DE102012201640A1 - Converter e.g. alternating current-to-direct current converter used in e.g. battery charger, has control circuit that controls shift operations in switching circuit, based on modulating signal from isolating signal transmitter - Google Patents

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Abstract

The converter has a modulator circuit (112) that modulates electric signal received from signal detector (102,108) based on a carrier signal, in order to obtain a modulating signal. An isolating signal transmitter (111) transfers the obtained modulating signal over an insulation barrier of transformer (106). A demodulator extracts the output signal from modulating signal. A reception unit receives the modulating signal of the transmitter. A control circuit (110) controls shift operations in a switching circuit (104), based on the transmitted modulating signal. The converter has a voltage input unit that receives electric signals from a power supply (101). A signal detector detects the electric signal. A switching circuit provides a variable voltage/variable current. A secondary-side rectifier and smoothing circuit (107) rectifies and smoothes an induced alternating current (AC)/alternating voltage in secondary winding of transformer. A voltage output unit provides the received voltage of the secondary-side rectifier and smoothing circuit. The signal detector and modulator circuit, and demodulator and the control circuit are arranged on different sides of the insulation barrier of transformer. An independent claim is included for method for operating converter.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Umformer wie zum Beispiel Leistungswandler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Konverter mit steuerbaren Schalterkreisen.The present invention relates to converters such as power converters. In particular, the present invention relates to converters with controllable switch circuits.

2. Stand der Technik2. State of the art

Schaltnetzteile (SNT), auch Schaltnetzgeräte genannt (englisch: SMTS – switched mode power supplies) werden verbreitet eingesetzt, um elektrische Leistung hocheffizient zu wandeln. Ein Schaltnetzgerät wird gewöhnlich verwendet, um effizient eine Eingangsspannung aus einem Netz in eine Ausgangsspannung eines anderen Pegels umzuwandeln. Ein besonderes Anwendungsgebiet von Schaltnetzteilen (getakteten Stromversorgungen) sind Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler). Üblicherweise ist hierfür auf der Primärseite eine Mehrzahl von Schaltern, vorzugsweise MOSFETs, vorgesehen, die als Inverter betrieben werden, um Gleichstrom/Gleichspannung in einen hochfrequenten Wechselstrom (Wechselspannung) zu konvertieren. DC/DC-Wandler können Auf-, Ab oder Auf/Ab-Wandlertypen sein, so dass die Primärseite sowohl die Niederspannungsseite als auch die Hochspannungsseite sein kann. Bei einer Anwendung als Batterieladegerät kann zum Beispiel eine Zwischenkreisspannung von 400 V auf 30–60 V Ausgangsspannung herab transformiert werden, womit eine Batterie geladen wird. Selbstverständlich sind diese Zahlen lediglich beispielhaft angegeben. Ein Transformator dient zur Erzielung einer Isolation zwischen Ausgang und Eingang und trägt zur Spannungsänderung gemäß dem Windungsverhältnis bei. Bei höheren Übertragungsleistungen ist aus Sicherheitsgründen eine galvanische Isolation notwendig (Isolationstransformator). Auf der Hochspannungsseite ist eine Mehrzahl von Schaltern angeordnet, die als ein Gleichrichter betrieben werden, um die hochfrequente Wechselspannung am sekundärseitigen Ausgang des Transformators in die gewünschte hohe Gleichspannung zu konvertieren. Im Allgemeinen ist es ausreichend, zur Implementierung des Gleichrichters Dioden zu verwenden. Für bestimmte Anwendungen, wie etwa im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist es aber vorzugsweise wünschenswert, aktive Schalter (Synchrongleichrichter) für die Gleichrichtung einzusetzen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Ausgangsstrom groß wird, das heißt wenn die resistiven Verluste an den Dioden zu groß werden. Außerdem ermöglicht der Einsatz aktiver Schalter, den Wandler bidirektional zu betreiben. Um die Gleichrichtereinrichtung als Inverter betreiben zu können und umgekehrt, werden vorzugsweise aktive Schalter wie etwa Transistoren (MOSFETs) sowohl hoch- als auch niederspannungsseitig verwendet, anstelle auf einer Seite nur Dioden einzusetzen. Dadurch wird es ermöglicht, den Wandler in einem Boost/Buck-Modus zu betreiben, wodurch Energie zum Beispiel in einer angeschlossenen Batterie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt zurück gewonnen werden kann.Switched mode power supplies (SNT), also called switching power supplies (SMTS - switched mode power supplies) are widely used to convert electrical power highly efficient. A switched mode power supply is commonly used to efficiently convert an input voltage from one network to an output voltage of another level. A particular application of switching power supplies (clocked power supplies) are DC-DC converters (DC / DC converters). Usually this is on the primary side a plurality of switches, preferably MOSFETs, provided which are operated as an inverter to convert DC / DC voltage into a high-frequency alternating current (AC voltage). DC / DC converters may be up, down or up / down converter types so that the primary side can be both the low voltage side and the high voltage side. When used as a battery charger, for example, a DC link voltage of 400 V can be transformed down to 30-60 V output voltage, whereby a battery is charged. Of course, these numbers are given by way of example only. A transformer serves to achieve isolation between output and input and contributes to the voltage change according to the turns ratio. For higher transmission powers, galvanic isolation is necessary for safety reasons (isolation transformer). On the high voltage side, a plurality of switches are arranged, which are operated as a rectifier to convert the high frequency AC voltage at the secondary side output of the transformer into the desired high DC voltage. In general, it is sufficient to use diodes to implement the rectifier. However, for certain applications, such as in the automotive field, it is preferably desirable to use active switches (synchronous rectifiers) for rectification. This is especially the case when the output current becomes large, that is when the resistive losses at the diodes become too large. In addition, the use of active switches makes it possible to operate the converter bidirectionally. In order to operate the rectifier device as an inverter and vice versa, it is preferable to use active switches such as transistors (MOSFETs) on both the high and low side rather than just using diodes on one side. This makes it possible to operate the converter in a boost / buck mode, which allows energy to be stored, for example, in a connected battery and recovered at a later time.

Auf der Basis eines vorstehend beschriebenen DC/DC-Konverters, können auch hocheffiziente AC/DC-Wandler hergestellt werden. Diese bestehen aus zwei Stufen. Die erste Stufe besteht aus einem AC/DC-Wandler, der zumindest bei höheren Leistungen/Strömen eine Blindleistungskompensationseinrichtung (auch Stromrichter mit Leistungsfaktorkorrektur, englisch: power factor correction (PFC) converter) hat. Hierdurch werden elektromagnetische Störungen (electromagnetic interference – EMI) unter die gesetzlich zulässigen Grenzwerte reduziert. Mit anderen Worten: es wird erreicht, dass der Eingangsstrom im Wesentlichen die gleiche Form hat wie die Eingangsspannung. Bei sehr geringen Leistungen ist eine Leistungsfaktorkorrektur nicht unbedingt erforderlich, und es würde ein einfacher AC/DC-Wandler als Eingangsstufe genügen. Die zweite Stufe besteht aus einem hocheffizienten DC/DC-Wandler mit galvanischer Isolation, wie oben beschrieben. Für eine effiziente Leistungswandlung ist es erforderlich, eine exakte Steuerung der verschiedenen primär- wie sekundärseitig vorhandenen Schalteinrichtungen vorzunehmen. Diese Steuerung wird basierend auf im System gemessenen Stellgrößen, wie z. B. Eingangs-/Ausgangsspannungen-/ströme vorgenommen. Beim zusätzlichen Einsatz eines PFC-Konverters erhöht sich insbesondere der primärseitige Steuerungsaufwand. Zum Beispiel kann ein PFC-Wandler mehrere parallele oder serielle schaltbare Aufwärts- oder Abwärtswandlerkanäle haben, um einen großen Leistungsbereich hocheffizient abzudecken, wie das zum Beispiel für Batterieladeeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik erforderlich sein kann. Eine solche Konfiguration wird als verschachtelter Leistungsfaktorkorrekturwandler (interleaved PFC converter) bezeichnet. Da sich die Blindleistungskompensationsstufe auf der Primärseite befindet, werden auf dieser Seite mehr Steuersignale benötigt. Sekundärseitig werden Steuersignale nur benötigt für das Ein-/Ausschalten der Schalteinrichtungen eines Synchrongleichrichters, der verwendet wird, um die Effizienz in Anwendungen mit hohen Strömen zu erhöhen beziehungsweise bidirektionalen Betrieb zu ermöglichen.Based on a DC / DC converter as described above, high-efficiency AC / DC converters can also be manufactured. These consist of two stages. The first stage consists of an AC / DC converter, which has at least at higher powers / currents a reactive power compensation device (also power converter with power factor correction, English: power factor correction (PFC) converter). As a result, electromagnetic interference (EMI) below the legally permitted limits are reduced. In other words, it is achieved that the input current has substantially the same shape as the input voltage. At very low power levels, power factor correction is not necessarily required, and a simple AC / DC converter would suffice as an input stage. The second stage consists of a highly efficient DC / DC converter with galvanic isolation, as described above. For an efficient power conversion, it is necessary to perform an exact control of the various primary and secondary side existing switching devices. This control is based on measured variables in the system, such. B. input / output voltages / currents made. The additional use of a PFC converter in particular increases the primary control effort. For example, a PFC converter may have multiple parallel or serial switchable buck or buck converter channels to cover a large power range in a highly efficient manner, such as may be required for battery chargers in automotive engineering. Such a configuration is referred to as an interleaved PFC converter. Since the reactive power compensation stage is located on the primary side, more control signals are required on this side. Secondarily, control signals are only needed for turning on / off the switching means of a synchronous rectifier used to increase efficiency in high current applications or to enable bidirectional operation.

