DE102005003673A1

DE102005003673A1 - Schaltung und Verfahren zum Betrieb der Schaltung

Info

Publication number: DE102005003673A1
Application number: DE200510003673
Authority: DE
Inventors: Bernhard Erdl; Steffen Blau
Original assignee: PULS GmbH
Current assignee: PULS GmbH
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-08-03

Abstract

Es wird eine Schaltung angegeben, umfassend einen Wandler, anhand dessen ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal wandelbar ist. Dabei ist der Wandler anhand einer Steuerung in einem Dreiecksmodus oder in einem Trapezmodus betreibbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere eine Schaltung für eine Stromversorgung oder einen Teil einer Stromversorgung, und ein Verfahren zum Betrieb zur Ansteuerung oder zur Regelung der Schaltung.
Stromversorgungen, insbesondere Schaltnetzgeräte, Schaltnetzteile, primär und sekundär getaktete Schaltregler sind bekannt aus [1]. Jeder elektrische Verbraucher benötigt zu seiner Versorgung elektrische Leistung, die anhand einer Stromversorgung bzw. eines Netzteils zur Verfügung gestellt wird. Weltweit werden Netzleitungen als Stromleitungen eingesetzt, um über Steckdosen nahezu beliebige elektrische Geräte mit Strom bzw. Spannung zu versorgen. Hierzu werden über die Netzleitungen genormte Wechselspannungen, z.B. 120 Volt in den U.S.A. und 230 Volt in Deutschland zur Verfügung gestellt.
Bei der Powerfaktorkorrektur sollen Verbraucher im Schaltkreis, insbesondere Kapazitäten und Induktivitäten eines Schaltkreises durch entsprechende Beschaltung kompensiert werden. Insofern werden Kapazitäten bzw. Induktivitäten bereitgestellt, die den kapazitiven bzw. induktiven Komponenten des Schaltkreises entgegenwirken und somit weitgehend eine Kompensation derselben herstellen. Zum Thema Powerfaktorkorrektur wird z.B. verwiesen auf [4].
Insbesondere bei getakteten Stromversorgungen finden eine Vielzahl unterschiedlicher Wandler Anwendung. Beispielhaft seien hierbei genannt ein Hochsetzer, ein Tiefsetzer, ein Sperrwandler, ein Resonanzwandler, ein Gegentaktwandler oder ein Durchflusswandler. Ein Überblick über derartige Wandler findet sich bspw. in [2].
Dabei können Wandler in einem sog. Dreiecksmodus (auch "Dreieckbetrieb", "Boderline Conduction Mode" oder "Zero-Current-Switched") betrieben werden, vergleiche [3].
Hierbei ist es von Nachteil, dass insbesondere bei (kurzzeitigen) Betriebszuständen mit erhöhter Last am Ausgang der Stromversorgung oder bei niedriger Eingangsspannung ein hoher Spitzenstrom im Eingangskreis des Wandlers nötig ist. Demgemäß müssen die Bauelemente, insbesondere die mindestens eine Induktivität des Wandlers, für diesen hohen Spitzenstrom ausgelegt werden. Dies führt zu erhöhten Kosten der Schaltung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung, insbesondere eine Stromversorgung oder einen Teil einer Stromversorgung, anzugeben, die (kurzzeitig oder dauerhaft) hohe Mittelwertströme im Eingangskreis des Wandlers bereitstellt und dennoch nicht notwendigerweise für diese Spitzenströme dauerhaft ausgelegt sein muß.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung angegeben umfassend einen Wandler anhand dessen ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal wandelbar ist. Dabei ist der Wandler anhand einer Steuerung in einem Dreiecksmodus oder in einem Trapezmodus betreibbar.

Die Schaltung ist insbesondere eine Stromversorgung oder ein Teil einer Stromversorgung. Vorzugsweise kann dabei die Schaltung in einem Netzteil, einem Schaltnetzteil oder einem getakteten Schaltnetzteil Anwendung finden. Der Wandler kann ein Hochsetzer, ein Tiefsetzer, ein Sperrwandler, ein Resonanzwandler, ein Gegentaktwandler oder ein Durchflusswandler sein. Das Eingangssignal ist insbesondere eine Eingangsspannung, die in ein Ausgangssignal, d.h. eine Ausgangsspannung, gewandelt wird. Dabei kann die Eingangsspannung durch den Wandler derart beeinflusst werden, dass sie größer, (im wesentlichen) gleich groß oder kleiner als die Ausgangsspannung ist.

Vorzugsweise umfaßt der Wandler mindestens eine Induktivität. Der Dreiecksmodus ist dadurch bestimmt, dass die Entmagnetisierung der Induktivität (nahezu) vollständig abgewartet wird, ehe erneut eine Spannung an die Induktivität angelegt wird. Somit sinkt der Strom durch die Induktivität (nahezu) auf Null ab, bevor ein erneuter Strom durch die Induktivität fließt. Durch die entsprechende Entmagnetisierung ergibt der Strom durch die Induktivität im Strom-Zeit-Diagramm eine Dreiecksform. Insbesondere umfaßt der Dreiecksmodus (oder "Dreiecksbetrieb") auch eine sogenannte "lückende" Ansteuerung der Induktivität (sog. "Discontinuous Mode"), so dass zwischen den einzelnen Dreiecken im Strom-Zeit-Diagramm eine Lücke unterschiedlicher Länge entsteht währenddessen kein Strom durch die Induktivität fließt.

