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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der
US 5 570 279 A bekannt ist.
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Insbesondere kann ein solcher Konverter zum Einsatz kommen, wenn ein mit einer Gleichspannung zu versorgender Verbraucher an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen werden soll, wozu eine Wechselspannung des Wechselspannungsnetz in die Gleichspannung umgewandelt werden muss.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schaltungsanordnungen für einen Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung bekannt.
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Üblicherweise werden zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung eines Wechselspannungsnetzes in eine Ausgangsgleichspannung Brückengleichrichter mit vier Gleichrichterdioden zum Gleichrichten der Eingangswechselspannung eingesetzt. Die gleichgerichtete Eingangswechselspannung wird anschließend mit einem Kondensator geglättet. Allerdings treten, wenn keine weiteren Maßnahmen getroffen werden, Stromspitzen auf, da nur in den Bereichen der Maxima bzw. Minima der Eingangswechselspannung ein Aufladen des Kondensators erfolgt und somit nur in diesen Bereichen ein Stromfluss erfolgen kann. Um solche Stromspitzen zu vermeiden, d. h. um eine minimale Netzbelastung zu erreichen, wird bekannterweise eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur (PFC für engl. ”power factor correction”) durchgeführt. Mit der PFC soll sichergestellt werden, dass der Strom dem Wechselspannungsnetz gemäß einem sinusförmigen Verlauf der Eingangswechselspannung entnommen wird.
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Eine passive PFC kann durch einen Filter wie eine Drossel und/oder einem RC-Glied erfolgen, die dem Brückengleichrichter vorgeschaltet sind und die als Tief- oder Bandpassfilter wirken. Konverter mit passiver PFC sind jedoch wegen der notwendigen Anpassung der Dimension der Filterbauteile an die fließenden Ströme kostenintensiv und werden daher nur für Geräte kleiner Leistung eingesetzt.
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Alternativ zu der passiven PFC wird bei Konvertern auch eine aktive PFC eingesetzt. Eine aktive PFC verwendet z. B. einen dem Brückengleichrichter nachgeschalteten Hochsetzsteller. Der Hochsetzsteller weist in üblicher Anordnung eine Reihenschaltung einer Drossel und einer Diode in einer Leitung auf, zwischen denen eine parallel zu dem ausgangsseitigen Kondensator verlaufende Querleitung mit einem hochfrequent schaltbaren Schalter abzweigt. Der Schaltzustand dieses Schalters wird derart gesteuert, dass der Strom dem Wechselspannungsnetz mit einem sinusförmigen Verlauf entnommen wird. Es sind auch andere Ausführungen zur aktiven PFC mittels eines Hochsetzstellers bekannt, bei denen der Hochsetzsteller in den Brückengleichrichter integriert ist.
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Aus der Druckschrift
US 2010/0 259 240 A1 ist ein Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung bekannt, der nur zwei Gleichrichterdioden zum Gleichrichten aufweist. Der Konverter weist zwei Eingangsanschlüsse, zwischen denen die Eingangswechselspannung anliegt, und zwei Ausgangsanschlüsse auf, zwischen denen die Ausgangsgleichspannung über einem Ausgangskondensator anliegt. Zwischen einem der Eingangsanschlüsse und einem der Ausgangsanschlüsse sind eine Speicherdrossel, eine Resonanzkapazität, eine Resonanzinduktivität und die erste Gleichrichterdiode in Reihe geschaltet. Die zweite Gleichrichterdiode mit entgegengerichteter Durchlassrichtung zweigt zwischen der Resonanzinduktivität und der ersten Gleichrichterdiode zu dem mit dem anderen Eingangsanschluss direkt verbundenen anderen Ausgangsanschluss ab. Außerdem weist der Konverter einen bipolaren Schalter auf, in dessen geschlossener Stellung die Eingangsanschlüsse über die Speicherdrossel direkt miteinander verbunden sind. Zum Steuern des bipolaren Schalters ist eine Steuerung vorgesehen, über die der bipolare Schalter hochfrequent zwischen seinen Schaltzuständen geschaltet werden kann. Insgesamt stellen der bipolare Schalter, die Speicherdrossel, die Resonanzkapazität und die Resonanzinduktivität einen AC/AC-Wandler des Konverters dar. Die zwischen den Eingangsanschlüssen anliegende Eingangswechselspannung wird über den AC/AC-Wandler (im Sinne einer aktiven PFC) zunächst so in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt, dass keine Stromspitzen auftreten, sondern der Strom mit einem sinusförmigen Verlauf bei der Frequenz der Eingangswechselspannung entnommen wird. Die Resonanzinduktivität des AC/AC-Wandlers wirkt gleichzeitig zusammen mit den beiden Gleichrichterdioden und dem Ausgangskondensator als AC/DC-Wandler. Nach dem Umwandeln der Eingangswechselspannung überträgt die Resonanzinduktivität die hochfrequente Wechselspannung auf den AC/DC-Wandler, mit dem die hochfrequente Wechselspannung schließlich in die über dem Ausgangskondensator anliegende Ausgangsgleichspannung umgewandelt wird.