Ursprünglich wurden Steuereinheiten in analoger Schaltungstechnik realisiert, wobei für die zu steuernden Komponenten ein spezieller Steuerschaltkreis vorgesehen wurde. Falls eine digitale Kommunikation, zum Beispiel mit einem Lastkreis, erforderlich war, so wurde hierfür ein zusätzlicher digitaler Kontroller ausgeführt. In den letzten Jahren wurde zunehmend digitale Steuerungstechnik eingesetzt. Deren Flexibilität aufgrund der Möglichkeiten der Programmierung ermöglicht es, den Hardwareaufwand für die Steuerung von Umformern erheblich zu verringern. Zudem kann die Steuersoftware bei Änderung der Randbedingungen (z. B. Laständerung) angepasst werden. Grundsätzlich reicht ein digitaler Signalprozessor für die Steuerung aller Komponenten aus; bei Verwendung eines Isolationstransformators entsteht jedoch zusätzlicher Aufwand, um Signale über die Isolationsbarriere zu kommunizieren.Originally, control units were realized in analog circuit technology, wherein a special control circuit was provided for the components to be controlled. If a digital communication, for example with a load circuit, was required, then this was an additional digital controller executed. Digital control technology has been increasingly used in recent years. Their flexibility due to the possibilities of programming makes it possible to considerably reduce the hardware expenditure for the control of converters. In addition, the control software can be adapted when the boundary conditions change (eg load change). Basically, a digital signal processor is sufficient for the control of all components; however, using an isolation transformer adds expense to communicating signals across the isolation barrier.

Im Stand der Technik sind verschiedene Konfigurationen bekannt, um die erforderlichen Steuervorgänge zu implementieren.Various configurations are known in the art to implement the required control operations.

So beschreibt die europäische Patentveröffentlichung EP 0 875 983 B1 einen AC/DC-Wandler, bestehend aus einem verschachtelten PFC-Wandler und einem isolierenden DC/DC-Wandler. Die Steuerung erfolgt primärseitig. Hierfür wird die Ausgangsspannung gemessen und direkt über einen Isolator (zum Beispiel Optokoppler oder Transformator) auf die Primärseite übertragen. Auf der Primärseite wird das gemessene Signal einem Kontroller zugeführt, der als Steuerungseinrichtung für die Schaltelemente auf der Primärseite fungiert. Der Kontroller umfasst einen Komparatorkreis mit einer Referenzspannung und einem spannungsgesteuertem Oszillator (VCO – voltage controlled oscillator). Bei einer derartigen Konfiguration, müssen Optokoppler oder spezielle Transformatoren mit hochgradiger Linearität verwendet werden, um die gemessene Ausgangsspannung zu übertragen, und dabei ein lineares Verhalten im Regelkreis zu erreichen. Dies ist ein Nachteil, weil derartige Komponenten teuer sind.This is how the European Patent Publication describes EP 0 875 983 B1 an AC / DC converter, consisting of a nested PFC converter and an insulating DC / DC converter. The control is done on the primary side. For this purpose, the output voltage is measured and transmitted directly to the primary side via an isolator (eg optocoupler or transformer). On the primary side, the measured signal is fed to a controller, which acts as a control device for the switching elements on the primary side. The controller includes a comparator circuit with a reference voltage and a voltage controlled oscillator (VCO). In such a configuration, high-linearity optocouplers or special transformers must be used to transmit the measured output voltage while achieving linear response in the loop. This is a disadvantage because such components are expensive.

In der Druckschrift US 7,821,757 B2 wird ein isolierender DC/DC-Wandler beschrieben, bei dem ein digitaler Kontroller für die Schalterkontrolle auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist. Dieser kann zusätzlich mit einem am Ausgang des Wandlers angeschlossenen Lastkreis kommunizieren. Diese Konfiguration hat den Nachteil, dass sie für zweistufige Wandler mit einer verschachtelten PFC-Stufe und einer DC/DC-Stufe in der Praxis nicht geeignet ist. Hierbei müssten viele Ein/Aus-Steuersignale über die Isolationsbarriere mit Optokopplern oder Transformatoren übertragen werden, was den Preis des Konverters insgesamt in nicht akzeptabler Weise erhöhen würde.In the publication US 7,821,757 B2 An insulating DC / DC converter is described in which a digital controller for the switch control is arranged on the secondary side of the transformer. This can additionally communicate with a load circuit connected to the output of the converter. This configuration has the disadvantage that it is not suitable for two-stage converters with a nested PFC stage and a DC / DC stage in practice. Many on / off control signals would have to be transmitted via the isolation barrier with optocouplers or transformers, which would increase the price of the converter in an unacceptable manner overall.

Schließlich ist aus der Druckschrift US 2011/022318 A1 ein Schaltnetzgerät mit einer Blindleistungskompensationseinrichtung (PFC-Konverter) und einem isolierenden DC/DC-Wandler bekannt, die sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite digitale Steuerkreise besitzt, die den Leistungsfaktorkorrekturwandler und den DC/DC-Wandler steuern.Finally, from the publication US 2011/022318 A1 a switching power supply with a reactive power compensation device (PFC converter) and an insulating DC / DC converter is known, which has on both the primary side and on the secondary side digital control circuits that control the power factor correction converter and the DC / DC converter.

Dabei steuert der primärseitige digitale Steuerkreis den Ein-/Aus-Betrieb wenigstens eines Steuerkreises des PFC-Aufwärtswandlers. Der sekundärseitige digitale Steuerkreis empfängt eine gemessene Ausgangsspannung und erzeugt ein Rückkopplungssignal zur Steuerung des sekundärseitigen Schalterkreises. Darüber hinaus ist eine Kommunikation des sekundärseitigen Steuerkreises mit dem Lastkreis vorgesehen. Weiterhin ist ein isolierter Signalübertrager vorhanden, um serielle Kommunikation zwischen der Primär- und der Sekundärseite zu ermöglichen.In this case, the primary-side digital control circuit controls the on / off operation of at least one control circuit of the PFC boost converter. The secondary side digital control circuit receives a measured output voltage and generates a feedback signal for controlling the secondary side switching circuit. In addition, a communication of the secondary-side control circuit is provided with the load circuit. Furthermore, an isolated signal transmitter is provided to allow serial communication between the primary and the secondary side.

Eine Veranschaulichung eines Konverters der letztgenannten Konfiguration ist in 1 dargestellt, die der US 2011/6222318 A1 entnommen ist. Das in der Zeichnung dargestellte Schaltnetzgerät umfasst eine Blindleistungskompensationseinrichtung (PFC-Konverter) 41, einen DC/DC-Wandler 51, einen primärseitigen digitalen Steuerkreis 15 und einen sekundärseitigen digitalen Steuerkreis 16. Eine herkömmliche Energiequelle CP ist an die Spannungseingänge P11 und P12 angeschlossen. An die Spannungsausgänge P21 und P22 ist eine Last 60 angeschlossen. Die Blindleistungskompensationseinrichtung umfasst eine Diodenbrücke B1, einen Induktor L1, ein Schaltelement Q0 und eine Diode D1, die einen Aufwärtswandlerkreis bilden. Ein Kondensator C1 dient der Glättung einer Ausgabe des Aufwärtswandlerkreises. Ein Kontroller steuert das Schaltelement Q0 so, dass der Spitzen- oder Mittelwert des Stroms durch die Induktivität L1 sinusförmig ist, um den Leistungsfaktor zu verbessern. Der DC/DC-Wandler 51 umfasst ein Schaltelement Q1, einen Transformator T1, Dioden D2 und D3, einen Induktor 12 und einen Kondensator C2. Das Schaltelement Q1 schaltet eine an die Primärwindung des Transformators T1 anzulegende Spannung. Die Dioden, der Induktor und der Kondensator bilden einen sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis. Weiterhin ist ein sekundärseitiger Ausgangsspannungsdetektor 12 vorgesehen, der an die Spannungsausgänge P21 und P22 angeschlossen ist. Der primärseitige digitale Steuerkreis 15 befindet sich auf der Primärseite des Transformators T1 und schließt einen Schaltkontroller ein, der die Ein/Aus-Vorgänge des Schalterkreises steuert. Der sekundärseitige digitale Steuerkreis 16 ist auf der Sekundärseite des Transformators T1 angeordnet, empfängt die von dem sekundärseitigen Ausgangsspannungsdetektor 12 erfasste Spannung und überträgt Informationen über eine Einschaltzeit des Schaltelements Q1 als Feedback-Signal an den primärseitigen digitalen Steuerkreis 15, so dass die empfangene Spannung als ein Standardwert beibehalten werden kann. Auf der Basis des Feedback-Signals bestimmt der primärseitige digitale Steuerkreis 15 die Einschaltzeit des Schaltelements Q1. Der primärseitige digitale Steuerkreis 15 und der sekundärseitige digitale Steuerkreis 16 kommunizieren miteinander seriell über einen isolierten Signalübertrager 14.An illustration of a converter of the latter configuration is shown in FIG 1 represented by the US 2011/6222318 A1 is taken. The switching power supply shown in the drawing comprises a reactive power compensation device (PFC converter) 41 , a DC / DC converter 51 , a primary-side digital control circuit 15 and a secondary-side digital control circuit 16 , A conventional power source CP is connected to the voltage inputs P11 and P12. To the voltage outputs P21 and P22 is a load 60 connected. The reactive power compensation device comprises a diode bridge B1, an inductor L1, a switching element Q0 and a diode D1, which form an up-converting circuit. A capacitor C1 serves to smooth an output of the boost converter circuit. A controller controls the switching element Q0 such that the peak or average value of the current through the inductance L1 is sinusoidal in order to improve the power factor. The DC / DC converter 51 For example, a switching element Q1, a transformer T1, diodes D2 and D3 comprises an inductor 12 and a capacitor C2. The switching element Q1 switches a voltage to be applied to the primary winding of the transformer T1. The diodes, the inductor and the capacitor form a secondary rectifier and smoothing circuit. Furthermore, a secondary-side output voltage detector 12 provided, which is connected to the voltage outputs P21 and P22. The primary-side digital control circuit 15 is located on the primary side of the transformer T1 and includes a switching controller that controls the on / off operations of the switching circuit. The secondary-side digital control circuit 16 is arranged on the secondary side of the transformer T1, receives from the secondary side output voltage detector 12 detected voltage and transmits information about a turn-on of the switching element Q1 as a feedback signal to the primary-side digital control circuit 15 so that the received voltage can be maintained as a standard value. Based on the feedback signal, the primary-side digital control circuit determines 15 the On time of the switching element Q1. The primary-side digital control circuit 15 and the secondary-side digital control circuit 16 communicate with each other serially via an isolated signal transmitter 14 ,

