-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Leistungsfaktorkorrektur und insbesondere auf eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung und eine Leistungsversorgungsvorrichtung mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Es sind allgemein Vorrichtungen zur Gleichspannungserzeugung bekannt, die bspw. aus einer zugeführten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugen. Die Wechselspannung wird dabei bspw. aus einem Erzeugernetz in ein Schaltnetzteil gespeist und die Vorrichtung zur Gleichspannungserzeugung wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um.
-
Ferner ist es bekannt, ein Schaltnetzteil mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter (engl. Power Factor Correction (PFC)) zu versehen. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter dient dazu, störende Oberschwingungen zu reduzieren. Ziel ist es, dass durch das Schaltnetzteil mit Strom versorgte Verbraucher den Strom möglichst oberschwingungsarm und mit hohem Wirkleistungsanteil, d.h. kleinen Grundschwingungsphasenwinkel, aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz entnehmen. Der erlaubte Oberschwingungsanteil ist bspw. in der europäischen Norm EN 61000-3-2 festgelegt. Dadurch sollen im öffentlichen Energieversorgungsnetz unerwünschte Blindleistungen verringert werden, da diese nicht zur Wirkleistung beitragen.
-
Ferner ist es bekannt, eine Potentialtrennung zwischen Vorrichtungen zur Gleichspannungserzeugung und öffentlichen Energieversorgungsnetz vorzusehen. Dies ist einerseits teilweise in Normen, z.B. EN 50178 oder EN 60950 festgelegt und andererseits können an der Gleichspannungsseite Schutzkleinspannungen auftreten, die vom Energieversorgungsnetz potentialgetrennt sein sollen.
-
Es sind passive und aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter bekannt. Passive Leistungsfaktorkorrekturfilter haben bspw. eine hohe Induktivität, erreichen allerdings oftmals nur eine unzureichende Leistungsfaktorkorrektur. Das aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter versucht den aufgenommenen Strom derart zu steuern, dass der dem zeitlichen Verlauf der sinusförmigen Netzspannung folgt. Aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter erreichen im Gegensatz zu passiven Leistungsfaktorkorrekturfiltern eine höhere Leistungsfaktorkorrektur. Aus
M. Patt, "PFC with integrated electrical interrupting device", 11th International Conference on Power Electronic and Motion Control, Riga 2004, und aus
B. Lu et al., "Bridgeless PFC Implementation Using One Cycle Control Technique", APEC, 2005, sind aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter bekannt.
-
Außerdem ist es bekannt, das Leistungsfaktorkorrekturfilter mit einem LLC-Konverter auf der Primärseite des Transformators in einer Spannungsversorgung zu koppeln. Ein Überblick über LLC-Konverter findet sich in der Dissertationsschrift von B. Yang, „Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System", Blacksburg, Virginia, 2003.
-
Diese bekannten Leistungsfaktorkorrekturfilter sind relativ aufwändig, da sie viele Schaltelemente benötigen. Außerdem weisen sie eine hohe Verlustleistung auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte Leistungsfaktorkorrekturschaltung und eine Leistungsversorgungsvorrichtung mit Leistungsfaktorkorrekturschaltung bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst.
-
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung für eine Spannungsversorgungsvorrichtung bereit, wobei die Leistungsfaktorkorrekturschaltung umfasst: einen Wechselstromeingang mit einem Phasenleiter und einem Nullleiter, einen Zwischenschaltkreis mit einem Zwischenkreiskondensator, der mit einer Zwischenschaltkreisleitung gekoppelt ist, zwei Schaltelemente, und zwei Dioden, wobei jeweils ein Schaltelement und jeweils eine Diode derart parallel zueinander gekoppelt sind, dass sie eine erste Schaltgruppe und eine zweite Schaltgruppe bilden, wobei die erste und die zweite Schaltgruppe in Reihe über eine Schaltgruppenverbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei der Nullleiter des Wechselstromeingangs mit einem Knotenpunkt der Zwischenschaltkreisleitung verbunden ist und der Phasenleiter mit einem Knotenpunkt der Schaltgruppenverbindungsleitung verbunden ist.
-
Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Leistungsversorgungsvorrichtung bereit, die eingerichtet ist, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln. Die Leistungsversorgungsvorrichtung umfasst: eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, insbesondere nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine LLC-Konverterschaltung, die mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung gekoppelt ist, und eine Transformatorschaltung mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei die Primärseite mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt werden kann, wobei die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und die LLC-Konverterschaltung auf der Primärseite der Transformatorschaltung angeordnet sind und auf der Sekundärseite der Transformatorschaltung eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung angeordnet ist und wobei die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und die LLC-Konverterschaltung mit vier Halbleiterschaltelementen gebildet sind
-
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschreiben, in der:
-
1 ein Schaltungsschema einer Leistungsversorgung veranschaulicht, bei der eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung und eine LLC-Konverterschaltung aus dem Stand der Technik bekannt sind;
-
2 ein Schaltungsschema eines Ausführungsbeispieles einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
3 ein Schaltungsschema einer an die Leistungsfaktorkorrekturschaltung von 2 gekoppelten LLC-Konverterschaltung und über einen Transformator gekoppelten Brückengleichrichterschaltung veranschaulicht; und
-
4 ein Schaltungsschema eines Ausführungsbeispieles einer Leistungsversorgung mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung von 2 und der LLC-Konverterschaltung nach 3 zeigt.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
In 2 ist ein Schaltungsschema eines Ausführungsbeispieles einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Vor einer detaillierten Beschreibung folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile.
-
Wie eingangs bereits erwähnt, sind allgemein Vorrichtungen zur Gleichspannungserzeugung bekannt, die bspw. aus einer zugeführten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugen. Die Wechselspannung wird dabei bspw. aus einem Erzeugernetz in ein Schaltnetzteil gespeist und die Vorrichtung zur Gleichspannungserzeugung wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um.
-
Typischerweise werden ein Schaltnetzteil, d.h. eine Leistungsversorgung wie eine Spannungsversorgung, mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter (engl. Power Factor Correction (im Folgenden auch „PFC“ genannt)) versehen, um störende Oberschwingungen zu reduzieren. Wie erwähnt ist es das Ziel, dass durch das Schaltnetzteil mit Strom versorgte Verbraucher den Strom möglichst oberschwingungsarm und mit hohem Wirkleistungsanteil, d.h. kleinen Grundschwingungsphasenwinkel, aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz entnehmen. Der erlaubte Oberschwingungsanteil ist bspw. in der europäischen Norm EN 61000-3-2 festgelegt. Dadurch sollen im öffentlichen Energieversorgungsnetz unerwünschte Blindleistungen verringert werden, da diese nicht zur Wirkleistung beitragen.
-
Eine Potentialtrennung zwischen Vorrichtungen zur Gleichspannungserzeugung und öffentlichen Energieversorgungsnetz wird, wie bereits erwähnt, in Spannungsvorrichtungen vorgesehen, da dies einerseits teilweise in Normen , z.B. EN 50178 oder EN 60950 festgelegt ist und andererseits an der Gleichspannungsseite Schutzkleinspannungen auftreten können, die vom Energieversorgungsnetz potentialgetrennt sein sollen. Diese Trennung geschieht typischerweise durch einen Transformator in der Spannungsversorgung.
-
Es sind passive und aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter bekannt. Passive Leistungsfaktorkorrekturfilter haben bspw. eine hohe Induktivität, erreichen allerdings oftmals nur eine unzureichende Leistungsfaktorkorrektur. Das aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter versucht den aufgenommenen Strom derart zu steuern, dass der dem zeitlichen Verlauf der sinusförmigen Netzspannung folgt. Aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter erreichen im Gegensatz zu passiven Leistungsfaktorkorrekturfiltern eine höhere Leistungsfaktorkorrektur. Aus
M. Patt, "PFC with integrated electrical interrupting device", 11th International Conference on Power Electronic and Motion Control, Riga 2004, und aus
B. Lu et al., "Bridgeless PFC Implementation Using One Cycle Control Technique", APEC, 2005, sind aktive brückenlose Leistungsfaktorkorrekturfilter bekannt.
-
Einphasige PFC-Stufen bestehen aus einem Brückengleichrichter und nachgeschaltetem Hochsetzsteller. Weil in den herkömmlichen PFC-Stufen zu jeder Zeit immer drei verlustbehaftete Halbleiterbauelemente am Stromtransport beteiligt sind, hat sich in den letzten Jahren die bridgeless-PFC durchgesetzt, wie sie bspw. oben erwähnt wurde. Dort sind immer nur zwei Halbleiterbauelemente am Stromfluss beteiligt, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird und die spezifische Leistung (kW/cm3) steigen kann.
-
Außerdem ist es bekannt, das Leistungsfaktorkorrekturfilter mit einem LLC-Konverter auf der Primärseite des Transformators in einer Spannungsversorgung zu koppeln. Der LLC-Konverter ermöglicht ein spannungsloses Schalten (engl. Zero Voltage Switching, ZVS) beim Spannungsnulldurchgang. Derr LLC-Konverter hat typischerweise eine resonante LLC-Topologie, d.h. einen Reihenschwingkreis im Leistungspfad auf der Primärseite des Transformators. Durch den Reihenschwingkreis bildet sich ein nahezu sinusförmiger Strom im Transformator aus, der auch auf der Sekundärseite zu entsprechenden Stromverläufen führt. Einen Überblick über den LLC-Konverter findet sich in der Dissertationsschrift von B. Yang, „Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System", Blacksburg, Virginia, 2003.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsversorgungsvorrichtung 1 mit einer bekannten, brückenlosen Leistungsfaktorkorrekturschaltung 2 (im Folgenden auch „PFC“ genannt“) und einem Vollbrücken-LLC-Konverter 4 ist in 1 veranschaulicht.
-
Der brückenlosen PFC 2 von 1 ist der Vollbrücken-LLC-Konverter 4 nachgeschaltet. Der Vollbrücken-LLC-Konverter 4, der bspw. auch in der o.g. Dissertationsschrift von B. Yang gezeigt ist und die PFC 2 befinden sich auf der Primärseite eines Transformators TR1, wobei der LLC-Konverter 4 zwischen der PFC 2 und dem Transformator TR1 angeordnet ist.
-
Bei der Schaltung in der Spannungsversorgungsvorrichtung 1 nach 1 werden für die PFC-Funktion vier Schaltelemente S1-S4 mit den dazugehörigen Rückarbeitsdioden D1-D4 verwendet. Bei einer nicht-blindlastfähigen oder unidirektionalen PFC kann der Halbbrückenzweig, der aus den Schaltelementen S3-D3 und S4-D4 gebildet ist, auch nur aus Dioden bestehen. Diese Dioden können aber auch bei unidirektionalen PFC mit aktiven Schaltelementen mit besseren Leiteigenschaften überbrückt werden. Diese sind dann mit der Grundfrequenz einer angeschlossenen Wechselspannungsquelle E1 getaktet.
-
Die Halbbrücke, die aus den Schaltelementen S1, S2, D1 und D2 gebildet ist, wird bspw. dann mit hoher Frequenz so angesteuert, dass eine sinusförmige Stromaufnahme mit hohem Wirkleistungsanteil aus der Netzspannungsquelle gewährleistet ist. Bei bidirektionalen PFC können auch alle Schaltelemente mit hoher Frequenz angesteuert werden. Diese Ansteuerung kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedlich sein.
-
Bei der Schaltung nach 1 wird die Induktivität L2 als Energiespeicher verwendet. In der Boost-Phase wird in die Induktivität Energie eingeprägt, die dann über zwei Dioden an einen Zwischenkreiskondensator C1, C2, der in einem Zwischenschaltkreis 3 zwischen der PFC 2 und dem LLC-Konverter 4 angeordnet ist, abgegeben wird. Der Zwischenkreiskondensator kann manchmal auch aus nur einem Kondensator bestehen. Er kann grundsätzlich als Speicher dienen, um die Augenblicksleistungspendelung mit doppelter Netzfrequenz zu glätten.
-
Hier ist die Spannung im DC-Zwischenschaltkreis 3 größer als der Scheitelwert der sinusförmigen Netzspannung. Zu jedem Zeitpunkt führen immer zwei Schaltelemente den Strom. Die PFC 2 regelt die Spannung am Zwischenkreiskondensator.
-
Nach dem Zwischenschaltkreis 3 ist der LLC-Konverter angeschlossen. Dessen Schaltelemente S5-S8 und D5-D8 werden bei manchen Ausführungsbeispielen mit einem Tastverhältnis von 50% diagonal angesteuert. Es bilden jeweils die Schaltelemente S5-D5 und S8-D8 ein Paar. Das andere Schalterpaar besteht aus S6-D6 und S7-D7. Die Wirkleistungsabgabe des LLC-Konverters 4 wird über die Frequenzabhängigkeit der passiven Bauelemente Trafohauptinduktivität des Transformators TR1, einer Induktivität L1 und eines Kondensator C1, die im LLC-Konverter 4 angeordnet sind und dem LLC-Konverter 4 seinen Namen „LLC“ geben, gesteuert. Der Gleichrichter 5 aus den Element D9-D12 richtet die Sekundärspannung des Transformators TR1 gleich und stellt sie einem Verbraucher R1 zur Verfügung.
-
Dieses Ausführungsbeispiel einer Spannungsversorgung mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter ist relativ aufwändig, da viele Schaltelemente benötigt werden. Dementsprechend ist der Stromverbrauch relativ hoch.
-
Der Erfinder hat nun erkannt, dass es durch eine geschickte Schaltungsanordnung möglich ist, Schaltelemente in der Leistungsfaktorkorrekturschaltung einzusparen.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen verbindet man einen Nullleiter einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit dem Mittelpunkt eines geteilten Zwischenschalkreiskondensators. Dann ist es möglich mit nur zwei Halbleiterbauelementen eine aktive PFC zu realisieren.
-
Dementsprechend umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung für eine Leistungsversorgungsvorrichtung, die bspw. eine Spannungsversorgung sein kann, einen Wechselstromeingang mit einem Phasenleiter und einem Nullleiter, einen Zwischenschaltkreis mit einem Zwischenkreiskondensator, der mit einer Zwischenschaltkreisleitung gekoppelt ist, zwei Schaltelemente, und zwei Dioden.
-
Der Zwischenschaltkreis bzw. Zwischenkreis dient bei manchen Ausführungsbeispielen als Energiespeicher. Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Zwischenschaltkreis (Zwischenkreis) wenigstens einen Kondensator auf, um eine Augenblicksleistungspendelung mit doppelter Netzfrequenz zu glätten.
-
Die zwei Schaltelemente und die zwei Dioden sind jeweils parallel gekoppelt und bilden dadurch eine erste und eine zweite Schaltgruppe.
-
Die erste und die zweite Schaltgruppe sind jeweils durch ein Schaltelement und eine Diode gebildet, die parallel zueinander gekoppelt sind.
-
Die erste und die zweite Schaltgruppe sind in Reihe über eine Schaltgruppenverbindungsleitung miteinander verbunden, wobei der Nullleiter des Wechselstromeingangs mit einem Knotenpunkt der Zwischenschaltkreisleitung verbunden ist und der Phasenleiter mit einem Knotenpunkt der Schaltgruppenverbindungsleitung verbunden ist. Wie erwähnt, kann der Knotenpunkt an dem der Nullleiter des Wechselstromeingangs mit dem Knotenpunkt der Zwischenschaltkreisleitung verbunden ist, auch genau der Mittelpunkt der Zwischenschaltkreisleitung sein.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen können die Schaltelemente aus Halbleiterbauelementen gebildet sein, wie bspw. MOSFET, IGBT, SICJFET oder dergleichen.
-
Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann so ausgestaltet sein, dass bei einer ersten Polarität einer am Wechselstromeingang eingespeisten Wechselspannung der Strom durch das Schaltelement der ersten Schaltgruppe und die Diode der zweiten Schaltgruppe fließt und bei einer zweiten Polarität der Wechselspannung der Strom durch das Schaltelement der zweiten Schaltgruppe und die Diode der ersten Schaltgruppe fließt.
-
Dementsprechend fließt der Strom bei einer gegebenen Polarität immer nur durch ein Schaltelement. Wohingegen, wie oben ausgeführt, bspw. bei einer Schaltung wie in 1 gezeigt und oben erläutert, der Strom bei einer gegebenen Polarität immer durch mindestens zwei Schaltelemente fließt. Dementsprechend ist der Stromverbrauch bei der erfindungsgemäßen Anordnung geringer als bei der in 1 gezeigten.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Zwischenschaltkreis zwei in Reihe über die Zwischenschaltkreisleitung gekoppelte Kondensatoren auf und der Knotenpunkt der Zwischenschaltkreisleitung ist zwischen den beiden Kondensatoren angeordnet. Die Kondensatoren sind dabei parallel zur ersten und zweiten Schaltgruppe gekoppelt. Außerdem ist bei manchen Ausführungsbeispielen der Knotenpunkt genau in der Mitte zwischen den beiden Kondensatoren angeordnet.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Spannung im Zwischenschaltkreis größer als der doppelte Scheitelwert einer sinusförmigen Wechselspannung, die am Wechselstromeingang eingespeist wird.
-
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Leistungsversorgungsvorrichtung, die eingerichtet ist, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln. Die Leistungsversorgungsvorrichtung weist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf, wie sie insbesondere oben beschrieben wurde.
-
Außerdem weist sie eine LLC-Konverterschaltung auf, die mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung gekoppelt ist und sie weist eine Transformatorschaltung bzw. einen Transformator auf. Die Primärseite des Transformators bzw. der Transformatorschaltung kann mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt werden.
-
Sowohl die Leistungsfaktorkorrekturschaltung als auch die LLC-Konverterschaltung sind auf der Primärseite der Transformatorschaltung angeordnet. Auf der Sekundärseite der Transformatorschaltung ist eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung angeordnet. Gleichrichterschaltungen sind dem Fachmann bekannt und sie können bspw. als Vollbrücken- oder als Halbbrückengleichrichterschaltung ausgebildet sein.
-
Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und die LLC-Konverterschaltung sind mit vier Halbleiterschaltelementen gebildet. Dies ist gerade die Hälfte der nach 1 benötigten Schaltelemente, da in der Schaltung nach 1 acht Schaltelemente benötigt werden.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen der Leistungsversorgungsvorrichtung ist die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und/oder die LLC-Konverterschaltung durch eine Halbbrückenschaltung gebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch Vollbrückenschaltungen oder andere Schaltungen, die dem Fachmann bekannt sind und bspw. im o.g. diskutierten Stand der Technik erläutert sind, zum Einsatz kommen.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Leistungsversorgungsvorrichtung blindlastfähig ausgestaltet. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Verbesserung der Netzqualität erreicht werden. Dabei ist der Netzstrom sinusförmig und die Leistungsversorgungsvorrichtung ist so ausgestaltet, dass der Grundschwingungsphasenwinkel ungleich Null ist.
-
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist die Leistungsversorgungsvorrichtung weiter einen Zwischenschaltkreis bzw. Zwischenkreis auf, wobei die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und die LLC-Konverterschaltung gemeinsam auf dem Zwischenschaltkreis arbeiten. Wie oben ausgeführt, kann der Zwischenschaltkreis bzw. Zwischenkreis wenigstens eine Kapazität, wie bspw. einen Kondensator aufweisen, der als Speicher dient, um Augenblicksleistungspendelung mit doppelter Netzfrequenz zu glätten. Der Zwischenschaltkreis kann zwischen der Leistungsfaktorkorrekturschaltung und der LLC-Konverterschaltung angeordnet sein.
-
Ferner kann bei manchen Ausführungsbeispielen der Leistungsversorgungsvorrichtung die Spannung im Zwischenschaltkreis größer als der doppelte Scheitelwert einer sinusförmigen Wechselspannung sein, die an einem Wechselstromeingang der Leistungsversorgungsvorrichtung eingespeist wird.
-
Wie oben ausgeführt und anhand des genannten Standes der Technik erläutert, sind LLC-Konverterschaltungen grundsätzlich dem Fachmann bekannt. Gleiches gilt generelle für Leistungsversorgungseinrichtungen und Gleichrichterschaltungen. Dementsprechend werden solche bekannte Schaltungen in der vorliegenden Beschreibung nicht näher erläutert, da sie im Fachwissen des Fachmanns liegen.
-
Im Übrigen gelten in der nachfolgenden Beschreibung auch die Erläuterungen zu der Schaltung nach 1, wie sie oben beschrieben wurde.
-
Zurückkommend zu 2 veranschaulicht diese ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung 10 (im Folgenden auch PFC 10 genannt). Ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgung 24 mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 10 ist in 4 veranschaulicht. Die 3 zeigt schließlich einen Ausschnitt der Leistungsversorgung 24, um einen LLC-Konverter 22 der Leistungsversorgung 24 zu veranschaulichen.
-
Die PFC 10 hat einen Eingang E1 an der eine Wechselspannungsquelle 1 anschließbar ist. Außerdem weist sie zwei Schaltgruppen, eine erste 13 und eine zweite 14 auf, die in Reihe miteinander über eine Schaltgruppenleitung 16 verbunden sind.
-
Vom Eingang E1 läuft ein Phasenleiter 11, in der eine Spule L1 als Energiespeicher angeordnet ist (siehe auch Erläuterung zur 1 oben), zur Schaltgruppenleitung 16 und ist dort an einem Knotenpunkt 15 gekoppelt.
-
Außerdem ist die PFC 10 mit einer Zwischenkreisschaltung 17 gekoppelt, die bei manchen Ausführungsbeispielen auch Bestandteil der PFC 10 ist. Vom Eingang E1 der PFC 10 erstreckt sich ein Nullleiter 12, der mit einem Knotenpunkt 18 einer Zwischenschaltkreisleitung 19 des Zwischenschaltkreises 17 gekoppelt ist.
-
Der Zwischenschaltkreis 17 weist zwei Kondensatoren C1 und C2 auf, die über die Zwischenschaltkreisleitung 19 in Reihe verbunden sind, sodass der Zwischen(schalt)kreis 17 als Speicher, wie oben ausgeführt, dienen kann. Außerdem befindet sich der Knotenpunkt 18, an dem der Nullleiter 12 angekoppelt ist, mittig zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2.
-
Die beiden Schaltgruppen 13 und 14 sind parallel zur Zwischenschaltkreisleitung 19 mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 geschaltet und befinden sich zwischen dem Eingang E1 und der Zwischenschaltkreisleitung 19.
-
Vom Eingang E1 aus gesehen, hinter dem Zwischenschaltkreis 17, ist ein Verbraucher R1 parallel gekoppelt. In den 3 und 4 befinden sich an der Stelle des Verbrauchers R1 die weiteren Schaltungselemente der Leistungsversorgung 24, die weiter unten beschrieben werden.
-
Die erste, in 2–4 obere Schaltgruppe 13 ist über eine Leitung 25 mit dem Verbraucher R1 verbunden. Die Zwischenschaltkreisleitung 19 ist an einem in den 2–4 oberen Knotenpunkt 19a mit der Leitung 25 verbunden.
-
Die zweite, in 2–4 untere Schaltgruppe 14 ist über eine weitere Leitung 26 mit dem Verbraucher R1 verbunden. Die Zwischenschaltkreisleitung 19 ist an einem in den 2–4 unteren Knotenpunkt 19b mit der Leitung 26 verbunden.
-
Die obere Schaltgruppe 13 hat ein erstes Schaltelement S1 und eine erste Diode D1, die parallel zueinander gekoppelt sind. Auf ähnliche Art und Weist hat die untere Schaltgruppe 14 ein zweites Schaltelement S2 und eine zweite Diode D2, die ebenfalls parallel zueinander gekoppelt sind.
-
Sowohl die Schaltelemente S1 und S2 als auch die Dioden D1 und D2 sind Halbleiterbauelemente, die im einphasigen Bereich durch MOSFETs, IGBT SICJFETs oder ähnliche Bauelemente gebildet werden.
-
Je nach Polarität der am Eingang E1 eingespeisten Wechselspannung fließt der Strom durch das zweite Schaltelement S2 der unteren Schaltgruppe 14 und die erste Diode D1 der oberen Schaltgruppe 13 oder umgekehrt durch das erste Schaltelement S1 der oberen Schaltgruppe 13 und die zweite Diode D2 der unteren Schaltgruppe 14.
-
Dadurch ist zu jeder Zeit immer nur ein Schaltelement S1 bzw. S2 der ersten 13 bzw. zweiten Schaltgruppe 14 an dem Stromfluss beteiligt. Damit können bei geeigneter Halbleiterbauelementeauswahl die Durchlassverluste im Gegensatz bspw. zur Schaltung von 1 verringert werden, was im Vergleich zu 1 zu einem höheren Wirkungsgrad und zu einer höheren Leistungsdichte führt.
-
Die Schaltelemente S1 und S2 werden so angesteuert, dass oberschwingungsarmer Strom mit hoher Wirkleistung der Netzspannungsquelle, die an E1 angeschlossen ist, entnommen wird. Die Zwischenkreisspannung im Zwischenkreis 17 ist hier immer größer als der doppelte Scheitelwert der sinusförmigen Netzspannung, die am Eingang E1 eingespeist wird.
-
Für eine Leistungsversorgung 24 muss noch eine Potentialtrennung vorgesehen werden, die bspw. durch einen DC/DC Steller realisiert wird. Wie oben beschrieben sind verschiedene LLC-Brücken- und Halbbrückenschaltungen als DC/DC Steller bekannt.
-
In der Leistungsversorgung 24, die in den 3 und 4 beschrieben ist, ist eine LLC-Halbbrückenschaltung 22 verwendet, deren primärseitige Last wieder an dem Mittelknotenpunkt 18 zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 des Zwischenschaltkreises 17 über eine Leitung 27 angeschlossen ist. An dem Knotenpunkt 18 des Zwischenschaltkreises 17 sind der Nullleiter 12 und die Leitung 27 miteinander verbunden. Die Leitung 27 ist dann mit der Primärseite eines Transformators TR1 verbunden.
-
Der LLC-Konverter 22 hat eine erste LLC-Schaltgruppe 20 (oben in 3 und 4) und eine zweite LLC-Schaltgruppe 21 (unten in 3 und 4), die die Halbbrücke des LLC-Konverters bilden. Die beiden LLC-Schaltgruppen 20 und 21 sind über eine Verbindungsleitung 28 in Reihe verbunden. Die erste LLC-Schaltgruppe 20 hat ein Schaltelement S3 und eine Diode D3, die parallel zueinander gekoppelt sind. Die zweite LLC-Schaltgruppe 21 hat ein Schaltelement S4 und eine Diode D4, die ebenfalls parallel zueinander gekoppelt sind.
-
An einem Knotenpunkt 30 der Verbindungsleitung 28 zwischen den beiden LLC-Schaltgruppen 20 und 21 ist eine Leitung 29 gekoppelt, die mit dem Eingang der Primärseite des Transformators TR1 gekoppelt ist, die dem Anschlusspunkt der Leitung 27 an dem Transformator TR1 gegenüber liegt.
-
In der Leitung 29, die von dem Knotenpunkt 30 der Verbindungsleitung 28 zur Primärseite des Transformators TR1 geht, sind ein Resonanzkondensator C3 und eine Induktivität L1 angeordnet, die zusammen mit der Transformatorhauptinduktivität die LLC-Komponente des LLC-Konverters 22 bilden. Grundsätzlich sind die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1 und C2 wesentlich größer als der Kapazitätswert des Resonanzkondensators C3. Der Resonanzkondensator C3 ändert seinen Blindwiderstand abhängig von der Betriebsfrequenz der LLC-Stufe. Bei den Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 ist die Änderung des Blindwiderstandes vernachlässigbar.
-
Auf der Sekundärseite des Transformators TR1, der die Primärseite und die Sekundärseite galvanisch voneinander trennt, ist ein Vollbrückengleichrichter 23 angeordnet zu dem parallel ein Verbraucher R1 geschaltet ist.
-
Der Vollbrückengleichrichter 23 ist dem Fachmann bekannt. Er hat vier Dioden D9-D12. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Arten von Gleichrichtern zum Einsatz kommen, wie z.B. einen Halbbrückengleichrichter, wie es dem Fachmann bekannt ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- europäischen Norm EN 61000-3-2 [0003]
- EN 50178 [0004]
- EN 60950 [0004]
- M. Patt, “PFC with integrated electrical interrupting device”, 11th International Conference on Power Electronic and Motion Control, Riga 2004 [0005]
- B. Lu et al., “Bridgeless PFC Implementation Using One Cycle Control Technique”, APEC, 2005 [0005]
- B. Yang, „Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System“, Blacksburg, Virginia, 2003 [0006]
- europäischen Norm EN 61000-3-2 [0019]
- EN 50178 [0020]
- EN 60950 [0020]
- M. Patt, “PFC with integrated electrical interrupting device”, 11th International Conference on Power Electronic and Motion Control, Riga 2004 [0021]
- B. Lu et al., “Bridgeless PFC Implementation Using One Cycle Control Technique”, APEC, 2005 [0021]
- B. Yang, „Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System“, Blacksburg, Virginia, 2003 [0023]
