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Die
Erfindung betrifft eine Spannungswandlerschaltung zum Umwandeln
einer veränderlichen Eingangsspannung in eine als Gleichspannung
zur Verfügung zu stellende stabilisierte Ausgangsspannung.
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Zur
Versorgung elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie stehen
in der Regel Wechselspannungsnetze, auch AC-Netze genannt, mit unterschiedlichen
Nennspannungen (Nennspannung = Sollspannung) zur Verfügung,
insbesondere mit einer Nennspannung von 230 V, aber auch – nicht
selten – mit einer Nennspannung von 110 V. In besonderen Situationen
stehen zur Versorgung elektrischer Verbraucher mit elektrischer
Energie aber auch Gleichspannungsnetze, auch DC-Netze genannt, zur
Verfügung, auch diese mit unterschiedlichen Nennspannungen.
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Sowohl
bei Wechselspannungsnetzen als auch bei Gleichspannungsnetzen ist
die jeweilige Betriebsspannung (Betriebsspannung = Istspannung), also
bei Wechselspannungsnetzen der jeweilige Amplitudenmaximalwert,
nicht immer über der Zeit konstant; das hat mit wechselnden
Belastungen der Netze zu tun, denen die elektrischen Energieerzeuger nur
zeitverzögert folgen können.
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Häufig
benötigen elektrische Verbraucher zur Energieversorgung
Gleichspannung, und zwar eine über der Zeit konstante Gleichspannung,
also eine stabilisierte Gleichspannung. Um aus Wechselspannungsnetzen
eine Gleichspannung zu gewinnen, benötigt man eine Gleichrichterschaltung,
mit der eine pulsierende Gleichspannung gewonnen wird, die dann
in bekannter Weise geglättet wird. Dem Bedürfnis
nach einer stabilisierten Gleichspannung wird man mit einer Spannungswandlerschaltung
zum Umwandeln einer veränderlichen Eingangsspannung in
eine als Gleichspannung zur Verfügung zu stellende stabilisierte
Ausgangsspannung gerecht. Eine Spannungswandlerschaltung der in Rede
stehenden Art ist also eine Regelschaltung, die die Aufgabe hat,
Spannungsschwankungen der Eingangsspannung auszuregeln, also dafür
zu sorgen, daß auch bei nicht konstanter Eingangsspannung eine
konstante Ausgangsspannung zur Verfügung steht.
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Zu
Spannungswandlerschaltungen, also Regelschaltungen betreffenden
Stand der Technik wird zunächst ganz allgemein auf den
"Tietze/Schenk", also auf
U. Tietze/Ch. Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik",
12. Auflage, Springer-Verlag, 2002 Seiten 926 ff. verwiesen.
Dort sind zunächst lineare Spannungsregler beschrieben,
und zwar einerseits solche mit fester Ausgangsspannung, andererseits solche
mit einstellbarer Ausgangsspannung. Lineare Spannungsregler haben
den Nachteil eines relativ geringen Wirkungsgrades; dieser liegt
häufig nur bei 25% bis 50% (aaO, Seite 942). Wesentlich
bessere Wirkungsgrade als lineare Spannungsregler weisen Schaltnetzteile
auf, bei denen man zwischen primärgetakteten Schaltreglern
und sekundärgetakteten Schaltreglern unterscheidet (aaO,
Seiten 942 bis 944). Zu den sekundärgetakteten Schaltreglern
gehören Abwärtswandler, Aufwärtswandler
und invertierende Wandler (aaO, Seiten 944 bis 952). Der "Tietze/Schenk"
ist Handwerkszeug des hier relevanten Fachmanns. Folglich wird ausdrücklich
auf das verwiesen, was in der 12. Auflage des "Tietze/Schenk" im
Kapitel 16: Stromversorgung, insbesondere in den Abschnitten 16.3
bis 16.6, aber auch im Abschnitt 16.7 offenbart ist.
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Heute
wird an an Wechselspannungsnetze anzuschließende Spannungswandlerschaltungen der
beschriebenen Art die Forderung gestellt, daß der dem Wechselspannungsnetz
entnommene Strom zur Reduzierung der Oberwellen des Stroms eine
entsprechende Stromregelung zuläßt; eine solche
Stromregelung wird häufig mit "Power Factor Correction",
abgekürzt mit PFC bezeichnet, eine entsprechende Regelschaltung
mit PFC-Regelschaltung bezeichnet.