Der sekundärseitige digitale Steuerkreis 16 umfasst einen Analog-digital(AD)-Wandler 161, eine Addiereinrichtung 162, eine Operationseinheit 163 und einen Kommunikationskreis 164. Der AD-Wandler 161 wandelt die von dem sekundärseitigen Spannungsdetektor 12 erfasste Spannung in einen digitalen Wert. Die Addiereinrichtung 162 berechnet einen Fehler e zwischen dem digitalen Wert und einem Referenzwert der Spannung Vref. Basierend auf dem Fehler e ermittelt die Operationseinheit 163 Einschaltzeitdaten bezüglich einer Einschaltdauer D, die erforderlich sind um den Fehler e zu reduzieren, und führt eine vorbestimmte Phasenkompensation auf den Einschaltzeitdaten D aus. Die Größe der Phasenkompensation wird so bestimmt, dass der Feedback-Betrieb stabil und mit schneller Reaktionszeit läuft. Der Kommunikationskreis 164 überträgt die Einschaltzeitdaten D auf den primärseitigen digitalen Steuerkreis 15 über den isolierenden Signalübertrager 14.The secondary-side digital control circuit 16 includes an analog-to-digital (AD) converter 161 , an adder 162 , an operation unit 163 and a communication circuit 164 , The AD converter 161 converts from the secondary side voltage detector 12 detected voltage in a digital value. The adder 162 calculates an error e between the digital value and a reference value of the voltage V ref . Based on the error e determines the operation unit 163 On-time data on a duty ratio D required to reduce the error e and executes a predetermined phase compensation on the on-time data D. The size of the phase compensation is determined so that the feedback operation is stable and with fast response time. The communication circuit 164 transmits the on-time data D to the primary-side digital control circuit 15 over the insulating signal transformer 14 ,

Der primärseitige digitale Steuerkreis 15 enthält ein PWM(pulse width modulation – Pulsbreitenmodulation)-Erzeugungsmodul 152 mit einem Zähler 154 und einem Komparator 153, sowie einem Kommunikationskreis 151. Der Komparator 153 vergleicht den Wert der vom Kommunikationskreis 151 empfangenen Daten mit dem des Zählers 154. Ist der Wert der empfangenen Daten kleiner als derjenige des Zählers 154, gibt der Komparator 153 einen hohen Signalpegel aus. Der Wert des Zählers 154 variiert vorzugsweise sägezahnförmig. Das PWM-Erzeugungsmodul 152 unterzieht die Daten D einer Pulsbreitenmodulation und gibt das Resultat als Gate-Steuersignal VGS aus.The primary-side digital control circuit 15 includes a PWM (Pulse Width Modulation) generation module 152 with a counter 154 and a comparator 153 , as well as a communication circuit 151 , The comparator 153 compares the value of the communication circuit 151 received data with that of the counter 154 , Is the value of the received data smaller than that of the counter 154 , gives the comparator 153 a high signal level. The value of the meter 154 preferably varies sawtooth. The PWM generation module 152 subjects the data D to pulse width modulation and outputs the result as the gate control signal V GS .

Der Nachteil dieser Konfiguration besteht darin, dass zwei (digitale) Steuerkreise erforderlich sind, wodurch die Gesamtkosten des Systems im Vergleich mit einer Ein-Chip-Lösung ebenfalls erhöht werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass insbesondere bei HF(Hochfrequenz)-Umsetzern ein erheblicher Aufwand erforderlich ist, um die beiden Steuerkreise zu synchronisieren.The disadvantage of this configuration is that two (digital) control circuits are required, which also increases the overall cost of the system compared to a one-chip solution. A further disadvantage is that, in particular in the case of HF (high-frequency) converters, considerable effort is required in order to synchronize the two control circuits.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten Umformer mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärseite bereitzustellen, bei dem alle erforderlichen Steuervorgänge auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden können.The present invention aims to provide an improved converter with mutually insulated primary and secondary side, in which all necessary control operations can be implemented in a simple and cost-effective manner.

Dies wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht.This is achieved with the features of the independent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Umformer bereitgestellt. Der Umformer umfasst eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen elektrischer Signale von einer Energiequelle und einen Signaldetektor zum Erkennen wenigstens eines elektrischen Signals. Der Umformer umfasst weiterhin einen Schalterkreis zum Ausgeben einer variablen Spannung/eines variablen Stroms, sowie einen an den Schalterkreis angeschlossenen Transformator mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung. Darüber hinaus umfasst der Umformer einen sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis zum Gleichrichten und Glätten eines/einer in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms/Wechselspannung und eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis erhaltenen Spannung. Der Umformer umfasst weiterhin wenigstens einen Modulatorkreis zum Aufmodulieren eines von dem Signaldetektor empfangenen Signals auf ein Trägersignal, um ein Modulationssignal zu erhalten, einen isolierenden Signalübertrager zum Übertragen des Modulationssignals von dem Modulatorkreis über die Isolationsbarriere des Transformators, und einen Demodulator zum Extrahieren des Ausgangssignals aus dem Modulationssignal, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen des Modulationssignals von dem isolierenden Signalübertrager. Schließlich umfasst der Umformer einen Steuerkreis zum Steuern wenigstens der Ein/Aus-Schaltvorgänge im Schalterkreis, basierend auf wenigstens einem von dem isolierten Signalübertrager übertragenen Signal. Der Signaldetektor und der Modulator einerseits und der Demodulator und der Steuerkreis andererseits sind auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Transformators angeordnet.According to a first aspect of the present invention, a converter is provided. The converter comprises a voltage input unit for receiving electrical signals from a power source and a signal detector for detecting at least one electrical signal. The converter further comprises a switch circuit for outputting a variable voltage / current, and a transformer connected to the switch circuit with mutually insulated primary and secondary windings. In addition, the converter comprises a secondary side rectifying and smoothing circuit for rectifying and smoothing an AC / AC voltage induced in the secondary winding, and a voltage output unit for outputting a voltage obtained from the secondary side rectifying and smoothing circuit. The converter further comprises at least one modulator circuit for modulating a signal received from the signal detector onto a carrier signal to obtain a modulation signal, an isolating signal transmitter for transmitting the modulation signal from the modulator circuit across the isolation barrier of the transformer, and a demodulator for extracting the output signal from the transformer Modulation signal, comprising a receiving unit for receiving the modulation signal from the insulating signal transmitter. Finally, the converter comprises a control circuit for controlling at least the on / off switching operations in the switch circuit, based on at least one signal transmitted by the isolated signal transmitter. The signal detector and the modulator on the one hand and the demodulator and the control circuit on the other are arranged on different sides of the insulation barrier of the transformer.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Umformers bereit gestellt. Der Umformer umfasst eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen elektrischer Signale von einer Energiequelle, einen Signaldetektor zum Erkennen wenigstens eines elektrischen Signals, einen Schalterkreis zum Ausgeben einer variablen Spannung/eines variablen Stroms, einen an den Schalterkreis angeschlossenen Transformator mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung, einen sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis zum Gleichrichten und Glätten eines/einer in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms/Wechselspannung, eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis erhaltenen Spannung, wenigstens einen Modulatorkreis, einen isolierenden Signalübertrager zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators, einen Demodulator und einen Steuerkreis. Der Signaldetektor und der Modulatorkreis einerseits und der Demodulator und der Steuerkreis andererseits sind auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Transformators angeordnet. Das Verfahren umfasst die Schritte des Aufmodulierens eines von dem Signaldetektor empfangenen Signals auf ein Trägersignal in dem Modulatorkreis, um ein Modulationssignal zu erhalten, des Übertragens des Modulationssignals mit dem isolierenden Signalübertrager über die Isolationsbarriere des Transformators, des Empfangens des Modulationssignals von dem isolierenden Signalübertrager, des Extrahierens des Ausgangssignals aus dem empfangenen Modulationssignal in dem Demodulator, und des Steuerns wenigstens der Ein/Aus-Schaltvorgänge im Schalterkreis durch den Steuerkreis, basierend auf dem von dem isolierenden Signalübertrager übertragenen Signal.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of operating a converter. The converter comprises a voltage input unit for receiving electrical signals from a power source, a signal detector for detecting at least one electrical signal, a switch circuit for outputting a variable voltage / current, a transformer connected to the switch circuit with mutually insulated primary and secondary windings, a secondary side Rectifier and smoothing circuit for rectifying and smoothing an AC / AC induced in the secondary winding, a voltage output unit for outputting a voltage obtained from the secondary rectifying and smoothing circuit, at least one modulator circuit, an insulating signal transformer between the primary and secondary sides of the transformer , a demodulator and a control circuit. The signal detector and the modulator circuit on the one hand and the demodulator and the control circuit on the other hand are arranged on different sides of the insulation barrier of the transformer. The method comprises the steps of modulating a signal received from the signal detector onto a carrier signal in the modulator circuit to obtain a modulation signal, transmitting the modulation signal to the insulating signal transformer via the isolation barrier of the transformer, receiving the modulation signal from the insulating signal transmitter, Extracting the output signal from the received modulation signal in the demodulator, and controlling at least the on / off switching operations in the switch circuit by the control circuit based on the signal transmitted from the insulating signal transmitter.

Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, einen Konverter mit Isolationstransformator bereitzustellen, der es ermöglicht, die Steuerung sämtlicher primär- und sekundärseitiger Schaltvorgänge mit einem Kontroller auf nur einer Seite der Isolationsbarriere (zum Beispiel primärseitig) auszuführen. Für die erforderliche Kommunikation von Messgrößen über die Isolationsbarriere wird hierbei ein Modulationsverfahren verwendet, bei dem das zu übertragende Signal senderseitig mit einem Modulator auf ein Trägersignal aufmoduliert und empfängerseitig mit einem Demodulator wieder extrahiert wird. Dadurch entfällt das Erfordernis, streng lineare isolierende Übertragungselemente zu verwenden, und es können nichtlineare Isolatoren wie z. B. nichtlineare Optokoppler verwendet werden, die wesentlich kostengünstiger zur Verfügung stehen.It is the particular approach of the present invention to provide a converter with an isolation transformer which makes it possible to carry out the control of all primary and secondary side switching operations with a controller on only one side of the isolation barrier (for example on the primary side). For the required communication of measured variables via the isolation barrier, a modulation method is used in which the signal to be transmitted is modulated on the transmitter side with a modulator onto a carrier signal and extracted again on the receiver side with a demodulator. This eliminates the need to use strictly linear insulating transmission elements, and it can non-linear insulators such. B. non-linear optocouplers are used, which are much cheaper available.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich der Signaldetektor und der Modulator sekundärseitig, und der Demodulator und der Steuerkreis primärseitig. Die Übertragung gemessener Ausgangswerte von Strom bzw. Spannung für das Feedback der Steuerung erfolgt über das Modulationssignal. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere von Vorteil, wenn primärseitig ein erhöhter Schaltungsbedarf besteht. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn auf der Primärseite zusätzlich eine AC/DC-Stufe, wie zum Beispiel ein PFC-Wandler vorgeschaltet ist.According to a preferred embodiment, the signal detector and the modulator are on the secondary side, and the demodulator and the control circuit on the primary side. The transmission of measured output values of current or voltage for the feedback of the control takes place via the modulation signal. Such an embodiment is particularly advantageous if there is an increased need for circuits on the primary side. This is the case, for example, if an AC / DC stage, such as, for example, a PFC converter, is additionally connected upstream on the primary side.

Weiter vorzugsweise ist der sekundärseitige Gleichrichterkreis ein Synchrongleichrichterkreis mit einem synchronen Schaltelement. Der primärseitige Steuerkreis enthält dann weiterhin einen Schaltregler zum Steuern des synchronen Schaltelements, dessen Ein/Aus-Signale über einen zusätzlichen Isolator auf die Sekundärseite übertragen werden. Die Sekundärseite enthält dann weiter vorzugsweise einen Treiberkreis zum Vorbehandeln der Signale, so dass sie von dem Synchrongleichrichter verarbeitet werden können.More preferably, the secondary-side rectifier circuit is a synchronous rectifier circuit with a synchronous switching element. The primary-side control circuit then further contains a switching regulator for controlling the synchronous switching element whose on / off signals are transmitted via an additional insulator to the secondary side. The secondary side then preferably further includes a driver circuit for pre-treating the signals so that they can be processed by the synchronous rectifier.

Vorzugsweise erfolgt auch die Steuerung/Regelung der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Schalterkreises mit einem im Steuerkreis implementierten Schaltregler.Preferably, the control / regulation of the on / off switching operations of the switch circuit with a implemented in the control circuit switching regulator also takes place.

Eine Treiberschaltung ist vorzugsweise auch vorgesehen zum Vorbehandeln der Ein/Aus-Signale zwischen dem primärseitigen Steuerkreis und dem Schalterkreis auf der Primärseite.A driver circuit is also preferably provided for pretreating the on / off signals between the primary side control circuit and the primary side switching circuit.

Vorzugsweise ist der Modulatorkreis so ausgeführt, dass er eine Stromquelle enthält, die mit Hilfe der von dem Signaldetektor erkannten Signale gesteuert wird, wobei der Strom aus der Stromquelle einen Kondensator auflädt, so dass die Ausgangsspannung des Modulators bis zu einem Referenzwert steigt, und anschließend der Kondensator mit Hilfe einer Schaltvorrichtung entladen wird.Preferably, the modulator circuit is configured to include a current source controlled by the signals detected by the signal detector, the current from the current source charging a capacitor so that the output voltage of the modulator rises to a reference level, and then Capacitor is discharged by means of a switching device.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform befinden sich der Signaldetektor und der Modulator primärseitig und der Demodulator und der Steuerkreis sekundärseitig. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise vorteilhaft, wenn umfangreiche Kommunikationsvorgänge zwischen dem Steuerkreis und dem Lastkreis erforderlich sind, die dann ohne Überschreiten der Isolationsbarriere ausgeführt werden können.According to an alternative preferred embodiment, the signal detector and the modulator are on the primary side and the demodulator and the control circuit are on the secondary side. Such an embodiment is advantageous, for example, if extensive communication operations between the control circuit and the load circuit are required, which can then be carried out without exceeding the isolation barrier.

Vorzugsweise umfasst der Umformer wenigstens je einen Signaldetektor auf der Primärseite und auf der Sekundärseite. Hierdurch können Messgrößen sowohl von der Primär als auch von der Sekundärseite für die Steuerung verwendet werden, die entweder direkt der Seite des Steuerkreises zur Verfügung stehen oder in modulierter Form über die Isolationsbarriere übertragen werden.Preferably, the converter comprises at least one signal detector each on the primary side and on the secondary side. As a result, measured quantities from both the primary and the secondary side can be used for the control, which are either directly available to the side of the control circuit or transmitted in modulated form via the isolation barrier.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eingerichtete Kommunikation zwischen dem Steuerkreis und einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis, kann je nach Anordnung des Steuerkreises entweder direkt, oder durch die Isolationsbarriere, zum Beispiel in modulierter Form, erfolgen.According to a preferred embodiment, established communication between the control circuit and a load circuit connected to the voltage output unit, depending on the arrangement of the control circuit either directly, or through the isolation barrier, for example in a modulated form, take place.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Umformer gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung in einem, an ein Wechselstromnetz angeschlossenes Schaltnetzgerät verwendet. Hierzu umfasst der Umformer weiterhin einen zwischen der Spannungseingabeeinheit und dem Schalterkreis angeordneten AC/DC-Wandler. Weiter vorzugsweise enthält der Wandler einen Filter (EMI-Filter) zur Verringerung eines Störpegels, einen Leistungsfaktorkorrekturkreis (Blindleistungskompensation), der mit einer Endstufe des Filters verbunden ist und einen Glättungskreis, der mit einer Endstufe des Leistungsfaktorkorrekturkreises verbunden ist. Gemäß dem englischen Ausdruck „power factor correction” wird eine solche Eingangsstufe als PFC-Konverter bezeichnet.According to another preferred embodiment, the converter according to the first aspect of the present invention is used in a switching power supply connected to an AC mains. For this purpose, the converter further comprises an AC / DC converter arranged between the voltage input unit and the switch circuit. More preferably, the converter includes a filter (EMI filter) for reducing a noise level, a power factor correction circuit (reactive power compensation) connected to an output stage of the filter, and a smoothing circuit connected to an output stage of the power factor correction circuit. According to the English expression "Power factor correction" refers to such an input stage as a PFC converter.

Weiter vorzugsweise steuert der Steuerkreis zusätzlich die Ein/Aus-Schaltvorgänge des PFC-Konverters, um zu erreichen, dass der von der Energiequelle empfangene Eingangsstrom eine ähnliche oder identische Form hat wie die Spannung der Energiequelle. Aufgrund des erhöhten primärseitigen Schaltaufwandes lässt sich dies insbesondere dann vorteilhaft erreichen, wenn der Steuerkreis auf der Primärseite vorhanden ist.Further preferably, the control circuit additionally controls the on / off switching operations of the PFC converter to make the input current received from the power source have a similar or identical form as the voltage of the power source. Due to the increased primary-side switching effort, this can be achieved in particular advantageous if the control circuit is present on the primary side.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Umformer weiterhin einen zwischen dem sekundärseitigen Gleichrichter und der Spannungsausgabeeinheit angeordneten DC/AC-Wandler. Auf diese Weise können isolierte DC/AC- bzw. AC/AC-Konverter realisiert werden. Weiter vorzugsweise steuert der Steuerkreis zusätzlich die Ein/Aus-Schaltvorgänge des DC/AC-Wandlers.In a preferred embodiment of the present invention, the converter further comprises a DC / AC converter arranged between the secondary-side rectifier and the voltage output unit. In this way, isolated DC / AC or AC / AC converters can be realized. Further preferably, the control circuit additionally controls the on / off switching operations of the DC / AC converter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der isolierende Signalübertrager einen Fotokoppler, einen Transformator oder einen Impulstransformator.According to a preferred embodiment, the insulating signal transmitter includes a photocoupler, a transformer or a pulse transformer.