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Aus der Veröffentlichung ”Single-Stage, AC-DC Converter Topologies of 98% Efficient Single Phase and Three-Phase Rectifiers” von Slobodan Cuk (CUK, Slobodan: Single-Stage, AC-DC Converter Topologies of 98% Efficient Single Phase and Three-Phase Rectifiers. In: International Exhibition and Conference for Power Electronics Intelligent Motion Power Quality, VDE Verlag GmbH Berlin Offenbach, 2011, S. 17–25. – ISBN 978-3-8007-3431-3) ist eine Ausführungsform des Konverters gemäß
US 2010/0 259 240 A1 bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Bei dieser Ausführungsform weisen der AC/AC-Wandler und der AC/DC-Wandler keine gemeinsame Spule auf, sondern sie sind über einen Transformator magnetisch gekoppelt, über den eine galvanische Trennung des AC/AC- und des AC/DC-Wandlers erfolgt. Eine Primärwicklung des Transformators ist mit der Resonanzkapazität in Reihe geschaltet, wobei der bipolare Schalter zu der Primärwicklung und dem Eingangskondensator parallel geschaltet ist. Über den Transformator wird die mit dem AC/AC-Wandler in die hochfrequente Wechselspannung umgewandelte Eingangswechselspannung auf eine Sekundärwicklung des Transformators und somit auf den AC/DC-Wandler übertragen. Die Sekundärwicklung ist dabei vor der Verzweigung zu den beiden Gleichrichterdioden mit einer weiteren Resonanzkapazität und der Resonanzinduktivität in Reihe geschaltet.
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Die
US 5 570 279 A offenbart einen Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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In
JP 2010-088 283 A ist ein Konverter offenbart, der eine bidirektionale Schalteranordnung mit einem ersten und einem dazu parallelen zweiten Leitungszweig aufweist. In dem ersten Leitungszweig sind zwei Halbleiterschaltern mit antiparallelen Dioden in Reihe geschaltet, wobei die antiparallelen Dioden einander entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen. Um Überspannungen an den Halbleiterschaltern zu vermeiden, ist in dem zweiten Leitungszweig für jeden Halbleiterschalter der bipolaren Schalteranordnung ein Pufferkondensator vorgesehen. Die Pufferkondensatoren sind dabei jeweils mit einer weiteren Diode in Reihe geschaltet, wobei die Durchlassrichtung der weiteren Diode der Durchlassrichtung der zugehörigen antiparallelen Diode entgegengerichtet ist. Zu jeder weiteren Diode ist ein Widerstand parallel geschaltet. Ein Mittelpunkt zwischen den Halbleiterschaltern ist mit einem Mittelpunkt zwischen den beiden Reihenschaltungen aus dem Pufferkondensator und der weiteren Diode verbunden.
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Aus der Veröffentlichung ”Bridgeless isolated PFC rectifier using bidirectional switch and dual output windings” von Shing et al. (SHIN, Jong-Won [et. al]: Bridgeless isolated PFC rectifier using bidirectional switch and dual output windings. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011, S. 2879–2884.) ist eine Snubberschaltung für einen AC-DC-Wandler bekannt. In einem ersten Leitungszweig der Snubberschaltung sind zwei Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden in Reihe geschaltet sind. Sie sind dabei so in Reihe geschaltet, dass die antiparallelen Dioden einander entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen. In einem zweiten Leitungszweig sind zwei weitere Dioden miteinander entgegengerichteten Durchlassrichtungen vorgesehen, wobei die beiden weiteren Dioden den benachbarten antiparallelen Dioden entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen. Ein Mittelpunkt zwischen den beiden Schaltern ist mittels eines Kondensators mit einem Mittelpunkt zwischen den beiden weiteren Dioden verbunden.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 001 138 A1 offenbart eine regenerative Snubberschaltung für eine Fixiererleistungssteuerschaltung. Die Snubberschaltung weist einen ersten Leitungszweig auf, in dem zwei Schalter mit antiparallelen Dioden in Reihe geschaltet sind. In einem zweiten Leitungszweig ist für jeden Schalter eine Reihenschaltung aus einem Kondensator, einem Widerstand und einer weiteren Diode vorgesehen. Zwischen einem Mittelpunkt zwischen den beiden Schaltern und einem Mittelpunkt zwischen den beiden Reihenschaltungen ist ein Energiespeicher in Form eines Speicherkondensators geschaltet. Wenn ein Strom in die Leitungszweige fließt und beide Schalter geöffnet sind, wird der Speicherkondensator aufgeladen. Die über dem Speicherkondensator abfallende Spannung wird an Mittelpunkten zwischen den beiden Schaltern und den beiden Reihenschaltungen abgegriffen und zur Spannungsversorgung von anderen Schaltungen verwendet.
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Die Druckschrift
JP 2010-239 766 A offenbart eine Schaltungsanordnung, bei welcher ein Schalter mit einer Hilfsdiode in Reihe geschaltet ist mit einer Primärspule eines Transformators.
