DE102004012310A1 - Tief-Hochsetzsteller - Google Patents

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DE102004012310A1
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load

Abstract

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.

Description

  • QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN:
  • 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.
  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen Konverter für elektrische Energie oder Strom und insbesondere einen Tief-Hochsetzsteller (Buck-Boost-Converter).
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es existiert daher ein Bedarf nach einem kostengünstigeren Tief-Hochsetzsteller.
  • 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.
  • Ein Vorteil des Konverters besteht darin, dass dieser mit einem kostengünstigen Aufbau in vielfältigen Betriebsmodi arbeitet, da für sämtliche Betriebsmodi derselbe Schalter eingesetzt wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung und deren Ausführungsbeispiele werden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher:
  • 1 zeigt die Topologie des Konverters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2, 3 und 4 zeigen die Konfiguration des Konverters nach 1 in vielfältigen Betriebsmodi; und
  • 5 zeigt die Topologie des Konverters nach 1 mit einem zum Durchführen des Schaltens geeigneten Schaltkreis.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Wahl der Komponenten ist weitgehend beliebig, bestimmt sich allerdings in erster Linie danach, dass die Komponenten im durchgeschalteten Zustand einen niedrigen Widerstand aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Tief-Hochsetzsteller (10), der aufweist: einen Eingang (12) und einen Ausgang (14); eine Schaltzelle (16) mit einem Schalter (161) zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (14); einen Wahlschalter (18), der wahlweise die Schaltzelle (16) in mindestens zwei der nachfolgenden Konfigurationen konfiguriert: eine Parallelchopperkonfiguration oder eine Seriellchopperkonfiguration oder; eine Induktivspeicherchopperkonfiguration; wobei die Zelle (16) in sämtlichen der Konfigurationen denselben Schalter (161) verwendet.
  2. Konverter nach Anspruch 1, bei dem der Wahlschalter (18) die Schaltzelle (16) wahlweise gemäß den drei Konfigurationen konfiguriert.
  3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schaltzelle einen Induktor (162) und Dioden (163, 164, 165) umfasst.
  4. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter (161) ein Transistor ist.
  5. Konverter nach Anspruch 4, bei dem der Schalter (161) ein Hochfrequenztransistor von beispielsweise 30 kHz ist.
  6. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wahlschalter (18) zwei Transistoren (181, 182) umfasst.
  7. Konverter nach Anspruch 6, bei dem der Wahlschalter (18) zwei Transistoren (181, 182) einer Niederfrequenz, beispielsweise 50 kHz, umfasst.
  8. Konverter nach Anspruch 6 oder 7, bei dem in der Parallelchopperkonfiguration die Transistoren (181, 182) beide durchgeschaltet sind; in der Seriellchopperkonfiguration die Transistoren (181, 182) beide gesperrt sind; und in der Induktivspeicherchopperkonfiguration der Transistor (181) durchgeschaltet ist und der Transistor (182) nicht durchgeschaltet ist.
  9. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kondensator (20), der dazu dient, die Spannung am Ausgang (14) zu filtern.
  10. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Diodenbrücke (22) an dem Eingang (12).
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