Ebenfalls sind vorzugsweise mehrere Signaldetektoren vorhanden, insbesondere Spannungs- und/oder Stromdetektoren. Auf diese Weise wird eine vollständige Bereitstellung der ggf. für die Steuervorgänge erforderlichen elektrischen Signale erreicht.Also preferably, a plurality of signal detectors are present, in particular voltage and / or current detectors. In this way, a complete provision of the possibly required for the control operations electrical signals is achieved.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Modulatorkreis in Form eines digitalen Signalprozessors (DSP) realisiert, der ein Messsignal von dem Signaldetektor erhält, das Signal mittels Software moduliert und das modulierte Signal über den isolierenden Signalübertrager an den Steuerkreis überträgt. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass der digitale Signalprozessor neben der Modulation weitere Aufgaben übernehmen kann. Befindet sich zum Beispiel der Steuerkreis auf der Primärseite, und der Modulatorkreis dementsprechend auf der Sekundärseite, und ist als DSP ausgeführt, so kann er zusätzlich die Kommunikation mit dem Lastkreis übernehmen, ohne dass hierbei die Isolationsbarriere überschritten werden muss. Alternativ oder darüber hinaus kann ein sekundärseitiger DSP zusätzlich zur Modulation auch weiter Steuerungsaufgaben, wie zum Beispiel bei einem sekundärseitigen Synchrongleichrichter übernehmen.According to a further preferred embodiment, the modulator circuit is realized in the form of a digital signal processor (DSP), which receives a measuring signal from the signal detector, modulates the signal by means of software and transmits the modulated signal to the control circuit via the insulating signal transmitter. Such an embodiment has the advantage that the digital signal processor can take on additional tasks in addition to the modulation. If, for example, the control circuit is located on the primary side, and the modulator circuit is accordingly on the secondary side, and is designed as a DSP, then it can additionally assume the communication with the load circuit, without the isolation barrier having to be exceeded. Alternatively or in addition, a secondary-side DSP in addition to the modulation also continue to take over control tasks, such as in a secondary-side synchronous rectifier.

Ebenfalls vorzugsweise ist der Steuerkreis ein digitaler Steuerkreis. Weiter vorzugsweise handelt es sich um einen digitalen Signalprozessor (DSP). Hierbei ist es einfach zu realisieren, dass auch der Demodulator ein Bestandteil des digitalen Steuerkreises ist.Also preferably, the control circuit is a digital control circuit. Further preferably, it is a digital signal processor (DSP). It is easy to realize that the demodulator is also part of the digital control circuit.

Alternativ kann der Demodulator als eine von dem Steuerkreis separate, analoge Schaltung realisiert werden, die das Ausgangssignal von dem Trägersignal separiert und an den Steuerkreis überträgt.Alternatively, the demodulator can be realized as an analog circuit separate from the control circuit, which separates the output signal from the carrier signal and transmits it to the control circuit.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.Further features and advantages of the present invention are the subject of dependent claims.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in der detaillierten Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei:Additional features and advantages of the present invention will be set forth below in the detailed description and illustrated in the accompanying drawings, in which:

1 eine Schaltung eines herkömmlichen Schaltnetzteils mit je einem primärseitigen und einem sekundärseitigen digitalen Steuerkreis darstellt, 1 FIG. 2 shows a circuit of a conventional switched-mode power supply having a respective primary-side and a secondary-side digital control circuit, FIG.

2 ein erstes Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 2 FIG. 1 shows a first example of an AC / DC converter according to the present invention, FIG.

3 ein zweites Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 3 FIG. 2 shows a second example of an AC / DC converter according to the present invention, FIG.

4 ein drittes Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 4 FIG. 3 shows a third example of an AC / DC converter according to the present invention, FIG.

5 ein viertes Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 5 FIG. 4 illustrates a fourth example of an AC / DC converter according to the present invention; FIG.

6 ein fünftes Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 6 FIG. 5 shows a fifth example of an AC / DC converter according to the present invention, FIG.

7 ein erstes Beispiel für einen DC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 7 FIG. 1 shows a first example of a DC / DC converter according to the present invention, FIG.

8 ein zweites Beispiel für einen DC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, 8th FIG. 2 shows a second example of a DC / DC converter according to the present invention, FIG.

9 wiederum ein Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, 9 again shows an example of an AC / DC converter according to the present invention,

10 ein Beispiel für die Ausführung eines Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist, 10 an example of the implementation of a modulator according to the present invention,

11 eine detailliertere Darstellung einer Implementierung des Modulatorkreises aus 10 zeigt, und 11 a more detailed representation of an implementation of the modulator circuit 10 shows, and

12 eine Veranschaulichung verschiedener möglicher Formen von Modulationssignalen, die von dem Modulator erzeugt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Signalübertragung verwendet werden, darstellt. 12 FIG. 4 illustrates an illustration of various possible forms of modulation signals generated by the modulator and used in the present invention for signal transmission. FIG.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Erfindung stellt einen Umformer (Konverter) bereit, bei dem ein Steuerkreis für Steuervorgänge sowohl primärseitiger als auch sekundärseitiger Schalteinrichtungen benutzt wird. Für die Steuerung erforderliche Signale werden dabei in modulierter Form über ein Modulationssignal über die Isolationsbarriere des Transformators übertragen.The present invention provides a converter in which a control circuit is used for control operations of both primary-side and secondary-side switching devices. Signals required for the control are transmitted in modulated form via a modulation signal via the isolation barrier of the transformer.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Schaltnetzteil vorgesehen, bei dem eine PFC-Stufe zur AC/DC-Wandlung mit einem nachfolgendem DC/DC-Umformer als zweite Stufe verbunden ist, und wobei beide Stufen von einem einzigen Steuerchip (zum Beispiel einem digitalen Signalprozessor DSP) gesteuert werden. Dieser befindet sich vorzugsweise auf der Primärseite und empfängt die gemessenen Ausgangssignale (insbesondere Spannung und/oder Strom) über einen Signalmodulator und einen Isolator. Durch einfaches Aufmodulieren der DC(direct current – Gleichstrom)-Ausgangssignale auf einem AC(alternating current – Wechselstrom)-Signal, können die am Ausgang erfassten Signale zum Steuerchip auf der Primärseite über nicht lineare Isolatoren wie zum Beispiel nichtlineare Optokoppler übertragen werden. Die Benutzung nichtlinearer Isolatoren führt zu einer wesentlichen Kostenersparnis, da sie deutlich preisgünstiger hergestellt werden können als herkömmlich verwendet isolierende Übertrager mit streng linearer Charakteristik.According to a particularly preferred embodiment, a switching power supply is provided in which a PFC stage for AC / DC conversion is connected to a subsequent DC / DC converter as a second stage, and wherein both stages are controlled by a single control chip (for example a digital signal processor DSP) are controlled. This is preferably located on the primary side and receives the measured output signals (in particular voltage and / or current) via a signal modulator and an isolator. By simply modulating the DC (direct current - DC) output signals on an AC (alternating current - AC) signal, the signals detected at the output can be transmitted to the control chip on the primary side via non-linear isolators such as non-linear optocouplers. The use of nonlinear insulators leads to a significant cost savings, since they can be produced much cheaper than conventionally used insulating transformer with strictly linear characteristic.

Ein isolierendes Schaltnetzteil mit einem Umformer gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere als Batterieladegerät geeignet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein Schaltnetzteil mit einem einfachen Aufbau und hoher Funktionalität unter Ausnutzung der Vorteile der digitalen Steuerungstechnik kostengünstig herzustellen.An insulating switching power supply with a converter according to the present invention is particularly suitable as a battery charger. The present invention makes it possible to inexpensively manufacture a switching power supply having a simple structure and high functionality by utilizing the advantages of digital control technology.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Dabei können nicht im Einzelnen dargestellte Implementierungsdetails in ähnlicher Form ausgestaltet sein, wie oben unter Bezug auf 1 erläutert.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In doing so, implementation details not shown in detail may be configured in a similar manner as described above with reference to FIG 1 explained.

Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Umformer (AC/DC-Konverter) gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Der Umformer in 2 umfasst einen AC/DC-Konverter 102, einen Schalterkreis 104, einen Isolationstransformator 106, einen Gleichrichterkreis 107, einen Detektor 108, einen digitalen Signalprozessor 110, einen Isolator 111 und einen digitalen Modulator 112. An eine Wechselstromquelle 101 ist als erste Stufe ein AC/DC-Wandler 102 angeschlossen. Dieser umfasst vorzugsweise ein EMI-Filter sowie eine PFC-Stufe (Leistungsfaktorkorrekturkreis oder Blindleistungskompensationskreis). Optional kann am Ausgang der PFC-Stufe noch ein Glättungskreis vorhanden sein, und es können ein oder mehrere Detektoren vorzugsweise für Strom und/oder Spannung vorhanden sein, die für eine Steuerung der PFC-Eingangsstufe erforderliche Parameter zur Verfügung zu stellen. Die PFC-Stufe kann weiterhin auch einen Gleichrichterkreis umfassen, der eingerichtet ist, die Eingangsspannung von der Wechselstromquelle gleichzurichten, und einen Aufwärts-, Abwärts- oder Auf-Abwärtskonverter, der an eine Endstufe des Gleichrichterkreises angeschlossen ist. Weiterhin oder alternativ können an eine Endstufe des Gleichrichterkreises eine Mehrzahl n ≥ 2 von Wandlerkreisen angeschlossen sein, die zueinander parallel geschaltet sind und mit einer Phasendifferenz geschaltet werden können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der PFC-Konverter einen brückenlosen Leistungsfaktorkorrekturkreis.A first embodiment of a converter (AC / DC converter) according to the present invention is disclosed in FIG 2 shown. The converter in 2 includes an AC / DC converter 102 , a switch circuit 104 , an isolation transformer 106 , a rectifier circuit 107 , a detector 108 , a digital signal processor 110 , an insulator 111 and a digital modulator 112 , To an AC power source 101 is the first stage an AC / DC converter 102 connected. This preferably comprises an EMI filter and a PFC stage (power factor correction circuit or reactive power compensation circuit). Optionally, a smoothing circuit may be present at the output of the PFC stage, and one or more detectors may preferably be present for current and / or voltage to provide the parameters required for control of the PFC input stage. The PFC stage may further include a rectifier circuit configured to rectify the input voltage from the AC power source, and an up, down, or up-down converter connected to an output stage of the rectifier circuit. Furthermore or alternatively, a plurality n ≥ 2 of converter circuits which are connected in parallel to one another and can be switched with a phase difference can be connected to an output stage of the rectifier circuit. According to a further embodiment, the PFC converter comprises a bridge-less power factor correction circuit.

Der an den Ausgang der PFC-Stufe 102 angeschlossene Schalterkreis 104 stellt das Eingangselement der zweiten Stufe (DC/DC-Wandler) dar. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter kann die Ausgabe des Schalterkreises sowohl ein reiner Wechselstrom, als auch ein variabler Strom mit Gleichstromkomponente sein. Optional sind auch im Schalterkreis ein oder mehrere Detektoren vorhanden. Dies können insbesondere ein Strom- und/oder ein Spannungsdetektor sein. In einer Ausführungsform mit n parallelen Konverterkreisen im PFC können neben einem Spannungsdetektor n Stromdetektoren für jeden der phasenverschoben getakteten PFC-Kreise vorhanden sein.The to the output of the PFC stage 102 connected switch circuit 104 represents the input element of the second stage (DC / DC converter). By a corresponding control of the switch, the output of the switch circuit can be both a pure AC, and a variable current with DC component. Optionally, one or more detectors are also present in the switch circuit. This can be in particular a current and / or a voltage detector. In an embodiment with n parallel converter circuits in the PFC, in addition to a voltage detector, there may be n current detectors for each of the phase-shifted clocked PFC circuits.

Der Transformator 106 ist primärseitig an den Schalterkreis 104 angeschlossen. Er verfügt über eine galvanische Isolation von Primär- und Sekundärwicklung. Dies soll durch die gepunktete Senkrechte in 2 dargestellt werden.The transformer 106 is on the primary side of the switch circuit 104 connected. It has galvanic isolation of primary and secondary windings. This is meant by the dotted vertical in 2 being represented.

Angeschlossen an die Sekundärwicklung des Transformators 106 ist ein Gleichrichterkreis 107 zum Gleichrichten eines in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms. Der Gleichrichterkreis kann weiterhin auch einen Glättungskreis umfassen (nicht gezeigt). Am sekundärseitigen Ausgang ist ein Lastkreis 109 angeordnet.Connected to the secondary winding of the transformer 106 is a rectifier circuit 107 for rectifying an alternating current induced in the secondary winding. The rectifier circuit may further include a smoothing circuit (not shown). At the secondary output is a load circuit 109 arranged.

Die Ausgangsspannung (und vorzugsweise auch der Ausgangsstrom) können mit dem Detektor 108 gemessen werden. Dies kann zum Beispiel ähnlich wie in 1 mit einem parallel zu den Ausgangsklemmen geschalteten Spannungsteiler geschehen. Vom Detektor 108 detektierte Messdaten werden an den sekundärseitig angeordneten digitalen Modulator 112 übertragen.The output voltage (and preferably also the output current) can be used with the detector 108 be measured. This can be similar to for example 1 with a voltage divider connected in parallel with the output terminals. From the detector 108 Detected measurement data are sent to the secondary-side digital modulator 112 transfer.

Der digitale Modulator 112 ist vorzugsweise als ein weiterer digitaler Signalprozessor (DSP) ausgestaltet, der mit einer entsprechenden Software zum Modulieren des Signals ausgestattet ist, und das modulierte Signal über den Isolator 111 zum primärseitigen DSP 110 überträgt.The digital modulator 112 is preferably configured as another digital signal processor (DSP) equipped with appropriate software for modulating the signal and the modulated signal across the isolator 111 to the primary-side DSP 110 transfers.

Verschiedene Möglichkeiten einer Modulation des DC-Ausgangssignals auf ein Trägersignal sind in 12 dargestellt. Als Modulationsart sind zum Beispiel dreieckförmige Zeitverschiebungsmodulation (300a), Pulsbreitenmodulation (300b), Frequenzmodulation (300c) oder Phasenmodulation (nicht dargestellt) geeignet.Various possibilities of modulation of the DC output signal to a carrier signal are in 12 shown. As a modulation type, for example, triangular time shift modulation ( 300a ), Pulse width modulation ( 300b ), Frequency modulation ( 300c ) or phase modulation (not shown).

Der isolierende Signalübertrager (kurz: Isolator) 111 wird vorzugsweise als ein Optokoppler, ein Transformator oder ein Impulstransformator implementiert.The insulating signal transformer (short: insulator) 111 is preferably implemented as an optocoupler, a transformer or a pulse transformer.

Der primäre Steuerkreis 110 ist als digitaler Signalprozessor (DSP) implementiert, und schließt in der Ausführungsform der 2 den Demodulator mit ein. Der Demodulator extrahiert das Ursprungssignal aus dem Modulationssignal und DSP 110 steuert den Schalterkreis 104. Optional werden Detektorsignale vom Schalterkreis 104 empfangen (in 2 mit dem gestrichelten Pfeil nach unten dargestellt), die zusätzlich für Steuerung benutzt werden. In der vorliegenden Ausführungsform steuert DSP 110 weiterhin Ein-/Ausschaltvorgänge der PFC-Stufe, so dass der Eingangsstrom von der Wechselstromquelle dieselbe oder eine ähnliche Form hat wie die Spannung von der Wechselstromquelle 101. Hierfür werden von der PFC-Stufe Detektorsignale zur Verfügung gestellt. Ergänzend können für die Steuerung der PFC-Stufe auch die detektierten Signale vom Detektor 108 bzw. optional vom Schalterkreis 104 verwendet werden.The primary control circuit 110 is implemented as a digital signal processor (DSP), and in the embodiment of FIG 2 the demodulator with. The demodulator extracts the original signal from the modulation signal and DSP 110 controls the switch circuit 104 , Optionally, detector signals from the switch circuit 104 receive (in 2 shown with the dashed arrow pointing downwards), which are also used for control. In the present embodiment, DSP controls 110 Furthermore, on / off operations of the PFC stage, so that the input current from the AC power source have the same or similar shape as the voltage from the AC power source 101 , For this purpose, detector signals are provided by the PFC stage. In addition, for the control of the PFC stage, the detected signals from the detector 108 or optionally from the switch circuit 104 be used.

In 2 und in den folgenden Zeichnungen bedeuten gleiche Bezugszeichen und gleich bezeichnete Blöcke jeweils gleiche bzw. ähnliche Funktionseinheiten, so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausführungsformen eingegangen wird.In 2 and in the following drawings, like reference numerals and like-referenced blocks denote the same or similar functional units, so that only the differences between the individual embodiments will be discussed below.

3 zeigt einen AC/DC-Umformer gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows an AC / DC converter according to another embodiment of the present invention.

Die Ausführungsform nach 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 2 insbesondere dadurch, dass der Demodulator 103 auf der Primärseite separat von DSP 110 vorgesehen ist. Hierbei wird das auf der Primärseite empfangene Signal unmittelbar am Ausgang des Isolators 111 demoduliert, und das demodulierte Signal wird direkt auf den Kontrollerchip (DSP) 110 übertragen. Hierdurch kann der Verarbeitungsaufwand im DSP reduziert werden.The embodiment according to 3 differs from the embodiment according to 2 in particular in that the demodulator 103 on the primary side separately from DSP 110 is provided. In this case, the signal received on the primary side is directly at the output of the isolator 111 demodulated, and the demodulated signal is sent directly to the controller chip (DSP) 110 transfer. This can reduce the processing overhead in the DSP.

Außerdem ist der Modulator 112 in 3 nicht als digitaler Modulator dargestellt. Im Rahmen der Erfindung kann der Modulatorkreis alternativ als analoger Modulatorkreis ausgeführt sein.In addition, the modulator 112 in 3 not shown as a digital modulator. In the context of the invention, the modulator circuit may alternatively be designed as an analogue modulator circuit.

Ein Beispiel für einen analogen Modulatorkreis 112 ist in 10 gegeben. Der Modulatorkreis 112 aus 10 enthält eine sensorsignalgesteuerte Stromquelle 203, einen schaltbaren Kondensator 202 und eine Speichereinrichtung für eine Referenzspannung 201. Die Stromquelle 203 wird durch vom sekundärseitigen Detektor 108 ausgegebene Messsignale gesteuert, und der Schaltkondensator 202 wird von der Stromquelle so lange aufgeladen, bis die Kondensatorspannung (Ausgangsspannung des Modulatorkreises 112) den Referenzwert 201 erreicht. Anschließend wird eine Schalteinrichtung zum Entladen des Kondensators 202 betätigt, und das Modulationssignal 300a an den Isolator 111 ausgegeben.An example of an analogue modulator circuit 112 is in 10 given. The modulator circuit 112 out 10 contains a sensor signal-controlled current source 203 , a switchable capacitor 202 and a reference voltage storage means 201 , The power source 203 is done by the secondary side detector 108 controlled output signals, and the switched capacitor 202 is charged by the power source until the capacitor voltage (output voltage of the modulator circuit 112 ) the reference value 201 reached. Subsequently, a switching device for discharging the capacitor 202 pressed, and the modulation signal 300a to the insulator 111 output.