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Im
Stand der Technik sind zunächst PFC-Regelschaltungen bekannt,
die eine Gleichspannung erzeugen, deren Spannungswert immer oberhalb des
Amplitudenmaximalwertes der Nennspannung des Wechselspannungsnetzes
liegt; diese PFC-Regelschaltungen sind also reine Aufwärtswandler.
Dabei wird dann die Stromentnahme aus dem Wechselspannungsnetz durch
Strommessung und Einbringen einer auf den Sinusverlauf der Eingangsspannung
abgestimmten Regelgröße in bezug auf den Phasenwinkel
und die Oberwellen entsprechend gesteuert.
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Nachteilig
ist bei den zuvor beschriebenen PFC-Regelschaltungen der hohe Spannungswert, der
erhöhte Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Folgeschaltung
stellt; das gilt sowohl bezüglich der Auswahl der Bauteile
als auch bezüglich der Auslegung der Isolation sowie der
Luft- und Kriechstrecken. Nachteilig ist weiter, daß beim
Betrieb an Wechselspannungsnetzen mit relativ kleinen Nennspannungen,
z. B. einer Nennspannung von 110 V, die zu schaltenden Ströme
entsprechend groß sind, was zu entsprechend höheren
Verlusten und einem entsprechend reduzierten Wirkungsgrad führt.
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Während
die zuvor beschriebene PFC-Regelschaltung einstufig aufgebaut ist,
sind für den Fall, daß der Spannungswert der stabilisierten
Ausgangsspannung kleiner sein soll als die Amplitudenmaximalwerte
der Eingangsspannung, PFC-Regelschaltungen bekannt, die zweistufig
aufgebaut sind, die also aus zwei kaskadierten Wandlerstufen bestehen. Üblicherweise
ist die erste Stufe ein Abwärtswandler, auch Buckwandler
genannt, der mit einem im Strompfad liegenden Schalttransistor die
Eingangsspannungen, die oberhalb des Spannungswertes der Ausgangsspannung
liegen, auf den entsprechend kleineren Spannungswert wandeln kann.
Als zweite Stufe ist ein Aufwärtswandler, auch Boostwandler
genannt, vorgesehen, der Eingangsspannungen unterhalb des gewollten
Spannungswertes der Ausgangsspannung auf die gewollte Ausgangsspannung
anhebt. Dabei nutzen der Abwärtswandler = Buckwandler und
der Aufwärtswandler = Boostwandler die gleiche Speicherdrossel.
Stand der Technik ist es dabei, die beiden Wandler, also den Abwärtswandler
= Buckwandler und den Aufwärtswandler = Boostwandler abhängig
davon zu betreiben, ob die Eingangsspannung größer
oder kleiner als die zur Verfügung zu stellende Ausgangsspannung
ist. Ist die Eingangsspannung größer als die zur
Verfügung zu stellende Ausgangsspannung, arbeitet der Abwärtswandler,
ist die Eingangsspannung kleiner als die zur Verfügung
zu stellende Ausgangsspannung, arbeitet der Aufwärtswandler.
Arbeitet der Abwärtswandler = Buckwandler so spricht man
vom Buckbetrieb bzw. vom Buckmode, arbeitet der Aufwärtswandler
= Boostwandler, so spricht man vom Boostbetrieb bzw. Boostmode.
Da im Stand der Technik sowohl der Buckwandler als auch der Boostwandler
einen Schalttransistor aufweist, wird im Buckbetrieb der Schalttransistor
des Boostwandlers konstant sperrend geschaltet, während
im Boostbetrieb der Schalttransistor des Buckwandlers konstant leitend
geschaltet ist. Der alternative Betrieb des Buckwandler einerseits
und des Boostwandlers andererseits gestattet es, bekannte Wandlertopologien
hintereinander zu schalten, ohne deren Übertragungs- oder
Regelverhalten zu beeinflussen. Zu den bekannten Wandlertopologien,
und zwar sowohl für Abwärtswandler als auch für
Aufwärtswandler, wird nochmals auf "Tietze/Schenk", aaO,
verwiesen, Typenübersicht auf Seite 951.