Der Dreiecksmodus wird auch bezeichnet als "zero-current-switching", "critical conduction mode" oder "borderline conduction mode".

Im Gegensatz dazu kennzeichnet den Trapezmodus die Tatsache, dass nicht erst abgewartet wird bis der Strom durch die Induktivität auf (nahezu) Null abgesunken ist, sondern vorab der Strom durch die Induktivität wieder ansteigt. Dadurch wird eine höhere Leistung im Wandler umgesetzt.

Im Trapezmodus kann es zu höheren Schaltverlusten kommen, insbesondere wenn ein elektronischer Schalter, z.B. ein Mosfet, auf eine leitende Diode schaltet und damit der Rückstrom durch die Diode zu Wärmeverlusten führt. Verschiedene Schaltungsmaßnahmen können diese Verluste reduzieren (z.B. anhand der Ver wendung besonders schneller Dioden (Silizium-Carbid-Dioden) oder bei Verwendung zusätzlicher Steuerungen).

Der Dreiecksmodus eignet sich insbesondere für eine Powerfaktorkorrektur.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass ein Übergang von dem Dreiecksmodus in den Trapezmodus in Abhängigkeit von einer Lastbedingung an dem Ausgang des Wandlers und/oder in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (des Wandlers), z.B. der Eingangsspannung des Wandlers, vorgebbar ist.

Liegt am Ausgang des Wandlers eine erhöhte Last an, wird zum Beispiel ein Elektrolytkondensator aufgeladen oder ein Motor eingeschalten, so fließt kurze Zeit ein hoher Strom, die Schaltung geht vorzugsweise von dem Dreiecksmodus in den Trapezmodus über, um diese erhöhte Spitzenleistung (für eine begrenzte Zeit oder auch dauerhaft) bereitzustellen. Ein solcher Übergang von dem Dreiecksmodus in den Trapezmodus ist auch dann nützlich, wenn das Eingangssignal eine zu geringe Spannung aufweist.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Steuerung abhängig von bestimmten Bedingungen den Wandler in dem Dreiecksmodus oder in dem Trapezmodus betreibt. Hierzu ist insbesondere eine gesonderte Regelung vorgesehen, die das Ausgangssignal des Wandlers mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht und bei Abweichung entsprechend auf die Steuerung einwirkt. Insbesondere durch eine kurzfristige Umschaltung in den Trapezmodus ist es möglich, für begrenzte Zeit eine höhere Leistung am Ausgang des Wandlers bereitzustellen, ohne dass dauerhaft die Bauelemente für diese hohe Leistung ausgelegt werden müssten. So kann insbesondere während eines zeitlich begrenzten Trapezmodus zusätzlich anfallende Wärme von den (noch nicht aufgeheizten) Bauelementen absorbiert werden. Eine kostenintensive Auslegung der Bauelemente für einen dauerhaften Betrieb im Trapezmodus kann unterbleiben, was zu einer kostengünstigen Realisierung der Schaltung führt.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Wandler ein Hochsetzer, ein Tiefsetzer, ein Sperrwandler oder ein Durchflusswandler ist. Ferner sind andere Arten von Wandlern, wie sie beispielsweise in [2] beschrieben sind, einsetzbar.

Eine andere Ausgestaltung besteht darin, dass eine Regelung vorgesehen ist, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Eingang der Regelung mit dem Ausgangssignal des Wandlers und der Ausgang der Regelung mit der Steuerung verbunden ist. Somit beeinflusst der Ausgang der Regelung die Steuerung und damit die Betriebsart (Dreiecksmodus oder Trapezmodus) des Wandlers. Insbesondere ermittelt die Regelung, ob das Ausgangssignal des Wandlers von einer voreingestellten Vorgabe abweicht. In so einem Fall wird anhand der Regelung das Ausgangssignal des Wandlers entsprechend vorgegebenen Bedingungen geregelt.

Die vorgegebenen Bedingungen umfassen mindestens eine Lastbedingung und/oder die Spannung des Eingangssignals.

Eine Ausgestaltung ist es, dass der Wandler eine Induktivität umfaßt.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Steuerung eine Entmagnetisierungserkennung und eine Stromauswertung umfaßt. Insbesondere kann anhand der Entmagnetisierungserkennung eine Abmagnetisierung der Induktivität ermittelbar sein. Unter Abmagnetisierung wird hierbei vorzugsweise verstanden, dass die Magnetisierung der Induktivität abgenommen hat bzw. (nahezu) kein Strom mehr durch die Induktivität fließt.

Die Abmagnetisierung der Induktivität ist insbesondere ermittelbar anhand einer Hilfswicklung der Induktivität.

Anhand der ermittelten Abmagnetisierung der Induktivität ist ein Schaltsignal erzeugbar. Das Schaltsignal bezieht sich insbesondere auf den in dem Wandler vorhandenen elektronischen Schalter, zum Beispiel einen Mosfet.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass anhand der Stromauswertung ein Abschaltsignal bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes erzeugbar ist.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Steuerung eine Auszeitsteuerung und eine Einzeitsteuerung aufweist.

Insbesondere kann die Auszeitsteuerung während des Trapezmodus die Entmagnetisierungserkennung derart ansteuern, dass ein Einschalten vor der Abmagnetisierung möglich ist.

In einer Weiterbildung kann die Auszeitsteuerung eine Dauer einer Aus(schalt)zeit vorgeben und insbesondere kann die Einzeitsteuerung eine Dauer einer Einschaltzeit vorgeben.