Weitere Implementierungsdetails sind in 11 dargestellt. In 11 wird das Ausgangssignal mittels eines Messwiderstandes 108 detektiert, und einem Komparator zum Steuern der Stromquelle zugeführt. Ein weiterer Komparator dient dem Vergleich einer Kondensatorspannung mit dem Referenzwert 201. Wird der Referenzwert der Spannung erreicht, so wird über einen Halbleiterschalter der Kondensator entladen und das Modulationssignal 300a an den Isolator 111 ausgegeben.Other implementation details are in 11 shown. In 11 the output signal is measured by means of a measuring resistor 108 detected, and supplied to a comparator for controlling the power source. Another comparator is used to compare a capacitor voltage with the reference value 201 , If the reference value of the voltage is reached, the capacitor is discharged via a semiconductor switch and the modulation signal 300a to the insulator 111 output.

In der Ausführungsform gemäß 4 ist zusätzlich eine Kommunikation zwischen DSP 110 und Lastkreis 109 vorgesehen. Zur Überwindung der Isolationsbarriere des Transformators 106 erfolgt diese über ein zusätzliches Isolatorelement. DSP 110 ist hierfür weiterhin mit einem Kommunikationsinterface versehen. Dies kann, zum Beispiel im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, ein CAN(Controller Area Network)-Bus sein, wobei die Last zum Beispiel eine zu ladende Batterie darstellt, die über ein eigenes Managementsystem mit einem Kommunikationsinterface wie zum Beispiel CAN verfügt. Im Beispiel der 4 ist der Demodulator in der DSP 110 integriert. Wie in 3 kann der Modulatorkreis 112 sowohl digital als auch analog ausgeführt sein.In the embodiment according to 4 is additionally a communication between DSP 110 and load circuit 109 intended. To overcome the isolation barrier of the transformer 106 this is done via an additional insulator element. DSP 110 this is still provided with a communication interface. This may, for example in the field of automotive engineering, be a CAN (Controller Area Network) bus, the load representing, for example, a battery to be charged, which has its own management system with a communication interface such as CAN. In the example of 4 is the demodulator in the DSP 110 integrated. As in 3 can the modulator circuit 112 be executed both digitally and analog.

Die Ausführungsform nach 5 entspricht den Ausführungsformen nach 2 oder 3. Zusätzlich ist in 5 die Energieversorgung 114 für den DSP 110 und die Energieversorgung 115 für den Modulator 112 explizit dargestellt. Die Energieversorgung 114 für den DSP erfolgt primärseitig über einen zusätzlichen Ausgang der PFC-Eingangsstufe 102. Die Energieversorgung 115 des Modulators 112 erfolgt durch einen zusätzlichen Anschluss am Ausgang der Sekundärseite. Der Vorteil einer solchen Lösung gegenüber der alternativ möglichen Energieversorgung aller Signalverarbeitungskomponenten vom Eingang der Primärseite besteht darin, dass kein zusätzliches Überschreiten der Isolationsbarriere zur Stromversorgung erforderlich ist.The embodiment according to 5 corresponds to the embodiments according to 2 or 3 , Additionally is in 5 the energy supply 114 for the DSP 110 and the power supply 115 for the modulator 112 explicitly shown. The energy supply 114 for the DSP, there is an additional output of the PFC input stage on the primary side 102 , The energy supply 115 of the modulator 112 occurs through an additional connection at the output of the secondary side. The advantage of such a solution over the alternative possible energy supply of all signal processing components from the input of the primary side is that no additional exceeding of the isolation barrier to the power supply is required.

Auch die Ausführungsform nach 6 entspricht vom Grundaufbau her den Ausführungsformen nach 2 und 3. Gemäß 6 ist der sekundärseitige Gleichrichterkreis 107 als Synchrongleichrichter mit einem synchronen Schaltelement ausgeführt. Zum synchronen Schalten des Synchrongleichrichters ist ein zusätzlicher Steueraufwand erforderlich. Hierzu ist der primärseitige DSP 110 in einem zusätzlichen Schaltkontroller für den sekundärseitigen Synchrongleichrichter 107 versehen, um die Ein-/Ausschaltvorgänge des synchronen Schaltelements zu steuern. Wenn im Gleichrichter 107 aktive Schaltelemente verwendet werden, erhält man einen Umformer, der für einen bidirektionalen Betrieb geeignet ist. Die Ein-/Ausschaltsignale vom primärseitigen DSP werden über einen zusätzlichen Isolator auf die Sekundärseite übertragen und dem Synchrongleichrichter 107 zugeführt. In der Ausführungsform nach 6 wird auf die optionale Verwendung von primärseitigen Detektorsignalen verzichtet.Also the embodiment according to 6 corresponds to the basic structure according to the embodiments 2 and 3 , According to 6 is the secondary-side rectifier circuit 107 designed as a synchronous rectifier with a synchronous switching element. For synchronous switching of the synchronous rectifier additional control effort is required. This is the primary-side DSP 110 in an additional switching controller for the secondary-side synchronous rectifier 107 provided to control the on / off operations of the synchronous switching element. When in the rectifier 107 active switching elements are used, one obtains a converter which is suitable for bidirectional operation. The on / off signals from the primary-side DSP are transmitted to the secondary side via an additional isolator and to the synchronous rectifier 107 fed. In the embodiment according to 6 is dispensed with the optional use of primary-side detector signals.

In 7 ist eine Ausführungsform eines reinen DC/DC-Wandlers dargestellt. Ein zusätzlicher AC/DC-Wandler bzw. eine PFC-Stufe sind hier nicht erforderlich. Die Gleichstromquelle 116 speist direkt den Schalterkreis 104. In der Ausführungsform nach 7 ist eine Strom-/Spannungsdetektion nur sekundärseitig vorgesehen, wobei das Detektorsignal in modulierter Form wie in den vorhergehenden Ausführungsformen über den isolierenden Übertrager 111 auf die Primärseite übertragen wird.In 7 an embodiment of a pure DC / DC converter is shown. An additional AC / DC converter or a PFC stage are not required here. The DC source 116 feeds the switch circuit directly 104 , In the embodiment according to 7 a current / voltage detection is provided only on the secondary side, wherein the detector signal in modulated form as in the previous embodiments on the insulating transformer 111 is transmitted to the primary side.

Eine weitere Ausführungsform eines DC/DC-Wandlers ist in 8 dargestellt. Hierbei ist wie in 6 sekundärseitig ein Synchrongleichrichter 107 vorgesehen, dessen Steuerung vom DSP 110 auf der Primärseite über einen zusätzlichen Isolator erfolgt.Another embodiment of a DC / DC converter is shown in FIG 8th shown. Here is how in 6 on the secondary side, a synchronous rectifier 107 provided its control from the DSP 110 on the primary side via an additional insulator.

Eine alternative Ausführungsform (hier am Beispiel eines AC/DC-Wandlers) ist in 9 dargestellt. Hierbei ist DSP 110 sekundärseitig angeordnet und steuert zunächst Synchrongleichrichter 107. Zur Steuerung des primärseitigen Schalterkreises 104 muss ein Steuersignal über einen zusätzlichen Isolator 113 zur Primärseite übertragen werden. Primärseitige Eingangssignale erhalten von Detektoren in der PFC-Stufe 102 und optional vom Schalterkreis 104 in analoger Weise wie vorstehend beschrieben, werden mit einem Modulator 112, der in diesem Fall auf der Primärseite angeordnet ist, über einen Isolator 111 zum sekundärseitigen DSP 110 übertragen.An alternative embodiment (here the example of an AC / DC converter) is shown in FIG 9 shown. Here is DSP 110 arranged on the secondary side and initially controls synchronous rectifier 107 , For controlling the primary-side switch circuit 104 must have a control signal through an additional isolator 113 be transferred to the primary side. Primary input signals received from detectors in the PFC stage 102 and optionally from the switch circuit 104 in an analogous manner as described above, with a modulator 112 , which in this case is arranged on the primary side, via an insulator 111 to the secondary-side DSP 110 transfer.

In allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind zwischen dem digitalen Steuerkreis/DSP und den zu steuernden Einheiten vorzugsweise Treiberschaltungen zur Vorverarbeitung/Umsetzung der Steuersignale vorgesehen (in den Zeichnungen nicht dargestellt).In all the embodiments described above, drive circuits for preprocessing / converting the control signals are preferably provided between the digital control circuit / DSP and the units to be controlled (not shown in the drawings).

Die vorliegende Erfindung, wie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert, ist nicht auf die vorstehend beispielhaft beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind eine Vielzahl von Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, und insbesondere sind Kombinationen von Merkmalen der in den vorstehend beschriebenen und in den beigefügten Patentansprüchen definierten Ausführungsformen möglich, solange eine derartige Kombination nicht zu Widersprüchen führt.The present invention as defined in the independent claims is not limited to the specific embodiments described above by way of example. Rather, a variety of modifications of the described embodiments are possible, and in particular combinations of features of the embodiments defined in the above-described and the appended claims are possible, as long as such combination does not lead to contradictions.