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Bei
der zuvor beschriebenen PFC-Regelschaltung weist jeder Wandler für
sich einen hohen Wirkungsgrad auf. Die Kaskadierung der Wandler bringt
es jedoch mit sich, daß im Buckmode eine zu dem Boostwandler
gehörende Ausgangsdiode einen Zusatzverlust bewirkt, während
im Boostmode der Schalttransistor der Buckstufe einen Zusatzverlust bewirkt.
Eine Buck-Boost-Kaskade ist also im Wirkungsgrad immer schlechter
als der jeweilige Wandler, der aktuell im Betrieb ist.
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Zuvor
ist ausgeführt worden, daß bei den zum Stand der
Technik gehörenden PFC-Regelschaltungen mit einem Abwärtswandler
= Buckwandler und einem Aufwärtswandler = Boostwandler
die beiden Wandler abhängig davon betrieben werden, ob
die Eingangsspannung größer oder kleiner als die zur
Verfügung zu stellende Ausgangsspannung ist. Ist die Eingangsspannung
gleich der zur Verfügung zu stellenden Ausgangsspannung,
so liegt eine harte Trennstelle für das Übertragungs-
oder Regelverhalten vor. Insbesondere im Übergangsbereich,
wenn die Eingangsspannung nur geringfügig von der zur Verfügung
zu stellenden Ausgangsspannung abweicht, treten durch die unterschiedlichen
Transferfunktionen der beiden Wandler Spannungs- und Stromtransienten
auf. Insbesondere das Einbringen einer auf den Sinusverlauf der
Eingangsspannung abgestimmten Regelgröße, also
einer Führungsgröße für den
Strom für die verlangte "Power Factor Correction", also
für die verlangte PFC, wird erschwert. Die Problematik
besteht darin, daß dann, wenn die Eingangsspannung gleich
(oder annähernd gleich) der gewollten Ausgangsspannung
ist, für die beiden Wandler, also für den Abwärtswandler
und den Aufwärtswandler, gilt: Abwärtswandler
= Buckwandler im dauerleitenden Betrieb, Aufwärtswandler
= Boostwandler im dauersperrenden Betrieb. Durch die Gleichheit
von Eingangsspannung und gewollter Ausgangsspannung gibt es kein
Spannungsgefälle zwischen dem Eingang und dem Ausgang;
es kann also kein Strom fließen. Für die verlangte
"Power Factor Correction" wird aber ein Sinusverlauf verlangt, synchron
zum Sinusverlauf der Eingangsspannung.
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Relevanter
Stand der Technik in bezug auf das, was zuvor insgesamt ausgeführt
worden ist, ist einerseits die aus Juli 2005 stammende
IBM-Veröffentlichung
"A Combined Buck and Boost Converter for Single-Phase Power-Factor
Correction" von Kevin Covi, andererseits die am 9. August 2006 erschienene
europäische Offenlegungsschrift
1 689 070 , die auf eine USA-Prioritätsanmeldung
der Firma LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION vom 8. Februar 2005 zurückgeht.
(LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION ist einer der führenden
Hersteller der bekannten Wandlertopologien, und zwar sowohl für
Abwärtswandler = Buckwandler als auch für Aufwärtswandler
= Boostwandler, wozu auf den "Tietze/Schenk", aaO, Seite 951 verwiesen
werden darf.)
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Bei
der aus der zuvor angeführten IBM-Veröffentlichung
bekannten Spannungswandlerschaltung, nachfolgend immer mit IBM-Lösung
bezeichnet, ist eine komplexe Regelung für die Ansteuerung der
beiden Wandler realisiert. Der Regelungsansatz besteht darin, mit
Hilfe von zwei Rampenfunktionen und einem gemeinsamen Steuersignal
die beiden Wandler zu betreiben. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit,
daß der Boostwandler im Dutycycle erst auf Minimum fährt,
bevor der Buckwandler mit maximalem Dutycycle gestartet werden kann
(Dutycycle ist das Verhältnis der Zeit, in der der jeweilige
Schalttransistor leitend ist, über der zeitlichen Periode,
also Tleit/Tperiode, über
dem Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung,
also über Ua/Ue.)
Da im Umschaltaugenblick durch den geforderten Strom eine große
Pulsbreite vorliegt und eine schlagartige Veränderung des
Dutycycle aufgrund der begrenzten Regeldynamik schwer realisierbar
ist, sind erhebliche Ausregelvorgänge im Strom- und Spannungssignal zu
erwarten.