Weiterhin kann das Schalten der Einzeitsteuerung anhand der Abmagnetisierung der Induktivität ermittelbar sein.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Wandler einen Schalter, insbesondere einen elektronischen Schalter, aufweist. Der elektronische Schalter kann sein ein Transistor, ein Mosfet, ein Thyristor, oder ein IGBT. Auch kann der elektronische Schalter mehrere und mindestens einen der vorgenannten Schalter umfassen. Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass dem Wandler eine Gleichrichterschaltung vorgeschaltet ist.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Schaltung zum Einsatz in einer Stromversorgung, insbesondere einem Netzteil bzw. einem Schaltnetzteil eingesetzt wird. Dabei kann bevorzugt die Stromversorgung auf einer Hutschiene und/oder in einem Schaltschrank montierbar sein.

Eine Weiterbildung besteht auch darin, dass der Trapezmodus nach einer vorgegebenen Zeit abschaltbar ist. Diesbezüglich kann ein separates Zeitglied vorgesehen sein, das sicherstellt, dass der Trapezmodus eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitet. Nach dem Abschalten des Trapezmodus kann der Wandler ferner im Dreiecksmodus betreibbar sein.

Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren angegeben zur Regelung oder Ansteuerung bzw. zum Betrieb der beschriebenen Schaltung. Dabei kann insbesondere der Wandler anhand der Steuerung sowohl in einem Dreiecksmodus als auch in einem Trapezmodus betrieben werden.

Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass das Ausgangssignal des Wandlers über eine Regelung ausgewertet wird, wobei das durch die Regelung ausgewertete Signal an die Steuerung übertragen wird. Anhand der Steuerung wird der Wandler im Dreiecksmodus oder im Trapezmodus betrieben, abhängig von einer Lastbedingung an dem Ausgang des Wandlers und/oder in Abhängigkeit von dem Eingangssignal des Wandlers.

Auch ist es eine Weiterbildung des Verfahrens, dass der Wandler für eine vorgegebene Zeit in dem Trapezmodus betrieben wird und insbesondere nach Ablauf der vorgegebenen Zeit wieder in dem Dreiecksmodus betrieben wird.