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Der Reihenschaltung ist ein Pufferkondensator parallel geschaltet. Um den Pufferkondensator entladen zu können, wenn die über dem Kondensator anliegende Spannung eine Grenzspannung überschreitet, ist ein Entladungswiderstand für den Kondensator vorgesehen, der über einen Entladungsschalter parallel zu dem Kondensator geschaltet werden kann.
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Die Druckschrift
US 2011/0 280 048 A1 offenbart einen DC/DC-Konverter mit einem eingangsseitigen DC/AC-Wandler und einem ausgangsseitigen AC/DC-Wandler, die über einen Transformator magnetisch gekoppelt sind. Der ausgangsseitige AC/DC-Wandler ist hierbei als ein Brückengleichrichter ausgebildet. Parallel zu den Dioden des Brückengleichrichters ist ein Pufferkondensator mit einer weiteren Diode in Reihe geschaltet. Um den Pufferkondensator gesteuert entladen zu können, ist parallel zu der weiteren Diode ein Entladungsschalter geschaltet, wobei der Pufferkondensator bei geschlossenem Entladungsschalter über die Ausgangsseite entladen werden kann.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit galvanischer Trennung aufzuzeigen, der hinsichtlich einer Stabilität und/oder eines Schutzes seiner Bauteile verbessert ist. Insbesondere soll eine erhöhte Stabilität und/oder ein verbesserter Schutz gegenüber Schäden aufgrund von Überspannungen, die u. a. aus einer Spannungsrückkopplung resultieren können, erreicht werden.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem Konverter zum Umwandeln einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit einem eingangsseitigen AC/AC-Wandler und einem ausgangsseitigen AC/DC-Wandler, die über einen Transformator magnetisch gekoppelt sind, aufgrund eines (unvermeidbaren) Streufelds des Transformators zu Überspannungen an Bauteilen des AC/AC-Wandlers kommen kann. Insbesondere Halbleiterschalter des AC/AC-Wandlers, die Teil eines bipolaren Schalters oder einer bipolaren Schalteranordnung sind, sind gegenüber solchen Überspannungen empfindlich. Somit kann es Funktionsstörungen und durch sehr hohe und/oder lang anhaltende Überspannungen auch zu Schädigungen der Halbleiterschalter und damit des ganzen Konverters kommen. Um diese Schädigungen zu vermeiden, ist bei dem erfindungsgemäßen Konverter ein Kondensator zum Schutz der Halbleiterschalter der bipolaren Schalteranordnung vor Überspannungen vorgesehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Konverter weist der eingangsseitige AC/AC-Wandler einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss auf, zwischen denen die Eingangswechselspannung angelegt werden kann. Weiterhin weist der AC/AC-Wandler eine Eingangsdrossel, einen Eingangskondensator und eine Primärwicklung des Transformators auf, die zwischen den beiden Eingangsanschlüssen in Reihe geschaltet sind. Parallel zu dem Eingangskondensator und der Primärwicklung ist die bipolare Schalteranordnung des AC/AC-Wandlers geschaltet. So kann der erste Eingangsanschluss mit der bipolaren Schalteranordnung über die Eingangsdrossel taktweise mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden werden, um den aus einer an die Eingangsanschlüsse angeschlossenen Wechselspannungsquelle entnommenen Strom zu formen.
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Die bipolare Schalteranordnung weist zwei Anschlusspunkte auf, über die sie zum einen an eine Verbindung zwischen der Eingangsdrossel und dem Eingangskondensator und zum anderen an eine Verbindung zwischen der Primärwicklung und dem zweiten Eingangsanschluss angeschlossen ist.
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Zum Steuern der bipolaren Schalteranordnung weist der erfindungsgemäße Konverter eine Steuerung vor, die ein Steuersignal für die bipolare Schalteranordnung bereitstellt. Insbesondere kann es sich um eine Steuerung handeln, mit der die bipolare Schalteranordnung hochfrequent getaktet wird. Die Frequenzen, mit denen die bipolare Schalteranordnung geschaltet wird, können dabei so gewählt sein, dass sie im Bereich einer Resonanzfrequenz eines durch den Eingangskondensator und die Primärwicklung gebildeten Resonanzkreises liegen. Die Formung des aus der an die Eingangsanschlüsse angeschlossenen Wechselspannungsquelle entnommenen Stroms im Sinne einer PFC kann dabei durch eine Pulsweitenmodulation erfolgen.
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Zwischen den beiden Anschlusspunkten der bipolaren Schaltanordnung sind zwei Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden so in Reihe geschaltet sind, dass die antiparallelen Dioden einander entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen. Die bipolare Schalteranordnung weist zwei weitere in Reihe geschaltete Dioden mit einander entgegengerichteten Durchlassrichtungen auf, wobei die beiden weiteren Dioden den benachbarten antiparallelen Dioden entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen.