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Auch
bei der aus der
europäischen
Offenlegungsschrift 1 689 007 bekannten Spannungswandlerschaltung,
nachfolgend immer mit LTC-Lösung bezeichnet, ist eine komplexe
Regelung für die Ansteuerung der beiden Wandler realisiert.
Auch bei der LTC-Lösung werden, wie bei der IBM-Lösung,
die beiden Wandler mit einem gemeinsamen Steuersignal im jeweiligen
Betriebsbereich betrieben. Während bei der IBM-Lösung
zwei Betriebsbereiche vorliegen und zwischen diesen Betriebsbereichen
ein harter Übergang gegenläufig erfolgt, ist bei
der LTC-Lösung ein Überlappungsbereich zwischen
den beiden Betriebsbereichen realisiert, der für Eingangsspannungen
gilt, die in einem Bereich liegen, der um einen bestimmten Betrag
unterhalb der Ausgangsspannung beginnt und um einen bestimmten Betrag
oberhalb der Ausgangsspannung endet. In diesem Bereich werden innerhalb
eines Clockzyklus zwei Operationen durchgeführt, bei denen
abhängig von der Eingangsspannung die beiden Wandler, also der
Buckwandler bzw. der Boostwandler, sequentiell angesteuert werden.
Hierdurch ergeben sich zusätzliche Schaltzyklen innerhalb
einer Periode. Bei der LTC-Lösung wird der im Normalbetrieb
stetige Rampenverlauf des Drosselstroms innerhalb einer Periode
in seiner Steigung hart umgeschaltet, so daß in einem Teil
der Periode der Buckmode und in dem anderen Teil der Periode der
Boostmode vorliegt. Im Überlappungsbereich werden die Schalttransistoren mit
Impulsen unterschiedlicher Länge angesteuert, so daß innerhalb
einer Periode bis zu vier verlustbehaftete Schaltvorgänge
vorliegen. Die unterschiedliche Ansteuerung der Schalttransistoren
verändert die Spannungsverhältnisse über
der Speicherdrossel. Es ergeben sich innerhalb einer Periode also auch
Umschaltungen in der Steigung des durch die Speicherdrossel fließenden
Stroms. Zusätzlich bewirken die mehrfachen Schaltvorgänge
innerhalb einer Periode Schaltstörungen, die zur Beeinflussung der
zum jeweiligen Zeitpunkt noch aktiven Regelvorgänge führen
können. Das in der LTC-Lösung vorgestellte Konzept
arbeitet mit zusätzlichen Schalt- bzw. Steuervorgängen
innerhalb eines Taktzyklus. Hierdurch sind erhebliche Anforderungen
bezüglich Geschwindigkeit und Komplexität an den
zu realisierenden Steuer- bzw. Regelbaustein zu stellen; herkömmliche
standardisierte Steuer- und Regelbausteine erfüllen diese
Funktionen nicht. Des weiteren ist bei der LTC-Lösung die
Realisierung einer "Power Factor Correction" nicht berücksichtigt,
so daß das zusätzliche Einbringen einer Regelgröße
zur Erzielung eines sinusförmigen Stromflusses nicht realisiert ist.
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Konkret
geht die Erfindung aus von dem Stand der Technik, der zum Beispiel
aus dem "Tietze/Schenk bekannt ist (aaO, unter anderem Seite 944,
Abb. 16.37, Absatzwandler, und Seite 949, Abb. 16.44, Aufwärtswandler).
Dabei ist nur eine Speicherdrossel verwirklicht, die funktional
einerseits zum Abwärtswandler und andererseits zum Aufwärtswandler
gehört. Auch ist nur ein Speicherkondensator vorgesehen,
der sowohl zum Abwärtswandler als auch zum Aufwärtswandler
gehört. Die bekannte Spannungswandlerschaltung, von der
die Erfindung ausgeht, besteht also aus einem ersten Schaltelement,
z. B. einem Schalttransistor, einem ersten Gleichrichter, z. B.
einer Gleichrichter diode oder einem Gleichrichtertransistor, einer
Speicherdrossel, einem zweiten Schaltelement, wiederum z. B. einem Schaltransistor,
einem zweiten Gleichrichter, wiederum z. B. einer Gleichrichterdiode
oder einem Gleichrichtertransistor, einem Speicherkondensator, einem Meßwiderstand
und einer Steuer- und Regeleinheit.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte, zuvor beschriebene
Spannungswandlerschaltung hinsichtlich des Übertragungs- bzw.
Regelverhaltens zu verbessern. Dabei kann auch angestrebt werden,
zusätzlich eine Regelfunktion einzufügen, die
es zuläßt, die Kurvenform des Eingangsstroms derart
vorzugeben, daß die Anforderungen an eine sinusförmige
Stromaufnahme entsprechend den geltenden PFC-Anforderungen realisiert werden
können. Ergänzend, aber nicht zwingend, wird angestrebt,
daß bei der Realisierung Steuer- und/oder Regelbausteine
zum Einsatz kommen können, die als Standard-Bauteile verfügbar
sind.
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Die
erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung, bei
der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst
ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement
dann, wenn die Eingangsspannung größer als das
X-fache der gewollten Ausgangsspannung und kleiner als das Y-fache
der gewollten Ausgangsspannung ist, synchron angesteuert sind, d.
h. stets gleichzeitig leitend und stets gleichzeitig sperrend sind.
Betrachtet man die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung als
Zusammenschaltung, und zwar als Hintereinanderschaltung eines üblichen
Abwärtswandlers, also eines üblichen Buckwandlers,
und eines üblichen Aufwärtswandlers, also eines üblichen
Boostwandlers, so gehört das erste Schaltelement zum Abwärtswandler
und das zweite Schaltelement zum Aufwärtswandler. Durch
die Vorgabe "Eingangsspannung größer als das X-fache
der gewollten Ausgangsspannung und kleiner als das Y-fache der gewollten
Ausgangsspannung" – mit X < Uaus und Y > Uaus – ist
ein Bereich des Verhältnisses von Eingangsspannung zu gewollter
Ausgangsspannung definiert, in dem die erfindungsgemäße
Spannungswandlerschaltung im Buck-Boost-Combimode arbeitet. Die erfindungsgemäße
Spannungswandlerschaltung hat also drei Betriebsbereiche. Ist die
Eingangsspannung kleiner oder gleich dem X-fachen der gewollten Ausgangsspannung,
so arbeitet die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung
im Boostbetrieb.
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Ist
die Eingangsspannung gleich oder größer dem Y-fachen
der gewollten Ausgangsspannung, so arbeitet die erfindungsgemäße
Spannungswandlerschaltung im Buckbetrieb. Ist die Eingangsspannung größer
als das X-fache der gewollten Ausgangsspannung und kleiner als das
Y-fache der gewollten Ausgangsspannung, so arbeitet die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung,
wie bereits ausgeführt, im Buck-Boost-Combibetrieb.
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Der
Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung
ist sowohl im Buckbetrieb als auch im Boostbetrieb besser als dann,
wenn die Spannungswandlerschaltung im Buck-Boost-Combimode arbeitet.
Folglich werden die Werte für X und für Y so gewählt,
daß der Bereich der Eingangsspannung, bezogen auf die gewollte Ausgangsspannung,
in dem die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung
sowohl im Buckbetrieb als auch im Boostbetrieb arbeitet, so eng
wie möglich bzw. sinnvoll gewählt, – wobei
auch Bauteiletoleranzen und Temperaturdriften berücksichtigt
werden müssen. Der Wert für X kann z. B. zwischen
0,8 und 0,98, vorzugsweise zwischen 0,85 und 0,95, insbesondere
bei etwa 0,9, der Wert für Y kann z. B. zwischen 1,02 und
1,2, vorzugsweise zwischen 1,05 und 1,15, insbesondere bei etwa
1,1 liegen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Bereich
der Eingangsspannung, bei dem das erste Schaltelement und das zweite
Schaltelement synchron angesteuert sind, betragsmäßig
festzulegen, z. B. zwischen etwa 20 bis 5 V unterhalb der gewollten
Ausgangsspannung und etwa 5 bis 20 V oberhalb der gewollten Ausgangsspannung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spannungswandlerschaltung ist ergänzend dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Schaltelement beim Auftreten einer transienten Überspannung
durch die Steuer- und Regeleinheit sperrend gesteuert wird.
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Dadurch,
daß bei der erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung
ein Betriebsbereich realisiert ist, in dem die Spannungswandlerschaltung im
Buck-/Boost-Combimode arbeitet, ist das Übertragungs- bzw.
Regelverhalten der erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung
besser als das der bekannten Spannungswandlerschaltungen, von denen die
Erfindung ausgeht.
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Im
folgenden wird nun die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung
anhand eines in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
nochmals erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung besteht,
wie die zum Stand der Technik gehörende Spannungswandlerschaltung,
von der die Erfindung ausgeht, aus einem ersten Schaltelement 1,
im dargestellten Ausführungsbeispiel einem Schalttransistor,
einem ersten Gleichrichter 2, im dargestellten Ausführungsbeispiel
einer Gleichrichterdiode, einer Speicherdrossel 3, einem
zweiten Schaltelement 4, im dargestellten Ausführungsbeispiel
wiederum einem Schalttransistor, einem zweiten Gleichrichter 5,
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum einer
Gleichrichterdiode, einem Speicherkondensator 6, einem
Meßwiderstand 7 und einer Steuer- und Regeleinheit 8.
In der Figur sind eingangsseitig eine Eingangsspannung Ue und ausgangsseitig eines Ausgangsspannung
Ua angedeutet, und zwar zwischen zwei Eingangsanschlüssen 9 und 10 sowie
zwei Ausgangsanschlüssen 11 und 12. Der
Eingangsanschluß 9 ist einerseits mit dem ersten Schaltelement 1 und
andererseits mit einem ersten Eingang 13 der Steuer- und
Regeleinheit 8 verbunden. Das erste Schaltelement 1 ist
im übrigen sowohl mit dem ersten Gleichrichter 2 als
auch mit der Speicherdrossel 3 verbunden. Die Speicherdrossel 3 ist im übrigen
mit dem zweiten Schaltelement 4 und dem zweiten Gleichrichter 5 verbunden.
Der zweite Gleichrichter 5 ist wiederum mit dem Speicherkondensator 6 und
dem Ausgangsanschluß 11 verbunden. Der Ausgangsanschluß 11 ist
mit einem zweiten Eingang 14 der Steuer- und Regeleinheit 8 verbunden.
Verbunden sind des weiteren der Eingangsanschluß 10 mit
dem ersten Gleichrichter 2 und dem Meßwiderstand 7,
der Ausgangsanschluß 12 mit dem zweiten Schaltelement 4,
dem Speicherkondensator 6 und dem Meßwiderstand 7 sowie
ein Abgriff 15 des Meßwiderstandes 7 mit
einem dritten Eingang 16 der Steuer- und Regeleinheit 8.
Das erste Schaltelement 1 und das zweite Schaltelement 4 werden von
der Steuer- und Regeleinheit 8 angesteuert, und zwar über
an Ausgänge 17 und 18 der Steuer- und Regeleinheit 8 angeschlossene
Ansteuereinheiten 19 und 20, deren Ausgänge 21 und 22 mit
den Steuerelektroden der Schaltelemente 1 und 4 verbunden sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung
kann die – häufig verlangte – "Power
Factor Correction" dadurch realisiert werden, daß als Steuer-
und Regeleinheit 8 ein am Markt erhältliches Bauteil
verwendet wird; solche Steuer- und Regeleinheiten sind z. B. von
den Firmen Fairchild Semiconducter GmbH und Texas Instruments GmbH erhältlich.
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Die
erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung ist
nun dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement 1 und
das zweite Schaltelement 4 dann, wenn die Eingangsspannung
Ue größer als das X-fache
der gewollten Ausgangsspannung Ua und kleiner
als das Y-fache der gewollten Ausgangsspannung Ua ist,
von der Steuer- und Regeleinheit 8 – über
die Ansteuereinheit 19 bzw. die Ansteuereinheit 20 – synchron
angesteuert sind; das erste Schaltelement 1 und das zweite
Schaltelement 4 sind also stets gleichzeitig leitend und
stets gleichzeitig sperrend.
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Im übrigen
gilt für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spannungswandlerschaltung, daß das erste Schaltelement 1 beim Auftreten
einer transienten Überspannung durch die Steuer- und Regeleinheit 8 sperrend
gesteuert wird, so daß eine transiente Überspannung
die Bauteile der erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung
nicht beschädigen kann.
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Die
Ansteuerung der beiden Schalter 1 und 4 – von
der Steuer- und Regeleinheit 8 über die Ansteuereinheiten 19 und 20 – kann
mit pulsbreitenmodulierten oder mit frequenzvariablen Ansteuersignalen
erfolgen.
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Weiter
oben ist ausgeführt, daß der Wirkungsgrad der
erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung sowohl
im Buckbetrieb als auch im Boostbetrieb besser ist als dann, wenn
die Spannungswandlerschaltung sowohl im Buck-/Boost-Combimode arbeitet.
Kommt es auf den Wirkungsgrad nicht besonders an, dann kann die
erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung auch so
ausgelegt werden, daß sie durchgängig im Buck-/Boost-Combimode
arbeitet, daß also unabhängig vom Verhältnis
der Eingangsspannung Ue zur gewollten Ausgangsspannung
Ua das erste Schaltelement 1 und
das zweite Schaltelement 4 synchron angesteuert sind, d.
h. stets gleichzeitig sperrend sind.
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In
der 2 sind Übertragungsfunktionen Uaus in Abhängigkeit von Uein dargestellt. Daraus ergibt sich folgendes:
Bei
einem festen Verhältnis von Uaus/Uein zeigt sich beim Übergang vom
Buckmode in den Boostmode (und umgekehrt, nur möglich,
wenn Uein = Uaus)
eine starke Veränderung im Dutycycle = Tastverhältnis. Da
der Dutycycle die leitende Zeit des jeweilig betriebenen Schaltelements
beschreibt und der hieraus resultierende Stromfluß durch
die gemeinsame Speicherdrossel hierdurch eingestellt wird, ist durch
diesen "Sprung" in der Übertragungsfunktion ein Sprung im
Stromverlauf erkennbar. Das Ergänzen des Buckmodes bzw.
des Boostmodes durch den Buck-/Boost-Combimode reduziert den zuvor
erläuterten Sprung. Die Intensität des Sprungs
hängt vom aktuell vorliegenden Dutycycle ab, so daß pauschal anzustreben
wäre, den Übergang vom Buckmode in den Buck-/Boost-Combimode
bei möglichst kleinen Dutycycle-Werten durchzuführen,
den Übergang vom Buck-Boost-Combimode in den Boostmode
dagegen bei möglichst großen Dutycycle-Werten.
Anhand der Übertragungsfunktionen in 2 ist
deutlich erkennbar, daß bei kleinen Dutycyle-Werten die Übertragungsfunktionen
von Buckmode und Buck-Boost-Combimode nahe zusammenliegen und bei
großen Dutycyle-Werten die Übertragungsfunktionen
von Boostmode und Buck-Boost-Combimode sich annähern.
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Gegen
die Wahl der Umschaltpunkte bei kleinen Dutycycle-Werten bzw. bei
großen Dutycycle-Werten spricht, daß der Buck-Boost-Combimode selbst
mehr Verluste produziert als der entsprechende Einzelwandler. Hier
gilt es, einen Kompromiß festzulegen, der auf Umschaltwerte
zielt, wenn sich die Eingansspannung im Bereich von etwa 0,9 Uaus < Uein = > 1,1
Uaus bewegt.
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Da
der Dutycycle zusätzlich durch die Regelvorgabe für
die sinusförmige Stromaufnahme (PFC-Forderung) im Regler
eingestellt wird, muß davon ausgegangen werden, daß der
Umschaltvorgang zwischen den einzelnen Wandlermodes einen Sprung
in den Übertragungsfunktionen und somit auch im Stromverlauf
aufweist. Zur Bedämpfung der erläuterten Sprungsdynamik
wird im Umschaltaugenblick eine Art Softschaltfunktion ähnlich
einem Softstartvorgang eingeschaltet, die aus dem Sprungvorgang
einen stetigen Änderungsvorgang realisiert. So wird die
durch den Buck-Boost-Combimode bereits reduzierte Sprungdynamik
zusätzlich bedämpft, so daß eine optimale
Einstellung der Umschaltwerte erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1689070 [0012]
- - EP 1689007 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - U. Tietze/Ch.
Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 12. Auflage, Springer-Verlag,
2002 Seiten 926 ff [0005]
- - IBM-Veröffentlichung "A Combined Buck and Boost Converter
for Single-Phase Power-Factor Correction" von Kevin Covi, andererseits
die am 9. August 2006 [0012]