Eine andere Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass anhand des Betriebs im Trapezmodus die Schaltung kurzzeitig oder dauerhaft eine im Vergleich zum Betrieb im Dreiecksmodus erhöhte Leistung bereitstellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert. Es zeigen:
1 Ein Blockschaltbild eines Wandlers mit einer Steuerung und einer optionalen Regelung;
2 ein Blockschaltbild eines Hochsetzwandlers, der im Trapezmodus und im Dreiecksmodus betrieben werden kann;
3 ein Blockschaltbild eines Sperrwandlers, der im Trapezmodus und im Dreiecksmodus betrieben werden kann;
4 Schaltbild eines Hochsetzers mit Powerfaktorkorrektur, der im Trapezmodus und im Dreiecksmodus betrieben werden kann;
5 Signalverläufe im Dreiecksmodus;
6 Signalverläufe im Trapezmodus.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Wandlers, der anhand einer Steuerung und optional einer zusätzlich vorgesehenen Regelung im Dreiecksmodus oder im Trapezmodus betreibbar ist bzw. betrieben werden kann.
1 umfaßt einen Wandler 110, eine Steuerung 120 und eine optionale Regelung 130. Der Wandler 110 umfaßt die Eingänge 111 und 112 und die Ausgänge 113 und 114. Ein Eingang umfaßt Anschlüsse 101 und 102, ein Ausgang umfaßt Anschlüsse 103 und 104.
Der Anschluß 101 des Eingangs ist verbunden mit dem Eingang 111 des Wandlers 110, der Anschluß 102 des Eingangs ist verbunden mit dem Eingang 112 des Wandlers 110, der Ausgang 113 des Wandlers 110 ist verbunden mit dem Anschluß 103 des Ausgangs und mit einem Anschluß 131 der Regelung 130, der Ausgang 114 des Wandlers 110 ist verbunden mit dem Anschluß 104 des Ausgangs und einem Anschluß 132 der Regelung 130. Ein Ausgangssignal 133 der Regelung 130 wird der Steuerung 120 zugeführt. Die Steuerung 120 beeinflusst mittels eines Signals 122 den Wandler 110, wobei der Wandler 110 eine Rückmeldung mittels des Signals 121 an die Steuerung 120 übermittelt.
FUNKTIONSBESCHREIBUNG DER SCHALTUNG GEMÄSS 1:
1 zeigt einen Wandler, insbesondere eine getaktete Stromversorgung, der aus einer Eingangsspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) eine bestimmte vorgebbare Ausgangsspannung erzeugt, die durch eine Regelung vorgegeben wird. Die Steuerung des Wandlers schaltet, durch die Regelung beeinflußt, mit einem vorgegebenen Tastverhältnis ein Schaltelement, z.B. einen elektronischen Schalter (z.B. einen Mosfet), zur Energieaufnahme aus dem Primärkreis. Der Stromfluß in der Wandlerinduktivität kann dabei "lückend" ("discontinuous conduction mode"), dreieckförmig ("borderline conduction mode") oder trapezförmig ("continuous conduction mode") sein. Bestimmend dafür sind die Dimensionierung der wirkenden Induktivität, die Schaltzeiten (Tein, Taus) und der notwendige Strom zur Einhaltung der Ausgangsleistung des Wandlers.
Anhand der Steuerung 120 wird der Wandler 110 in einem Dreiecksmodus oder in einem Trapezmodus betrieben. Dabei liefert das Signal 121 von dem Wandler 110 an die Steuerung 120 die Information insbesondere über einen durch eine Induktivität in den Wandler 110 fließenden Strom. Die Regelung 130 überprüft das Ausgangssignal des Wandlers 110 und greift bei Abweichungen von einer Vorgabe über das Signal 133 auf die Steuerung 120 entsprechend ein. Die Steuerung 120 steuert über das Signal 122 den Wandler 110 so an, dass das Ausgangssignal des Wandlers 110 wiederum den Vorgaben der Regelung 130 entspricht. Insbesondere ist es anhand der in 1 dargestellten Blockschaltung möglich, dass die Steue rung während des Betriebs des Wandlers von dem Dreiecksmodus in den Trapezmodus oder umgekehrt wechselt.
Die in 1 dargestellte Blockschaltung kann eingesetzt werden in einer Stromversorgung, insbesondere einem Netzteil oder einem Schaltnetzteil, wobei die Darstellung von 1 insbesondere eine Stromversorgung oder einen Teil einer Stromversorgung darstellen kann.
2 und 3 zeigen eine Detaillierung der 1, wobei 2 einen sogenannten Hochsetzwandler und 3 einen sogenannten Sperrwandler darstellt.
2 zeigt einen Hochsetzwandler mit einem Gleichrichter 270 (mit Anschlüssen 271, 272, 273 und 274), einem Wechselspannungseingang (mit Anschlüssen 201 und 202), einem Gleichspannungseingang (mit Anschlüssen 205 (positiver Pol +Ue) und 203), einer Entmagnetisierungserkennung 210 (mit Anschlüssen 211, 212, 213 und 214), einer Einzeitsteuerung 220 (mit Anschlüssen 221, 222 und 223), einer Treiberstufe 230 (mit Anschlüssen 231, 232 und 233), einer Stromauswertung 240 (mit Anschlüssen 241, 242 und 243), einer Regelung 250 (mit Anschlüssen 251, 252, 253 und 254), einer Auszeitsteuerung 260 (mit Anschlüssen 261 und 262), einem Kondensator C1 (mit Anschlüssen 281 und 282), einer Induktivität L1 mit einer Hauptwicklung L1N1 (mit Anschlüssen 283 und 284) und einer Hilfswicklung L1N2 (mit Anschlüssen 285 und 286), einem n-Kanal Mosfet S1, einem Widerstand R1 (mit Anschlüssen 291 und 292), einer Diode D1 (mit Anschlüssen 287 (Anode) und 288), einem Elektrolytkondensator C2 (mit Anschlüssen 289 (positiver Pol) und 290), mit einem Anschluss 204 (+Ua) als Ausgang und mit einem Masse-Potential 203.
Der Anschluss 201 des Wechselspannungseingangs ist mit dem Anschluss 271 des Gleichrichters 270 und der Anschluss 202 des Wechselspannungseingangs ist mit dem Anschluß 272 des Gleichrichters 270 verbunden. Der Gleichrichter 270 ist beispielsweise ein Brückengleichrichter, sein Anschluß 273 ist mit dem Masse- Potential 203 und sein Anschluß 274 mit der positiven Versorgungsspannung 205 verbunden. Falls keine gesonderte positive Versorgungsspannung 205 anliegt, entspricht der Anschluß 274 des Gleichrichters 270 dem positiven Versorgungsspannungspol der Schaltung. Der Anschluß 281 des Kondensators C1 ist mit dem Anschluß 274 des Gleichrichters 270 verbunden, der Anschluß 282 des Kondensators C1 liegt auf Masse-Potential 203. Der Anschluß 286 der Hilfswicklung L1N2 ist mit dem Masse-Potential 203 und der Anschluß 285 der Hilfswicklung L1N2 ist mit dem Anschluß 211 der Entmagnetisierungserkennung 210 verbunden. Der Anschluß 212 der Entmagnetisierungserkennung 210 ist mit dem Anschluß 261 der Auszeitsteuerung 260 verbunden. Der Anschluß 262 der Auszeitsteuerung 260 ist mit dem Anschluß 251 der Regelung 250 verbunden. Der Anschluß 252 der Regelung 250 ist mit dem Anschluß 241 der Stromauswertung 240 und mit dem Anschluß 274 des Gleichrichters 270 verbunden. Der Anschluß 253 der Regelung 250 ist mit dem Anschluß 223 der Einzeitsteuerung 220 verbunden. Der Anschluß 221 der Einzeitsteuerung 220 ist mit dem Anschluß 213 der Entmagnetisierungserkennung 210 verbunden. Der Anschluß 214 der Entmagnetisierungserkennung 210 ist mit dem Anschluß 222 der Einzeitsteuerung 220 und mit dem Anschluß 231 der Treiberstufe 230 verbunden. Der Anschluß 232 der Treiberstufe 230 ist mit dem Anschluß 242 der Stromauswertung 240 verbunden. Der Anschluß 233 der Treiberstufe 230 ist mit dem Gate-Anschluß des Mosfets S1 verbunden. Der Source-Anschluß des Mosfets S1 ist mit dem Anschluß 291 des Widerstands R1 und mit dem Anschluß 243 der Stromauswertung 240 verbunden. Der Anschluß 292 des Widerstands R1 liegt auf Masse-Potential 203. Der Drain-Anschluß des Mosfets S1 ist mit der Anode der Diode D1 und mit dem Anschluß 284 der (Hauptwicklung der) Induktivität L1N1 verbunden. Der Anschluß 283 der Induktivität L1N1 ist (unter anderem) mit dem Anschluß 274 des Gleichrichters 270 verbunden. Die Katode der Diode D1 ist mit dem Anschluß 289 des Elektrolytkondensators C2, mit dem Anschluß 204 des Ausgangs und mit dem Anschluß 254 der Regelung 250 verbunden. Der Anschluß 290 des Elektrolytkondensators C2 liegt auf Masse-Potential 203.
Der Sperrwandler gemäß 3 entspricht in weiten Teilen dem Hochsetzwandler gemäß 2. Zusätzlich ist zu der Induktivität L1N1 eine Sekundärseite L1N3 (mit Anschlüssen 316 und 317), zum Beispiel in Form eines Transformators, vorgesehen. Weiterhin ist ein Wandlerausgang 310 (mit Eingängen 311 und 312 und Ausgängen 313, 314 und 315) angeordnet. Die Ausgangsspannung wird über Anschlüsse 301 und 302 zur Verfügung gestellt.
Im Gegensatz zur 2 ist der Eingang 254 der Regelung 250 in 3 mit dem Anschluß 314 des Wandlerausgangs 310 verbunden. Der Anschluß 316 der Induktivität L1N3 ist mit dem Eingang 312 des Wandlerausgangs 310 und der Anschluß 317 der Induktivität L1N3 ist mit dem Eingang 311 des Wandlerausgangs 310 verbunden. Die Ausgangsspannung wird über die Ausgänge 313 und 315 des Wandlerausgangs 310 abgegriffen. Ansonsten entspricht die Darstellung der 3 der der 2.
FUNKTIONSBESCHREIBUNG DER SCHALTUNG GEMÄSS 2 UND 3:
Die Treiberstufe 230 dient der Ansteuerung des elektronischen Schalters S1 (Mosfet) des Wandlers entsprechend den Signalen der Stromauswertung 240, der Einzeitsteuerung 220 und der Entmagnetisierungserkennung 210.
Die Entmagnetisierungserkennung 210 erkennt ein Abmagnetisieren der Arbeitsinduktivität L1N1, d.h. der (nahezu) auf Null abgeklungene Strom durch die Induktivität L1N1 wird ermittelt anhand der Hilfswicklung L1N2 (Hilfsinduktivität) anhand des Anschlusses 211 der Entmagnetisierungserkennung 210. Daraufhin wird ein Einschaltsignal für den Mosfet S1 erzeugt. Während der Abmagnetisierung der Induktivität L1N1 erzeugt die Entmagnetisierungserkennung 210 ein Abschaltsignal.
Die Stromauswertung 240 erzeugt ein Anschaltsignal bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes im Dreiecksmodus bzw. im Trapezmodus.
Die Einzeitsteuerung 220 erzeugt ein Einschaltsignal mit einer bestimmten Dauer Tein entsprechend den Vorgaben der Regelung 250. Weiterhin ermöglicht die Einzeitsteuerung 220 ein Rücksetzen des Zeitgliedes entsprechend des Signals der Entmagnetisierungserkennung 210.
Die Auszeitsteuerung 260 verkürzt die Auszeit bei entsprechender Vorgabe durch die Regelung insbesondere dann, wenn die Schaltung im Trapezmodus arbeitet, d.h. der Eingriff in die Entmagnetisierungserkennung 210 derart erfolgt, dass ein Einschalten vor der Abmagnetisierung (Strom durch die Induktivität größer 0) durchgeführt werden soll.
Die Regelung 250 erzeugt die Steuersignale für die Einschaltzeit, die Ausschaltzeit und eine Stromauswertung zur Realisierung der gewünschten Ausgangsspannung entsprechend den gegebenen Bedingungen (zum Beispiel abhängig von einer Last am Ausgang bzw. abhängig von der Höhe der Eingangsspannung).
4 zeigt eine Detailschaltung eines Hochsetzers mit Powerfaktorkorrektur, ist aber entsprechend auf andere Wandlertypen übertragbar.
4 umfaßt sechs Komparatoren 401 bis 406, zwei Operationsverstärker 407 und 408, eine Induktivität L1 mit einer Primärwicklung L1N1 (mit Anschlüssen 411 und 412) und einer Hilfswicklung L1N2 (mit Anschlüssen 413 und 414), zwei Zeitglieder 409 (mit Anschlüssen 440, 441 und 442) und 410 (mit Anschlüssen 443 und 444), einem n-Kanal Mosfet S1, einen npn-Bipolartransistor S2, einen pnp-Bipolartransistor S3, einen Widerstand R1 (mit Anschlüssen 419 und 420), einen Widerstand R2 (mit Anschlüssen 426 und 427), einen Widerstand R3 (mit Anschlüssen 428 und 429), einen Widerstand R4 (mit Anschlüssen 445 und 446), einen Widerstand RS (mit Anschlüssen 437 und 438), einen Widerstand R6 (mit Anschlüssen 432 und 433), mehreren Referenzspannungen 421, 422, 423, 424, 425, 430, 431 und einen Anschluß 436 für eine Ausgangsspannung (UA) und einen Anschluß 439 für eine Hilfsspannung (UH). Ferner wird der Knoten mit dem der invertierende Eingang des Komparators 401 verbunden ist mit dem Bezugszeichen 447 versehen.
Der Anschluß 415 der positiven Eingangsspannung ist mit dem Anschluß 417 des Kondensators C2, mit dem Anschluß 426 des Widerstands R2 und mit dem Anschluß 411 der Induktivität L1N1 verbunden. Der Anschluß 418 des Kondensators C2 ist mit dem Masse-Potential 416 verbunden. Der Anschluß 414 der Induktivität L1N2 ist mit dem Masse-Potential 416 verbunden. Der Anschluß 413 der Induktivität L1N2 ist mit dem Anschluß 419 des Widerstands R1 verbunden. Der Anschluß 420 des Widerstands R1 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators 404 und mit dem Ausgang des Komparators 406 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 404 ist mit der Referenzspannung 421 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 406 ist mit der Referenzspannung 422 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 406 ist mit dem Anschluß 440 des Zeitglieds 409 verbunden. Der Anschluß 442 des Zeitglieds 409 ist mit dem Ausgang des Komparators 405 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 405 ist mit der Referenzspannung 423 verbunden. Der Anschluß 441 des Zeitglieds 409 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 408 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 408 ist mit der Referenzspannung 425 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 405 ist mit dem Ausgang des Komparators 404, dem nichtinvertierende Eingang des Komparators 403, dem Ausgang des Komparators 402, dem Ausgang des Komparators 401, der Basis des Transistors S2, der Basis des Transistors S3 und dem Anschluß 445 des Widerstands R4 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 403 ist mit der Referenzspannung 424 verbunden. Der Ausgang des Komparators 403 ist mit dem Anschluß 443 des Zeitglieds 410, der Anschluß 444 des Zeitglieds 410 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators 402 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 402 ist mit dem Anschluß 429 des Widerstands R3, mit dem nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 408 und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 407 verbunden. Der Anschluß 428 des Widerstands R3 ist mit dem Anschluß 432 des Widerstands R6, mit dem nichtinvertierende Eingang des Komparators 401 und mit dem Anschluß 427 des Widerstands R2 verbunden. Der Anschluß 433 des Widerstands R6 ist mit der Referenzspannung 431 verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 407 ist mit der Referenzspannung 430 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 401 ist mit dem Anschluß 437 des Widerstands R5, mit dem Kollektor des Transistors S3 und mit dem Source-Anschluß des Mosfets S1 verbunden. Der Anschluß 438 des Widerstands RS ist mit dem Masse-Potential 416 verbunden. Der Emitter des Transistors S3 ist mit dem Emitter des Transistors S2 und mit dem Gate-Anschluß des Mosfets S1 verbunden. Der Kollektor des Transistors S2 ist mit dem Anschluß 446 des Widerstands R4 und mit dem Anschluß 439 der Hilfsspannung verbunden. Der Drain-Anschluß des Mosfets S1 ist mit dem Anschluß 412 der Induktivität L1N1 und mit der Anode der Diode D1 verbunden. Die Katode der Diode D1 ist mit dem Anschluß 434 des Kondensators C1, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 407 und mit dem Anschluß 436 des Ausgangs verbunden. Der Anschluß 435 des Kondensators C1 liegt auf Masse-Potential 416.
Die Hilfsspannung Uh (siehe Anschluss 439) dient der Versorgung der Bauteile der Steuerung (Komparatoren, Operationsverstärker, usw.) und der Gate-Ansteuerung des Mosfets S1. Die Referenzspannungen werden über einen oder mehrere Spannungsteiler erzeugt und betragen 0 Volt bis in etwa 2,5 Volt. Die Eingänge der Komparatoren und Operationsverstärker können durch weitere Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Dioden oder andere Bauelemente) zusammen mit den entsprechenden Knoten beschaltet sein, um insbesondere eine Anpassung der Schaltung an spezifische Anforderungen zu ermöglichen.
FUNKTIONSBESCHREIBUNG DER SCHALTUNG GEMÄSS 4:
Zur Begrenzung des Spitzenstroms wird ab einem bestimmten Wert des Stroms durch die Induktivität L1N1 der Übergang in den Trapezmodus vollzogen, der Spitzenwert steigt nicht weiter an, der Anfangswert beim Einschalten des Mosfets S1 ist größer Null. Der mittlere Strom und somit die aus dem Eingangskreis entnommene Energie steigt, eine höhere Leistung im Ausgang wird zur Verfügung gestellt.
Für den Betrieb im Dreiecksmodus sind die Steuerkomponenten Operationsverstärker 407, die Komparatoren 404, 403 und 402 (alle ausgeführt als "opencollector") mit einer entsprechenden Beschattung eingesetzt. Der Komparator 404 verarbeitet das Signal der Hilfswicklung L1N2 der Induktivität L1 (magnetisch mit L1N1 gekoppelt). Beim Einschalten des Mosfets S1 ist die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 404 negativer als am nicht invertierenden Eingang des Komparators 404. Der Ausgang des Komparators 404 liegt auf "high"-Potential, die Treiberstufe aus den Transistoren S2 und S3 schaltet den Mosfet S1 ein, da die Komparatoren 402 und 401 ebenfalls am Ausgang "high"-Potential aufweisen. Der Komparator 401 wertet den Strom durch den Mosfet S1 aus, der beim Einschalten geringer als ein Referenzpegel am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 401 ist. Der Komparator 402 hat an seinem invertierenden Eingang ein Zeitglied 410, das beim Einschalten des Mosfets S1 eine ansteigende Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 402 bewirkt. Beim Erreichen des durch den Operationsverstärker 407 vorgegebenen Pegels am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 402 schaltet der Ausgang des Komparators 402 auf "low"-Potential, die Treiberstufe aus den Transistoren S2 und S3 schaltet den Mosfet S1 ab. Die Regelung mit dem Operationsverstärker 407 gibt während der Netzperiode einen konstanten Pegel vor, die Einschaltzeit bleibt somit konstant. Nach dem Abschalten des Mosfets S1 entsteht durch das Umschwingen der Spannung der Hauptwicklung L1N1 an der Hilfswicklung L1N2 eine gegenüber dem Masse-Potential positive Spannung, die am invertie renden Eingang des Komparators 404 anliegt. Der Ausgang des Komparators 404 schaltet auf "low"-Potential, da der Pegel am invertierenden Eingang des Komparators 404 höher als der Referenzpegel am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 404 ist. Mit dem Schalten von Komparator 402 bzw. 404 auf "low"-Potential wird der Komparator 403 so angesteuert, dass das Zeitglied am invertierenden Eingang des Komparators 402 zurückgesetzt wird ("low"-Potential während der Zeit Taus).
Das Einschalten des Mosfets S1 wird durch die Abmagnetisierung des Drosselstroms (der Induktivität), d.h. bei einem Strom von (nahezu) Null Ampere, eingeleitet. Die Spannung an der Wicklung der Induktivität L1N1 und somit auch an der Hilfswicklung L1N2 schwingt um, der invertierende Eingang des Komparators 404 wird negativer als der nichtinvertierende Eingang des Komparators 404. Der Ausgang des Komparators 404 schaltet auf "high"-Potential, die Treiberstufe aus den Transistoren S2 und S3 schaltet den Mosfet S1 ein und der Komparator 403 gibt das Zeitglied für die von dem Operationsverstärker 407 gesteuerte Einschaltzeit frei.
Die Taktperioden wiederholen sich, der Operationsverstärker 407 regelt die Einschaltzeit entsprechend den Last- und Eingangsspannungsbedingungen für eine vorgegebene Ausgangsspannung, die Schaltfrequenz variiert entsprechend.
Die Bauteile Operationsverstärker 408, Komparatoren 405 und 406 sind im Dreiecksmodus nicht erforderlich, ebenso der Komparator 401, der eine Strombegrenzung für den Mosfet S1 darstellt, die durch eine entsprechende Dimensionierung der Induktivität L1 im Dreiecksmodus nicht in Eingriff kommt (nur im Fehlerfall bzw. beim Einschalten der Eingangsspannung Ue an dem Anschluß 415 solange, bis die Ausgangsspannung Ua an dem Anschluß 436 geregelt wird). Die Regelung im Dreiecksmodus erfolgt im sogenannten "voltage-control-mode".
Bei Bedarf kann die Schaltung in den Trapezmodus übergehen. Vorteilhaft nutzt dieses Prinzip die Strombegrenzung des Drosselstroms durch die Induktivität L1 anhand einer Überwachung des Stromes beim Einschalten des Mosfets S1. An dem Anschluß 447 (verbunden mit dem invertierenden Eingang des Komparators 401) liegt eine stromproportionale Spannung an, die mit dem Referenzsignal 431 durch den Komparator 401 verglichen wird. Bei Erreichen eines beispielsweise durch die Sättigungseigenschaften der Induktivität L1 vorgegebenen Strommaximums schaltet der Komparator 401 die Einschaltperiode des Mosfets S1 vor Ablauf der durch das Zeitglied und die Regelung gesteuerten Einschaltzeit ab. Die Strombegrenzung bewirkt eine Antwort des Reglers Operationsverstärker 407 zur weiteren Erhöhung der Einschaltzeit, der Pegel am Ausgang des Operationsverstärkers 407 steigt. Dies führt zum Eingriff des Reglers Operationsverstärker 408, der durch die Ansteuerung am nichtinvertierenden Eingang die Ausgangsspannung erhöht. Diese Ausgangsspannung am Operationsverstärker 408 bewirkt eine Verkürzung der Auszeit des Mosfets S1 durch den Eingriff des Komparators 406 auf den Eingang der Entmagnetisierungserkennung, also den invertierenden Eingang des Komparators 404. Das durch den Operationsverstärker 408 gesteuerte Zeitglied 409 wird beim Einschalten des Mosfets S1 durch den "high"-Pegel am invertierenden Eingang des Komparators 405 zurückgesetzt. Mit dem Abschalten des Mosfets S1 wiederholt sich die durch die Regelung mit dem Operationsverstärker 407 und dem Operationsvertärker 408 bestimmte Auszeit, die kürzer als die Entmagnetisierungszeit der Induktivität L1 ist. Der Drosselstrom durch die Induktivität L1 ist somit trapezförmig ("continuous conduction mode"). Die Regelung im Trapezmodus ist eine kombinierte strom- und spannungsgesteuerte Regelung. Die Einschalt- und Ausschaltzeitsteuerung erfolgt spannungsgesteuert ("voltage control mode"), während die Strombegrenzung auf dem Spitzenwert die Stabilität der gesamten Regelung im Trapezmodus erst gewährleistet.
Zur Veranschaulichung der beiden Betriebsarten sind in 5 und 6 der Dreiecksmodus und der Trapezmodus bei verschiedener Ausgangsleistung dargestellt.
5 zeigt den Dreiecksmodus im Strommaximum der Sinushalbwelle gemessen mit einem Phasenwinkel von 90°. Dabei zeigen:

• ein Kurvenverlauf 501 die Drain-Spannung an dem Mosfets S1,
• ein Kurvenverlauf 502 die Gate-Spannung an dem Mosfet S1 und
• ein Kurvenverlauf 503 den Strom durch die Induktivität L1

415

418

6

• ein Kurvenverlauf 601 die Drain-Spannung an dem Mosfets S1,
• ein Kurvenverlauf 602 die Gate-Spannung an dem Mosfet S1 und
• ein Kurvenverlauf 603 den Strom durch die Induktivität L1

415

Literaturverzeichnis:

[1] Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 8. Auflage, Springer Verlag, ISBN 3-540-16720-x, Seiten 538-562.
[2] Thiel: Schaltnetzteile erfolgreich planen und dimensionieren, Franzis, 1995, ISBN 3-7723-7682-7, Seiten 31-75.
[3] Bill Adreycak: Controlled ON-Time, Zero Current-Switched Power Factor Correction Technique, UNITRODE Power Supply Design Manual, 2001.
[4] Powerfaktorkorrektur, siehe: www.tpub.com/neets/book2/4k.htm

Claims

Schaltung umfassend – einen Wandler (110) anhand dessen ein Eingangssignal (Ue, Ie) in ein Ausgangssignal (Ua, Ia) wandelbar ist; – eine Steuerung (120), – wobei der Wandler (110) anhand der Steuerung (120) in einem Dreiecksmodus oder in einem Trapezmodus betreibbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Übergang von dem Dreiecksmodus in den Trapezmodus in Abhängigkeit von einer Lastbedingung an dem Ausgang des Wandlers und/oder in Abhängigkeit von dem Eingangssignal vorgebbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler ein Hochsetzer, ein Tiefsetzer, ein Sperrwandler oder ein Durchflusswandler ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Regelung (130) mit einem Eingang (131, 132) und einem Ausgang (133), wobei der Eingang der Regelung mit dem Ausgangssignal (Ua) des Wandlers (110) und der Ausgang der Regelung (130) mit der Steuerung (120) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der anhand der Regelung das Ausgangssignal des Wandlers entsprechend vorgegebenen Bedingungen geregelt wird.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der die vorgegebenen Bedingungen mindestens eine Lastbedingung und/oder die Spannung des Eingangssignals sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler eine Induktivität umfasst.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der die Steuerung eine Entmagnetisierungserkennung und eine Stromauswertung umfasst.
Schaltung nach Anspruch 8, bei der anhand der Entmagnetisierungserkennung eine Abmagnetisierung der Induktivität ermittelbar ist.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der die Abmagnetisierung der Induktivität anhand einer Hilfswicklung der Induktivität ermittelbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der während der Abmagnetisierung der Induktivität ein Abschaltsignal erzeugbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der anhand der Stromauswertung ein Abschaltsignal bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes erzeugbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Steuerung eine Auszeitsteuerung und eine Einzeitsteuerung umfasst.
Schaltung nach Anspruch 13, bei der die Auszeitsteuerung während des Trapezmodus derart in die Entmagnetisierungserkennung ansteuert, dass ein Einschalten vor der Abmagnetisierung möglich ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der anhand der Auszeitsteuerung eine Dauer einer Auszeit vorgebbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der anhand der Einzeitsteuerung einer Dauer eine Einschaltzeit vorgebbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der ein Schaltbeginn der Einzeitsteuerung anhand der Abmagnetisierung der Induktivität ermittelbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler einen Schalter, insbesondere einen elektronischen Schalter, aufweist.
Schaltung nach Anspruch 18, bei der der elektronische Schalter mindestens ein Transistor oder mindestens ein Mosfet oder mindestens ein Thyristor oder mindestens ein IGBT ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Wandler eine Gleichrichterschaltung vorgeschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einsatz in einer Stromversorgung, insbesondere in einem Netzteil bzw. einem Schaltnetzteil.
Schaltung nach Anspruch 21, bei dem die Stromversorgung auf einer Hutschiene und/oder in einem Schaltschrank montierbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Trapezmodus nach einer vorgegebenen Zeit abschaltbar ist.
Schaltung nach Anspruch 23, bei der nach Abschaltung des Trapezmodus der Wandler im Dreiecksmodus betreibbar ist.
Verfahren zur Ansteuerung der Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wandler anhand der Steuerung in einem Dreiecksmodus oder in einem Trapezmodus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 25, – bei dem das Ausgangssignal des Wandlers über eine Regelung ausgewertet wird; – bei dem das durch die Regelung ausgewertete Signal an die Steuerung übertragen wird; – bei dem anhand der Steuerung der Wandler im Dreiecksmodus oder im Trapezmodus betrieben wird in Abhängigkeit von einer Lastbedingung an dem Ausgang des Wandlers und/oder in Abhängigkeit von dem Eingangssignal des Wandlers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem der Wandler für eine vorgebbare Zeit in dem Trapezmodus betrieben wird und insbesondere nach Ablauf der vorgebbaren Zeit wieder in dem Dreiecksmodus betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem anhand des Betriebs im Trapezmodus von der Schaltung kurzzeitig eine im Vergleich zum Betrieb im Dreiecksmodus erhöhte Leistung bereitgestellt wird.