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Außerdem weist die bipolare Schalteranordnung den Kondensator auf, der zwischen einen Mittelpunkt zwischen den beiden Halbleiterschaltern mit den antiparallelen Dioden und einen Mittelpunkt zwischen den beiden weiteren Dioden geschaltet ist. Die bipolare Schalteranordnung ist derart ausgestaltet, dass der Kondensator auftretende Überspannungen beliebiger Polarität mit seiner Kapazität abpuffert, damit diese Überspannungen die Funktion der Halbleiterschalter und damit den Betrieb des Konverters nicht stören. Durch die gegenüber den antiparallelen Dioden entgegengerichteten Durchlassrichtungen der Dioden wird ein Kurzschluss der Halbleiterschalter verhindert.
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Durch die bipolare Schalteranordnung mit dem Kondensator kann insbesondere das Auftreten von Überspannungen an den Halbleiterschaltern vermieden werden, wie sie aus einer Spannungsrückkopplung in den eingangsseitigen AC/AC-Wandler aufgrund des Streufelds des Transformators resultieren können.
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Im Betrieb des erfindungsgemäßen Konverters wird der Kondensator der bipolaren Schalteranordnung aufgeladen; d. h. er speichert Energie aus dem Streufeld des Transformators.
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Die bipolare Schalteranordnung des erfindungsgemäßen Konverters weist ein Entladungselement zum Entladen des Kondensators auf. Über das Entladungselement kann somit verhindert werden, dass sich der Kondensator immer weiter auflädt. Dies kann erforderlich sein, um eine Zerstörung des Kondensators durch Überladung des Kondensators zu verhindern. Ein Entladen kann auch erforderlich sein, um zu verhindern, dass eine Pufferwirkung des Kondensators für auftretende Überspannung abnimmt. Als Entladungselement kann beispielsweise ein Entladungswiderstand, ein Varistor oder eine spannungsbegrenzende Diode eingesetzt werden.
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Wenn das Entladungselement entsprechend dimensioniert ist, kann ein permanentes Entladen des Kondensators über das parallel zu ihm geschaltete Entladungselement erfolgen, ohne dass dadurch der Betrieb und/oder das Formen des Stroms wesentlich gestört wird.
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Erfindungsgemäß ist jedem Entladungswiderstand ein Entladungsschalter zugeordnet, über den der zugehörige Entladungswiderstand parallel zu der zugehörigen weiteren Diode schaltbar ist. Die Entladungsschalter werden dabei durch ein weiteres Steuersignal gesteuert, das von der Steuerung oder einer weiteren Steuerung bereitgestellt werden kann. Durch das Parallelschalten des Entladungswiderstands wird eine leitende Verbindung des Kondensators mit einem der Eingangsanschlüsse geschaffen. Wenn der Halbleiterschalter, der zwischen dem gegenüber der weiteren Diode anderen Anschlusspunkt und dem Mittelpunkt geschaltet ist, geschlossen ist, ist auch eine (von der Durchlassrichtung der Diode des Halbleiterschalters und damit von der Stromflussrichtung unabhängige) leitende Verbindung des Kondensators mit dem anderen Eingangsanschluss geschaffen. Dann kann sich der Kondensator entgegen den Durchlassrichtungen der jeweiligen weiteren Diode bzw. antiparallelen Diode entladen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konverters ist ein weiterer Entladungswiderstand als Entladungselement eingesetzt, über den der Kondensator entladen werden kann. Bevorzugt erfolgt das Entladen über den Entladungswiderstand nicht dauerhaft, sondern nur zu bestimmten Zeitpunkten und/oder in bestimmten Intervallen. Dazu ist ein Entladungsschalter vorgesehen, der über ein weiteres Steuersignal gesteuert ist, wobei der weitere Entladungswiderstand mittels des Entladungsschalters parallel zu dem Kondensator schaltbar ist. Dadurch kann das Entladen über den weiteren Entladungswiderstand gezielt erfolgen, indem der Entladungsschalter geschlossen wird, bzw. wieder unterbrochen werden, indem der Entladungsschalter geöffnet wird. Das weitere Steuersignal für den Entladungsschalter kann zusammen mit dem Steuersignal für die bipolare Schalteranordnung von der Steuerung bereitgestellt werden. Es kann aber auch eine davon separate weitere Steuerung vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Entladungsschalter derart gesteuert, dass sie grundsätzlich offen sind und nur jeweils einer der Entladungsschalter im Bereich einer Nullstelle der Eingangswechselspannung geschlossen ist. Dadurch kann der Einfluss von etwaigen Stromspitzen, die mit dem ”schlagartigen” Entladen des Kondensators über einen Entladungswiderstand beim Schließen des zugehörigen Entladungsschalters auftreten können, minimiert werden. Aufgrund des im Bereich der Nullstelle kleinen Betrags der Eingangswechselspannung fällt dann nämlich die resultierende Leistung trotz einer möglichen Stromspitze relativ klein aus, sodass der Betrieb des Konverters nicht oder nur wenig gestört wird.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass während einer Halbwelle der Eingangswechselspannung jeweils ein Entladungsschalter permanent offen ist, während der andere im Bereich dieser Halbwelle taktet. Bei der anderen Halbwelle erfolgt dies umgekehrt, d. h. der eine Entladungsschalter taktet, während der andere permanent offen ist. Insbesondere können die Entladungsschalter hierbei hochfrequent getaktet sein, sodass der Kondensator quasikontinuierlich entladen wird.
