich einen Schalthilfskreis benötigt, um
den Schalter
161 zu schützen.
Dies vereinfacht die Anordnung und macht diese kostengünstiger.
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Die offenbarten Ausführungsbeispiele
eines Konverters sind nicht streng auf die beschriebenen Topologien
beschränkt,
sondern lassen sich auch auf symmetrische Topologien oder solche
erweitern, in denen zwischen den beschrieben Komponenten weitere
Komponenten eingefügt
sein können.
Außerdem kann
die Induktivität
durch einen Transformator ersetzt werden. Darüber hinaus können die
Kombinationen der Konfigurationen auch voneinander unabhängig in
Betracht gezogen werden.
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Ein Tief-Hochsetzsteller (10),
zu dem gehören:
ein Eingang (12) und ein Ausgang (14), eine Schaltzelle
(16) mit einem zwischen dem Eingang (12) und dem
Ausgang (14) angeordneten Schalter (161) und ein
Wahlschalter (18), der die Schaltzelle (16) wahlweise
in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen konfiguriert: eine
Parallelchopperkonfiguration, eine Seriellchopperkonfiguration oder eine
Induktivspeicherchopperkonfiguration, wobei die Zelle (16)
in sämtlichen
der Konfigurationen denselben Schalter (161) verwendet.
Der Konverter weist einen einzigen Schalter für vielfältige Betriebsmodi des Konverters
auf.
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Der Fachmann kann vielfältige Abwandlungen
an der Struktur/Vorgehensweise und/oder der Funktion und/oder dem
Ergebnis der offenbarten Ausführungsbeispiele
vornehmen oder vorschlagen ohne von dem Gegenstand und Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen.