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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung, auch Power factor correction oder PFC-Schaltung genannt, mit einem Wechselspannungseingang, mit einem Aufwärtswandler mit wenigstens einer Spule, einer Diode und einem Schalter und mit wenigstens einem Strommesser.
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Eine solche PFC-Schaltung wird beispielsweise in Leistungsnetzteilen verwendet, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Verschiedene Ausführungen einer solchen Schaltung sind beispielsweise in der Application Note AN1606 „A bridgeless PFC configuration based an L4981 PFC Controller” von ST Microelectronics beschrieben.
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Eine zwingende Voraussetzung zur Leistungsfaktorkorrektur ist die Messung wenigstens der Eingangsspannung und des Gesamtstromes. Während die Spannungsmessung weniger kritisch ist, kann die Strommessung je nach Schaltungsausführung problematisch sein.
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Eine einfache PFC-Schaltung gemäß dem Stand der Technik weist in der Regel einen Brückengleichrichter mit Dioden und einen nachgeschalteten Aufwärtsregler auf. In einer solchen Schaltung ist die Strommessung leicht durch einen Messwiderstand realisierbar.
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Die Dioden im Brückengleichrichter bewirken aufgrund ihrer Vorwärtsspannung eine Redzierung des Wirkungsgrades. Um diese Verluste zu reduzieren, kann auch ein brückenloser Gleichrichter mit kombiniertem Aufwärtsregler verwendet werden, wie er in der oben genannten Application Note beschrieben ist.
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Bei dieser Schaltungsanordnung existiert im Aufwärtswandler jedoch kein fester Massepunkt, da sich dieser beim Umschalten der Schalter jeweils ändert. Dadurch ist es jedoch unmöglich, durch einen einfachen Messwiderstand eine Strommessung vorzunehmen. Zur Strommessung wird daher im genannten Beispiel eine komplizierte Anordnung aus zwei Stromübertragern verwendet, die unabhängig von der gerade aktiven Halbwelle einen Stromwert liefern können.
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Eine andere bekannte Möglichkeit zur Strommessung besteht in der Verwendung eines sogenannten LEM-Transformators, der jedoch ebenfalls teuer und aufwändig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine PFC-Schaltung der vorgenannten Art zu schaffen, bei der der Strom auf einfache und kostengünstige Art bestimmbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Strommesser einen Stromübertrager mit einem Kern aufweist, auf dem zwei Primärwicklungen mit einem gemeinsamen Anschluss und eine Sekundärwicklung angeordnet sind, dass der Stromübertrager im Aufwärtswandler derart angeordnet ist, dass bei geschlossenem Schalter an einer Primärwicklung der Strom durch den Schalter und bei geöffnetem Schalter an der anderen Primärwicklung der Strom durch die Diode anliegt und dass die Sekundärwicklung mit einem Messwiderstand verbunden ist, an dem ein zum übertragenen Strom proportionales Signal abgreifbar ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Stromübertragers funktioniert sowohl bei einer brückenlosen Schaltung wie auch einer Anordnung mit Brückengleichrichter. Der erfindungsgemäße Stromübertrager ist sehr einfach ausgebildet und ist als fertiges Zukaufteil erhältlich. Im Vergleich zum Stand der Technik ist kein aufwändiger und teurer Spezialstromwandler notwendig.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die PFC-Schaltung einen brückenlosen Gleichrichter mit kombiniertem Aufwärtswandler mit zwei parallelen Wandlerzweigen auf, in denen jeweils eine Diode und ein Schalter in Reihe geschaltet sind, wobei in jedem Wandlerzweig die beiden Primärwicklungen eines Stromübertragers derart zwischen Diode und Schalter angeordnet sind, dass der gemeinsame Anschluss der Primärwicklungen mit einem Pol des Wechselspannungseingangs verbunden ist und der freie Anschluss der ersten Primärwicklung mit der Diode und der freie Anschluss der zweiten Primärwicklung mit dem Schalter verbunden ist.
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Der Vorteil dabei ist, dass einerseits durch die brückenlose Schaltung ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird. Zusätzlich sind die erfindungsgemäßen Stromübertrager sehr einfach und kostengünstig aufgebaut, so dass eine sehr preiswerte Strommessung ermöglicht wird.
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Zweckmäßigerweise weisen die beiden Primärwicklungen eines Stromübertrages einen gegenläufigen Wicklungssinn auf, so dass eine separate Entmagnetisierung des Übertragerkerns nicht mehr notwendig ist. Dadurch wird die Schaltung zusätzlich vereinfacht, da kein separater Entmagnetisierschaltkreis vorgesehen sein muss.
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Die beiden Messwerte, die ein Stromübertrager bei offenem und bei geschlossenem Schalter liefert, können in einer Auswerte- und Kontrolleinheit gespeichert und mit anderen Werten verknüpft werden. Zweckmäßigerweise werden die Strommesswerte in derselben Kontrolleinheit verarbeitet, die auch die Schalter steuert.
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Die Spule des Aufwärtswandlers ist bei dieser Schaltungsanordnung vorzugsweise in einem Wandlerzweig zwischen dem Wechselspannungseingang und dem gemeinsamen Anschluss der Primärwicklung angeordnet. Alternativ kann in beiden Wandlerzweige eine Spule angeordnet sein.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung weist die PFC-Schaltung einen Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Aufwärtswandler auf, wobei der gemeinsame Anschluss der Primärwicklungen mit der Spule verbunden ist und der freie Anschluss der ersten Primärwicklung mit der Diode und der freie Anschluss der zweiten Primärwicklung mit dem Schalter verbunden ist.
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Bei allen Schaltungsausführungen sind die Schalter vorzugsweise MOSFET-Schalter. Alternativ können jedoch auch beispielsweise IGBT-Schalter verwendet werden. Wichtig für die Funktion der Schaltung ist, dass der Schalter eine Freilaufdiode aufweist.
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Zweckmäßigerweise weist die PFC-Schaltung einen EMI-Filter auf, um zu verhindern, dass harmonische Störungen auf die Wechselspannungsquelle übertragen werden.
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Die Primärwicklungen des Stromübertragers weisen vorzugsweise 0,5 bis 2 Windungen auf. Die beiden Primärwicklungen können dabei die gleiche oder eine unterschiedliche Windungszahl aufweisen. Die Sekundärwicklung weist 5 bis 10 Windungen auf, so dass sich ein Übertragungsverhältnis zwischen 1:2,5 und 1:20 ergibt. Je nach Anwendung kann jedoch auch ein anderes Übertragungsverhältnis notwendig oder vorteilhaft sein.
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Um eine möglichst verlustlose Übertragung des Stroms zu ermöglichen, weist der Kern des Stromübertragers eine möglichst geringe Remanenz und eine möglichst hohe Permeabilität auf.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 eine PFC-Schaltung mit brückenlosem Gleichrichter und kombiniertem Aufwärtswandler gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung und
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2 eine PFC-Schaltung mit einer Gleichrichterbrücke und nachgeschaltetem Aufwärtswandler gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete PFC-Schaltung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung, mit einem brückenlosem Gleichrichter und kombiniertem Aufwärtswandler. Die Schaltung 1 weist einen Wechselspannungseingang 2 auf, der im Beispiel mit einer Wechselspannungsquelle 3 verbunden ist.
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Weiterhin weist die Schaltung 1 zwei parallele Wandlerzweige 4a, 4b des Gleichrichters mit Aufwärtswandler auf. Im ersten Wandlerzweig 4a sind ein MOSFET-Schalter Q1, ein Stromübertrager T1 und eine Diode D1 in Reihe geschaltet. Der Stromübertrager T1 weist einen Kern 8 auf, auf dem zwei Primärwicklungen 5, 6 und eine Sekundärwicklung 9 angeordnet sind. Die beiden Primärwicklungen 5, 6 haben einen gemeinsamen Anschluss 7. Der gemeinsame Anschluss 7 ist über eine Spule L mit einem ersten Pol des Wechselspannungseingangs 2 verbunden. Der freie Anschluss der ersten Primärwicklung 5 ist mit der Diode D1 und der freie Anschluss der zweiten Primärwicklung 6 ist dem Schalter Q1 verbunden.
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Die beiden Primärwicklungen 5, 6 weisen vorzugsweise einen gegenläufigen Wicklungssinn auf. Dadurch wird der Kern 8 beim Wechsel des Stromflusses von einer Primärwicklung auf die andere automatisch ummagnetisiert. Der Kern 8 muss daher nicht durch eine zusätzliche Entmagnetisierungsschaltung entmagnetisiert werden, wodurch weitere Kosten eingespart werden können.
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Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung 9 sind über einen Messwiderstand Rs miteinander verbunden, wobei ein Knotenpunkt auf Masse 10 liegt. An dem Messwiderstand Rs fällt eine zum Strom proportionale Spannung ab, die von einer Messeinrichtung oder eine Kontrolleinrichtung (nicht gezeigt) erfasst werden kann.
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Die beiden Primärwicklungen 5, 6 weisen in der Regel 0,5 bis 2 Windungen auf. Die Sekundärwicklung 9 hat etwa 5 bis 10 Windungen. Somit ergibt sich ein Übertragungsverhältnis von 1:2,5 bis 1:20. Die beiden Primärwicklungen können die gleiche oder unterschiedliche Windungszahl aufweisen.
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Vorzugsweise weist der Kern 8 eine sehr hohe Permeabilität und geringe Remanenz auf.
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Der zweite Wandlerzweig 4b ist identisch zum ersten Wandlerzweig 4a aufgebaut, wobei hier der gemeinsame Primäranschluss 7 des Stromübertragers T2 über eine Spule L mit dem zweiten Pol des Wechselspannungseingangs 2 verbunden ist.
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Die beiden Spulen L am Eingang sitzen auf einem gemeinsamen Kern 11 und weisen jeweils einen gegenläufigen Wicklungssinn auf. Alternativ könnte auch nur eine Spule in einem Wandlerzweig angeordnet sein.
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Parallel zu den beiden Wandlerzweigen 4a, 4b ist ein Ausgangskondensator C0 angeordnet. Eine Last R0 kann parallel zum Kondensator C0 angeordnet werden.
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Die MOSFET-Schalter Q1, Q2 weisen eine intrinsische Freilaufdiode (Body-Diode) auf, die für die Funktion der Schaltung wesentlich ist. Anstelle der MOSFET-Schalter können beispielsweise auch IGBT-Schalter verwendet werden, solange diese mit einer Freilaufdiode ausgerüstet sind.
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Im Betrieb ist jeder Wandlerzweig 4a, 4b einer Halbwelle der Eingangswechselspannung Vin zugeordnet. Im Folgenden wird exemplarisch die positive Halbwelle betrachtet, bei der der erste Wandlerzweig 4a aktiv ist. Bei geschlossenem Schalter Q1 fließt ein Strom durch den oberen Teil der Spule L über die zweite Primärwicklung 6 durch den Schalter Q1. Der Stromübertrager T1 überträgt diesen Schalterstrom auf den Messwiderstand Rs, wo ein zum Strom proportionaler Spannungswert erzeugt wird. Dieser Spannungswert wird in einer Kontrolleinrichtung zwischengespeichert (nicht gezeigt). Der Stromkreis schließt sich durch die Freilaufdiode (nicht gezeigt) des MOSFET Q2 des zweiten Wandlerkreises 4b und den unteren Teil der Spule L.
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Wird der Schalter Q1 geöffnet, kommutiert der Strom durch die Spule L vom Transistor Q1 auf die Diode D1. Dieser Strom fließt dann durch den oberen Teil der Spule L, die erste Primärwicklung 5 des Stromübertragers T1, die Diode D1 des ersten Wandlerzweigs 4a über den Ausgangskondensator Co und schließt sich über die Freilaufdiode des Schalters Q2 sowie den unteren Teil der Spule L.
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Der Stromübertrager T1 erfasst dabei den Strom durch die Diode D1. Der entsprechende Spannungswert wird am Messwiderstand Rs erfasst und in der Kontrolleinrichtung gespeichert. Während diesem Zyklus bleibt der Schalter Q2 inaktiv, bis auf seine Freilaufdiode.
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In der zweiten Halbwelle erfolgt die Stromleitung analog durch den zweiten Wandlerzweig 4b und die Freilaufdiode des Schalters Q1.
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Die Schaltung weist weiterhin eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Eingangsspannung auf (nicht gezeigt). Aus den gemessenen vier Stromwerten und der Eingangsspannung kann die Kontrolleinrichtung (nicht gezeigt) die für eine Leistungsfaktorkorrektur benötigten Werte berechnen und die Schalter Q1 und Q2 entsprechend ansteuern.
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Weiterhin kann die Schaltung einen EMI-Filter aufweisen, der der Spule L vorgeschaltet wird. Dieser Filter vermindert die unerwünschte Einstreuung von harmonischen Stromanteilen zurück in die Wechselspannungsquelle (Strom-Netz).
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Die Stromübertrager können in dieser Anordnung sehr einfache und kostengünstige Bauteile sein, die als Fertigprodukt am Markt erhältlich sind. Der Aufwand und die Kosten für die erfindungsgemäße PFC-Schaltung ist daher im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringer, da keine speziellen Stromwandler notwendig sind.
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Aus den vier Stromwerten und deren zeitlicher Abfolge kann zusätzlich festgestellt werden, an welchem Zeitpunkt in einem Schaltzyklus sich die Schaltung gerade befindet. Dadurch kann die Kontrolleinrichtung beispielsweise den Schaltzeitpunkt der Schalter optimieren. Die (Freilauf-)Dioden enthalten immer eine gewisse Restladung, so dass der optimale Schaltzeitpunkt nicht mit dem theoretischen übereinstimmt. Mit den genannten Information ist es möglich, den Schaltzeitpunkt des nächsten an der Reihe befindlichen Schalters entsprechend vor zu verlegen und damit die Verluste in den Freilaufdioden der Transistoren zu minimieren.
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Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung die Verwendung einer brückenlosen PFC-Schaltung auch für eine kostengünstige Serienfertigung, was bislang an den im Stand der Technik notwendigen teuren Spezialbauteilen für die Strommessung scheiterte.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen PFC-Schaltung 1'. Im Gegensatz zur Schaltung der 1 weist diese Schaltung einen herkömmlichen Aufbau mit einem Brückengleichrichter 12 auf, der aus vier Dioden D in bekannter Weise gebildet ist. Der Brückengleichrichter 12 ist einerseits direkt mit dem Wechselspannungseingang 2 verbunden und andererseits mit einem Aufwärtswandler 13.
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Der Aufwärtswandler 13 weist eine Reihenschaltung aus einer Spule L und einer Diode D1 auf. Dazwischen zweigt ein Stromzweig mit einem Schalter Q ab, der zurück zum Gleichrichter 12 führt. Am Ausgang des Aufwärtswandlers 13 ist ein Ausgangskondensator C0 angeordnet, zu dem parallel eine Last R0 angeordnet werden kann.
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Zusätzlich ist in dem Aufwärtswandler 13 ein Stromübertrager T erfindungsgemäß angeordnet. Der gemeinsame Anschluss 7 der Primärwicklungen 5, 6 ist auch hier mit der Spule L verbunden. Der freie Anschluss der ersten Primärwicklung 5 ist mit der Diode D1 verbunden und der freie Anschluss der zweiten Primärwicklung 6 mit dem Schalter Q.
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Die Funktion der Schaltung ist ähnlich zur Ausführung gemäß 1.
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Ist der Schalter Q geschlossen, so fließt ein Strom durch die Spule L, die zweite Primärwicklung 6 und den Schalter Q zurück zum Gleichrichter 12. Die Spannung am Messwiderstand Rs spiegelt den Strom durch den Schalter Q wieder.
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Wird der Schalter Q geöffnet, kommutiert der Strom auf die Diode und fließt nun durch die Spule L, durch die erste Primärwicklung 5, die Diode D1 und den Ausgangskondensator C0. Dabei wird im Messwiderstand Rs ein Spannungswert entsprechend dem Diodenstrom erfasst. Aus den beiden Stromwerten kann in einer Kontrolleinheit (nicht gezeigt) ein Wert für den (effektiven) Gesamtstrom errechnet werden.
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Auch bei dieser Schaltung ist die Kontrolleinheit nicht gezeigt, die neben der Strommessung auch wenigstens eine Spannungsmessung aufweist und zur Steuerung des Schalters Q erforderlich ist.
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Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, ist es mit einem einfachen und kostengünstigen Stromübertrager möglich, in einer PFC-Schaltung die notwendigen Strommessungen vorzunehmen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die PFC-Schaltung eine Gleichrichterbrücke oder eine brückenlose Gleichrichteranordnung aufweist. Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch andere Schaltungsanordnungen der erfindungsgemäßen Stromübertrager denkbar. Die Erfindung ist daher in keiner Weise auf die beiden gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- PFC-Schaltung
- 2
- Wechselspannungseingang
- 3
- Wechselspannungsquelle
- 4a, 4b
- Wandlerzweige
- 5
- erste Primärwicklung
- 6
- zweite Primärwicklung
- 7
- gemeinsamer Primärwicklungsanschluss
- 8
- Kern Stromübertrager
- 9
- Sekundärwicklung
- 10
- Masse
- 11
- Kern Spule
- 12
- Brückengleichrichter
- 13
- Aufwärtswandler
- D, D1, D2
- Diode
- L
- Spule
- Q, Q1, Q2
- MOSFET-Schalter
- T, T1, T2
- Stromübertrager
- C0
- Ausgangskondensator
- R0
- Last
- Rs
- Messwiderstand
- Vin
- Eingangswechselspannung