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Bevorzugt sind die Entladungsschalter derart gesteuert, dass nur dann einer der Entladungsschalter des Konverters geschlossen ist, wenn auch einer der Halbleiterschalter geschlossen ist. Insbesondere können die Entladungsschalter derart gesteuert sein, dass der jeweilige Entladungsschalter nur dann geschlossen ist, wenn der Halbleiterschalter zwischen dem Mittelpunkt und dem anderen Anschlusspunkt geschlossen ist. Dadurch wird erreicht, dass sich der Kondensator unabhängig davon entladen kann, ob der mit dem Entladen einhergehende Stromfluss in oder gegen die Durchlassrichtung der antiparallelen Diode des entsprechenden Halbleiterschalters erfolgt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konverters ist ein DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung an den Kondensator angeschlossen, der die über dem Kondensator anliegende Spannung in eine zusätzliche Ausgangsgleichspannung umwandelt und zwischen Ausgangsanschlüsse des AC/DC-Wandlers anlegt. Wenn die in dem Kondensator gespeicherte Energie klein ist, kann auch der DC/DC-Wandler entsprechend klein dimensioniert sein. Dadurch kann der zusätzliche Aufwand klein gehalten werden. Indem der DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist, bleibt die galvanische Trennung der Eingangsanschlüsse und der Ausgangsanschlüsse insgesamt erhalten. Ein besonderer Vorteil der Ausführung des erfindungsgemäßen Konverters mit dem DC/DC-Wandler ist, dass nicht nur die Gefahr einer möglichen Störung des Betriebs des Konverters aufgrund von Energie aus dem Streufeld des Transformators minimiert wird. Vielmehr kann die Energie aus dem Streufeld des Transformators sogar effektiv genutzt werden. Während die in dem Kondensator gespeicherte Energie beispielsweise beim Entladen des Kondensators über Entladungswiderstände in Wärme umgewandelt wird und somit verlorengeht, wird die in dem Kondensator gespeicherte Energie über den DC/DC-Wandler als zusätzliche Ausgangsgleichspannung bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konverters sind die Primärwicklung und eine Sekundärwicklung des Transformators geteilt, wobei jeweils eine Teilwicklung der Primärwicklung zusammen mit einer Teilwicklung der Sekundärwicklung auf einen Schenkel eines magnetischen Kerns des Transformators gewickelt ist. Dadurch können eine besonders gute magnetische Kopplung und besonders gute Übertragungseigenschaften erreicht werden. Wenn ein weiterer Schenkel mit einem Luftspalt vorgesehen ist, stellen die Teilwicklungen der Sekundärwicklung eine gekoppelte Drossel dar. Die als gekoppelte Drossel wirkenden Teilwicklungen der Sekundärwicklung können auf der Sekundärseite des Transformators das Verhalten einer Stromverdoppler-Schaltung bewirken. Zusätzliche Drosseln zur Stromglättung auf der Sekundärseite des Transformators müssen nicht vorgesehen sein. Weiterhin kann die Eingangsdrossel auf den weiteren Schenkel mit dem Luftspalt gewickelt sein. Die magnetischen Funktionen des Konverters können so in einem Bauteil zusammengefasst sein.
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Der ausgangsseitige AC/DC-Wandler kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. In einer besonders einfachen Ausführung kann der AC/DC-Wandler als sogenannter Mittelpunktgleichrichter ausgebildet sein. Die Ausgangsgleichspannung liegt dann zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss des AC/DC-Wandlers an, wobei zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen mit je einer Teilwicklung der Sekundärwicklung des Transformators und einer Gleichrichterdiode geschaltet sind. Die Gleichrichterdioden weisen dabei gleiche Durchlassrichtungen auf.
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Der erfindungsgemäße Konverter kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die bipolare Schalteranordnung derart gesteuert ist, dass die Eingangsdrossel von einer an die Eingangsanschlüsse angeschlossenen Wechselspannungsquelle einen bei der Frequenz der Eingangswechselspannung sinusförmigen Wechselstrom bezieht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Konverters in schematischer Darstellung.
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2 zeigt eine bipolare Schalteranordnung eines Konverters mit einem Entladungswiderstand in schematischer Darstellung.
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3 zeigt eine bipolare Schalteranordnung eines erfindungsgemäßen Konverters mit zwei Entladungswiderständen in schematischer Darstellung.
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4 zeigt schematisch zeitliche Sequenzen von Steuersignalen für eine bipolare Schalteranordnung gemäß 3.
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5 zeigt schematische zeitliche Sequenzen von Steuersignalen für eine bipolare Schalteranordnung gemäß 3.
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6 zeigt eine weiter Ausführungsform eines Konverters in schematischer Darstellung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt einen Konverter 1 mit einem eingangsseitigen AC/AC-Wandler 2 und einem ausgangsseitigen AC/DC-Wandler 3. Der AC/AC-Wandler 2 und der AC/DC-Wandler sind über einen Transformator 4 magnetisch gekoppelt, aber galvanisch getrennt.
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Der AC/AC-Wandler 2 weist zwei Eingangsanschlüsse 5 und 6 auf, zwischen denen eine Eingangswechselspannung angelegt werden kann. Zwischen den Einganganschlüssen 5 und 6 sind eine Eingangsdrossel 7, ein Eingangskondensator 8 und eine Primärwicklung 9 des Transformators 4 in Reihe geschaltet. Parallel zu dem Eingangskondensator 8 und der Primärwicklung 9 ist eine bipolare Schalteranordnung 10 des Konverters 1 geschaltet. Die bipolare Schalteranordnung 10 weist zwei Anschlusspunkte 11 und 12 auf, über die sie zum einen an eine leitende Verbindung 13 zwischen der Eingangsdrossel 7 und dem Eingangskondensator 8 und zum anderen an eine leitende Verbindung 14 zwischen der Primärwicklung 9 und dem zweiten Eingangsanschluss 6 angeschlossen ist.
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Zwischen den beiden Anschlusspunkten 11 und 12 der bipolaren Schaltanordnung 10 sind zwei steuerbare Halbleiterschalter 15 und 16 mit antiparallelen Dioden 17 und 18 so in Reihe geschaltet sind, dass die antiparallelen Dioden 17 und 18 einander entgegengerichtete Durchlassrichtungen aufweisen. Die bipolare Schalteranordnung 10 weist weiterhin zwei in Reihe geschaltete weitere Dioden 19 und 20 mit einander entgegengerichteten Durchlassrichtungen auf. Die Durchlassrichtungen der beiden weiteren Dioden sind dabei den benachbarten antiparallelen Dioden 17 und 18 entgegengerichtet. D. h., die weitere Diode 19, die zwischen den Anschlusspunkt 11 und einen Mittelpunkt 21 zwischen den beiden weiteren Dioden 19 und 20 geschaltet ist, und die antiparallele Diode 17 des Halbleiterschalters 15, der zwischen denselben Anschlusspunkt 11 und einen Mittelpunkt 22 zwischen den beiden Halbleiterschaltern 15 und 16 geschaltet ist, weisen einander entgegengerichtete Durchlassrichtungen auf. Entsprechendes gilt für die weitere Diode 20 und die antiparallele Diode 18 des Halbleiterschalters 16. Außerdem weist die bipolare Schalteranordnung 10 einen Kondensator 23 auf, der zwischen die Mittelpunkte 21 und 22 geschaltet ist.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform des Konverters 1 ist der AC/DC-Wandler 3 als Mittelpunktgleichrichter 24 ausgebildet. Der AC/DC-Wandler 3 weist hier zwei Ausgangsanschlüsse 25 und 26 auf, über die eine Ausgangsgleichspannung abgegriffen werden kann, die dort durch das Umwandeln der Eingangswechselspannung mittels des Konverters 1 bereitgestellt wird. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 25 und 26 ist ein Glättungskondensator 52 geschaltet. Parallel zu dem Glättungskondensator 52 sind zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen 27 und 28 geschaltet. In jeder der Reihenschaltungen 27 und 28 sind jeweils eine Teilwicklung 29, 30 der Sekundärwicklung 31 des Transformators 4 und eine Gleichrichterdiode 32, 33 in Reihe geschaltet. Die Gleichrichterdioden 32 und 33 weisen dabei gleiche Durchlassrichtungen auf. Über die Gleichrichterdioden 32 und 33 erfolgt ein Gleichrichten einer über den Transformator 4 in der Sekundärwicklung 31 induzierten Wechselspannung.
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An die Eingangsanschlüsse 5 und 6 kann eine (hier nicht dargestellte) Wechselspannungsquelle angeschlossen werden, sodass die Eingangswechselspannung zwischen den Eingangsanschlüssen 5 und 6 anliegt. Um den der Wechselspannungsquelle entnommenen Strom zu formen, können die Halbleiterschalter 15, 16 jeweils über Steuersignale einer (hier nicht dargestellten) Steuerung zwischen ihren Schaltstellungen offen und geschlossen geschaltet werden, sodass über die bipolare Schalteranordnung 10 der erste Eingangsanschluss 5 über die Eingangsdrossel 7 taktweise mit dem zweiten Eingangsanschluss 6 verbunden ist. Über die Primärwicklung 9 werden dann die über den AC/AC-Wandler umgewandelten Eingangsgrößen aus Eingangswechselspannung und -strom über den Transformator 4 auf die Sekundärwicklung 31 und damit den AC/DC-Wandler 3 übertragen, mit dem das Gleichrichten in die Ausgangsgleichspannung erfolgt. Aufgrund einer Streuinduktivität des Transformators 4 erfolgt eine Spannungsrückkopplung in den AC/AC-Wandler 2. Die Energie aus dem Streufeld des Transformators 4 wird über die weiteren Dioden 19, 20 in dem Kondensator 23 gespeichert, d. h. die in dem Kondensator 23 gespeicherte Ladungsmenge nimmt zu. Bei entsprechender Dimensionierung der Kapazität des Kondensators 23 hat dies allerdings nur einen vergleichsweise geringen Anstieg der an dem Kondensator 23 anliegende Spannung zur Folge. Da die an den Halbleiterschaltern 15 und 16 anliegenden Spannungen auf die über dem Kondensator 23 anliegende Spannung begrenzt ist, wird also verhindert, dass es aufgrund der Spannungsrückkopplung zu einer Überspannung an den Halbleiterschaltern 15 und 16 kommt. Anders ausgedrückt wird eine aus der Spannungsrückkopplung resultierende Überspannung über den Kondensator 23 mit seiner Kapazität abgepuffert, sodass die Funktion der Halbleiterschalter 15, 16 und damit auch der Betrieb des Konverters 1 nicht gestört wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform der bipolaren Schalteranordnung 10, die in einem Konverter 1 gemäß 1 zum Einsatz kommen kann. Anders als in 1 weist die in 2 gezeigte Ausführung der bipolaren Schalteranordnung 10 zusätzlich einen Entladungswiderstand 34 auf, der über einen steuerbaren Entladungsschalter 35 parallel zu dem Kondensator 23 geschaltet werden kann. Für den Fall, dass der Entladungsschalter 35 offen ist, gelten die obigen Ausführungen entsprechend, d. h. durch eine Spannungsrückkopplung lädt sich der Kondensator 23 auf. Um zu verhindern, dass sich der Kondensator 23 immer weiter auflädt, kann der Entladungsschalter 35 geschlossen, d. h. der Entladungswiderstand 35 parallel zu dem Kondensator 23 geschaltet werden, sodass sich der Kondensator 23 über den Entladungswiderstand 34 entlädt. Insbesondere kann der Entladungsschalter 35 so getaktet werden, dass die an dem Kondensator 23 anliegende Spannung konstant bleibt. Indem der Entladungswiderstand 34 parallel zu dem Kondensator 23 geschaltet wird, fließt beim Entladen kein Strom zurück in die Wechselspannungsquelle. So kann ein Einfluss auf das Formen des der Wechselspannungsquelle entnommenen Stroms minimiert werden.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der bipolaren Schalteranordnung 10. Anders als in 1 weist die in 3 gezeigte Ausführung der bipolaren Schalteranordnung 10 zwei Entladungswiderstände 36 und 37 auf, die jeweils einer der weiteren Dioden 19, 20 zugeordnet sind. Jeder der Entladungswiderstände 36, 37 kann dabei über einen zugehörigen steuerbaren Entladungsschalter 38, 39 parallel zu der jeweiligen weiteren Diode 19, 20 geschaltet werden, sodass sich der Kondensator 23 über den entsprechenden Entladungswiderstand 36, 37 entladen kann. Anders als bei der in 2 gezeigten Ausführung ist ein Entladen des Kondensators 23 aber auch von Schaltstellungen der Halbleiterschalter 15, 16 abhängig, da der mit dem Entladen verbundene Stromfluss auch über die Halbleiterschalter 15, 16 erfolgt. Damit sich der Kondensator 23 entladen kann, muss je nach Polarität der Anschlusspunkte 11 und 12 der Halbleiterschalter 16 zusammen mit dem Entladungsschalter 38 oder der Halbleiterschalter 15 zusammen mit dem Entladungsschalter 39 geschlossen sein.
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In 4 und 5 sind mögliche Schaltsequenzen für die bipolare Schalteranordnung 10 gemäß 3 dargestellt. Aufgetragen als Funktion der Zeit 40 sind jeweils ein Steuersignal 41 für den Halbleiterschalter 15, ein Steuersignal 42 für den Entladungsschalter 16, ein weiteres Steuersignal 43 für den Entladungsschalter 38 und ein weiteres Steuersignal 44 für den Entladungsschalter 39. In Bezug auf die Steuersignale 41 und 42 für die Halbleiterschalter 15 und 16 sind die in 4 und 5 gezeigten Schaltsequenzen identisch: Je einer der Halbleiterschalter 15, 16 ist während einer Halbwelle der Eingangswechselspannung permanent offen, während der andere mit über die Zeit 40 modulierter Pulsweite taktet. Bei der anderen Halbwelle taktet dann der eine Halbleiterschalter 16, 15, während der andere permanent offen ist. Derartige Schaltsequenzen für die Steuersignale 41 und 42 finden u. a. Anwendung, wenn von der an die Eingangsanschlüsse 5 und 6 angeschlossenen Wechselspannungsquelle ein sinusförmiger Strom entnommen werden soll.
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Gemäß den in 4 gezeigten Schaltsequenzen für die Steuersignale 43 und 44, sind die Entladungsschalter 38 und 39 grundsätzlich offen. Sie sind jeweils nur einmal in einer vollen Periode der Eingangswechselspannung geschlossen, nämlich kurz vor dem Übergang von der einen Halbwelle der Wechselspannung zu der anderen, d. h. im Bereich ihrer Nullstelle. Der Entladungsschalter 39 ist im Übergangsbereich von der ersten Halbwelle zu der zweiten Halbwelle geschlossen. Gleichzeitig mit dem Entladungsschalter 39 ist auch der ”gegenüberliegende” Halbleiterschalter 15 geschlossen, sodass sich der Kondensator 23 während dieses Zeitintervalls über den Entladungswiderstand 37 entladen kann. Entsprechend ist der Entladungsschalter 38 im Übergangsbereich von der zweiten Halbwelle zu der ersten Halbwelle geschlossen, wobei gleichzeitig mit dem Entladungsschalter 38 auch der ihm gegenüberliegende Halbleiterschalter 16 geschlossen ist. Dadurch, dass sich der Kondensator 23 nur im Bereich der Nullstellen der Eingangswechselspannung entladen kann, erfolgt der hier mit dem Entladen einhergehende Stromfluss zurück in die Wechselspannungsquelle nur in Bereichen kleiner Spannungswerte. So kann die resultierende Verlustleistung trotz einer möglichen Stromspitze klein gehalten werden, sodass der Betrieb des Konverters 1 nicht oder nur wenig gestört wird.
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Bei den in 5 gezeigten Schaltsequenzen für die Steuersignale 43 und 44, wird je einer der Entladungsschalter 38, 39 im Bereich einer Halbwelle der Eingangswechselspannung (hochfrequent) getaktet, während der jeweils andere offen ist. Im Bereich der ersten Halbwelle wird gemäß 5 der Entladungsschalter 39 dann getaktet, wenn auch der gegenüberliegende Halbleiterschalter 15 getaktet wird, sodass diese zumindest zeitweise gleichzeitig geschlossen sind und sich der Kondensator 23 so quasikontinuierlich entladen kann. Entsprechendes gilt für den Entladungsschalter 38 und den Halbleiterschalter 16 im Bereich der zweiten Halbwelle.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Konverters 1. Anders als in 1 ist bei der in 6 dargestellten Ausführungsform des Konverters 1 die Primärwicklung 9 geteilt, wobei jeweils eine Teilwicklung 45, 46 der Primärwicklung 9 mit einer der Teilwicklungen 29, 30 der Sekundärwicklung 31 auf einen gemeinsamen Schenkel 47, 48 eines (schematisch dargestellten) magnetischen Kerns 49 des Transformators 4 gewickelt ist. Zusätzlich weist der magnetische Kern 49 einen weiteren Schenkel 50 auf, auf den die Eingangsdrossel 7 gewickelt ist, sodass die Eingangsdrossel 7, die Primärwicklung 9 und die Sekundärwicklung 31 über den magnetischen Kern 49 wie durch die gestrichelte Linie indiziert magnetisch gekoppelt sind.
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Außerdem ist bei der in 6 gezeigten Ausführungsform des Konverters 1 ein DC/DC-Wandler 51 mit galvanischer Trennung vorgesehen, der parallel zu dem Kondensator 23 an den Mittelpunkten 21 und 22 angeschlossen ist. Über den DC/DC-Wandler 51 kann eine über dem Kondensator 23 anliegende Spannung in eine zusätzliche Ausgangsgleichspannung umgewandelt werden. Diese liegt parallel zu der Ausgangsgleichspannung des AC/DC-Wandlers 3 zwischen den Ausgangsanschlüssen 25, 26 an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Konverter
- 2
- AC/AC-Wandler
- 3
- AC/DC-Wandler
- 4
- Transformator
- 5
- Eingangsanschluss
- 6
- Eingangsanschluss
- 7
- Eingangsdrossel
- 8
- Eingangskondensator
- 9
- Primärwicklung
- 10
- bipolare Schalteranordnung
- 11
- Anschlusspunkt
- 12
- Anschlusspunkt
- 13
- Verbindung
- 14
- Verbindung
- 15
- Halbleiterschalter
- 16
- Halbleiterschalter
- 17
- Diode
- 18
- Diode
- 19
- Diode
- 20
- Diode
- 21
- Mittelpunkt
- 22
- Mittelpunkt
- 23
- Kondensator
- 24
- Mittelpunktgleichrichter
- 25
- Ausgangsanschluss
- 26
- Ausgangsanschluss
- 27
- Reihenschaltung
- 28
- Reihenschaltung
- 29
- Teilwicklung
- 30
- Teilwicklung
- 31
- Sekundärwicklung
- 32
- Gleichrichterdiode
- 33
- Gleichrichterdiode
- 34
- Entladungswiderstand
- 35
- Entladungsschalter
- 36
- Entladungswiderstand
- 37
- Entladungswiderstand
- 38
- Entladungsschalter
- 39
- Entladungsschalter
- 40
- Zeit
- 41
- Steuersignal
- 42
- Steuersignal
- 43
- Steuersignal
- 44
- Steuersignal
- 45
- Teilwicklung
- 46
- Teilwicklung
- 47
- Schenkel
- 48
- Schenkel
- 49
- magnetischer Kern
- 50
- Schenkel
- 51
- DC/DC-Wandler
- 52
- Glättungskondensator