Zusammenfassend, betrifft die vorliegende Erfindung eine schaltbare elektrische Umformereinrichtung mit einem Isolationstransformator, bei der eine Steuerung von Schaltvorgängen auf einer Seite der Isolationsbarriere beruhend auf rückgekoppelter Signalinformation von der anderen Seite der Isolationsbarriere ermöglicht wird. Hierzu erfolgt eine Signalübertragung in modulierter Form, wobei das zu übertragende Signal auf ein Trägersignal aufmoduliert wird und über die galvanisch getrennte Isolationsbarriere übertragen wird. Aufgrund der Modulation können für die Übertragung kostengünstige Bauelemente mit nichtlinearer Charakteristik verwendet werden.In summary, the present invention relates to a switchable electrical transformer device having an isolation transformer which allows control of switching operations on one side of the isolation barrier based on feedback signal information from the other side of the isolation barrier. For this purpose, a signal transmission in modulated form, wherein the signal to be transmitted is modulated onto a carrier signal and transmitted via the galvanically isolated isolation barrier. Due to the modulation, inexpensive components with non-linear characteristics can be used for the transmission.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (19)

Umformer, umfassend: eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen elektrischer Signale von einer Energiequelle (101, 116), einen Signaldetektor (102, 108) zum Erkennen wenigstens eines elektrischen Signals, einen Schalterkreis (104) zum Ausgeben einer variablen Spannung/eines variablen Stroms, einen an den Schalterkreis (104) angeschlossenen Transformator (106) mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung, einen sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis (107) zum Gleichrichten und Glätten eines/einer in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms/Wechselspannung, eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis (107) erhaltenen Spannung, wenigstens einen Modulatorkreis (112) zum Aufmodulieren eines von dem Signaldetektor (102, 108) empfangenen Signals auf ein Trägersignal, um ein Modulationssignal zu erhalten, einen isolierenden Signalübertrager (111) zum Übertragen des Modulationssignals von dem Modulatorkreis (112) über die Isolationsbarriere des Transformators (106), einen Demodulator (103) zum Extrahieren des Ausgangssignals aus dem Modulationssignal, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen des Modulationssignals von dem isolierenden Signalübertrager (111), einen Steuerkreis (110) zum Steuern wenigstens der Ein/Aus- Schaltvorgänge im Schalterkreis (104), basierend auf wenigstens einem von dem isolierenden Signalübertrager (111) übertragenen Signal, wobei der Signaldetektor (102, 108) und der Modulatorkreis (112) einerseits und der Demodulator (103) und der Steuerkreis (110) andererseits auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Transformators (106) angeordnet sind.A converter, comprising: a voltage input unit for receiving electrical signals from a power source ( 101 . 116 ), a signal detector ( 102 . 108 ) for detecting at least one electrical signal, a switch circuit ( 104 ) for outputting a variable voltage / current, one to the switching circuit ( 104 ) connected transformer ( 106 ) with mutually insulated primary and secondary winding, a secondary rectifier and smoothing circuit ( 107 ) for rectifying and smoothing an AC / AC induced in the secondary winding, a voltage output unit for outputting one of the secondary rectifier and smoothing circuits ( 107 ), at least one modulator circuit ( 112 ) for modulating one of the signal detector ( 102 . 108 ) received signal to a carrier signal to obtain a modulation signal, an insulating signal transmitter ( 111 ) for transmitting the modulation signal from the modulator circuit ( 112 ) over the insulation barrier of the transformer ( 106 ), a demodulator ( 103 ) for extracting the output signal from the modulation signal, comprising a receiving unit for receiving the modulation signal from the insulating signal transmitter ( 111 ), a control circuit ( 110 ) for controlling at least the on / off switching operations in the switching circuit ( 104 ), based on at least one of the insulating signal transmitter ( 111 ) transmitted signal, wherein the signal detector ( 102 . 108 ) and the modulator circuit ( 112 ) on the one hand and the demodulator ( 103 ) and the control circuit ( 110 on the other hand on different sides of the insulation barrier of the transformer ( 106 ) are arranged. Umformer nach Anspruch 1, wobei sich der Signaldetektor (108) und der Modulatorkreis (112) sekundärseitig und der Demodulator (103) und der Steuerkreis (110) primärseitig befinden.A converter according to claim 1, wherein the signal detector ( 108 ) and the modulator circuit ( 112 ) on the secondary side and the demodulator ( 103 ) and the control circuit ( 110 ) are located on the primary side. Umformer nach Anspruch 2, wobei der sekundärseitige Gleichrichterkreis (107) ein Synchrongleichrichterkreis mit einem synchronen Schaltelement ist, und der primärseitige Steuerkreis (110) einen Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des synchronen Schaltelements enthält, wobei die von dem primärseitigen Steuerkreis (110) erzeugten Ein/Aus- Signale über einen Isolator (113) auf die Sekundärseite übertragen werden, und auf der Sekundärseite von einem Treiberkreis vorbehandelt werden.A converter according to claim 2, wherein the secondary-side rectifier circuit ( 107 ) is a synchronous rectifier circuit with a synchronous switching element, and the primary-side control circuit ( 110 ) includes a switching regulator for controlling the on / off switching operations of the synchronous switching element, wherein the signals from the primary-side control circuit ( 110 ) generated on / off signals via an isolator ( 113 ) are transferred to the secondary side, and pretreated on the secondary side by a driver circuit. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Modulatorkreis (112) eine Stromquelle (203) enthält, die mit Hilfe der von dem Signaldetektor (108) erkannten Signale gesteuert wird, und der Strom aus der Stromquelle (203) einen Kondensator (202) auflädt, so dass die Ausgangsspannung des Modulators (112) bis zu einem Referenzwert (201) steigt, und anschließend der Kondensator (202) mit Hilfe einer Schaltvorrichtung entladen wird.Converter according to one of claims 1 to 3, wherein the modulator circuit ( 112 ) a power source ( 203 ) detected by the signal detector ( 108 ) detected signals, and the current from the power source ( 203 ) a capacitor ( 202 ), so that the output voltage of the modulator ( 112 ) up to a reference value ( 201 ), and then the capacitor ( 202 ) is discharged by means of a switching device. Umformer nach Anspruch 1, wobei sich der Signaldetektor (102) und der Modulatorkreis (112) primärseitig und der Demodulator und der Steuerkreis (110) sekundärseitig befinden.A converter according to claim 1, wherein the signal detector ( 102 ) and the modulator circuit ( 112 ) on the primary side and the demodulator and the control circuit ( 110 ) on the secondary side. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem primärseitigen (102) und einem sekundärseitigen (108) Signaldetektor.Converter according to one of Claims 1 to 5, having a primary-side ( 102 ) and a secondary ( 108 ) Signal detector. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Steuerkreis (110) eingerichtet ist, mit einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis (109) zu kommunizieren.Converter according to one of claims 1 to 6, wherein the control circuit ( 110 ) with a load circuit connected to the voltage output unit ( 109 ) to communicate. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend einen zwischen der Spannungseingabeeinheit und dem Schalterkreis (104) angeordneten AC/DC-Wandler (102).A converter according to any one of claims 1 to 7, further comprising one between the voltage input unit and the switch circuit (14). 104 ) arranged AC / DC converter ( 102 ). Umformer nach Anspruch 8, wobei der AC/DC-Wandler (102) enthält: ein Filter zum Verringern eines Störpegels, einen Leistungsfaktorkorrekturkreis, der mit einer Endstufe des Filters verbunden ist, und einen Glättungskreis, der mit einer Endstufe des Leistungsfaktorkorrekturkreises verbunden ist.A converter according to claim 8, wherein the AC / DC converter ( 102 ) includes: a filter for reducing a noise level, a power factor correction circuit connected to an output stage of the filter, and a smoothing circuit connected to an output stage of the power factor correction circuit. Umformer nach Anspruch 9, wobei der Steuerkreis (110) zusätzlich die Ein/Aus-Schaltvorgänge des AC/DC-Wandlers (102) steuert, so dass der von der Energiequelle (101) empfangene Eingangsstrom eine ähnliche oder identische Form hat wie die Spannung der Energiequelle (101).Converter according to claim 9, wherein the control circuit ( 110 ) additionally the on / off switching operations of the AC / DC converter ( 102 ), so that the energy source ( 101 ) received input current has a similar or identical shape as the voltage of the energy source ( 101 ). Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend einen zwischen dem sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis (107) und der Spannungsausgabeeinheit angeordneten DC/AC-Wandler.Converter according to one of claims 1 to 10, further comprising a between the secondary rectifier and smoothing circuit ( 107 ) and the voltage output unit arranged DC / AC converter. Umformer nach Anspruch 11, wobei der Steuerkreis (110) zusätzlich die Ein/Aus-Schaltvorgänge des DC/AC-Wandler steuert.Converter according to claim 11, wherein the control circuit ( 110 ) additionally controls the on / off switching operations of the DC / AC converter. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der isolierende Signalübertrager (111) einen Photokoppler, einen Transformator oder einen Impulstransformator enthält. Converter according to one of claims 1 to 12, wherein the insulating signal transmitter ( 111 ) includes a photocoupler, a transformer or a pulse transformer. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Signaldetektor (102, 108) einen Spannungsdetektor und/oder einen Stromdetektor umfasst.Converter according to one of claims 1 to 13, wherein the signal detector ( 102 . 108 ) comprises a voltage detector and / or a current detector. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Modulatorkreis (112) ein digitaler Signalprozessor ist, der ein Messsignal von dem Signaldetektor (102, 108) erhält, das Signal mittels Software moduliert und das modulierte Signal über den isolierenden Signalübertrager (111) an den Steuerkreis (110) überträgt.Converter according to one of claims 1 to 14, wherein the modulator circuit ( 112 ) is a digital signal processor which receives a measurement signal from the signal detector ( 102 . 108 ) modulates the signal by means of software and the modulated signal via the insulating signal transmitter ( 111 ) to the control circuit ( 110 ) transmits. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Steuerkreis (110) ein digitaler Steuerkreis ist.Converter according to one of Claims 1 to 15, in which the control circuit ( 110 ) is a digital control circuit. Umformer nach einem der Anspruch 16, wobei der Demodulator ein Bestandteil des digitalen Steuerkreises (110) ist.A converter according to claim 16, wherein the demodulator is a component of the digital control circuit ( 110 ). Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Demodulator (103) eine von dem Steuerkreis (110) separate, analoge Schaltung umfasst, die das Ausgangssignal von dem Trägersignal separiert und an den Steuerkreis (110) überträgt.A converter according to any one of claims 1 to 16, wherein the demodulator ( 103 ) one of the control circuit ( 110 ) comprises separate, analog circuit which separates the output signal from the carrier signal and to the control circuit ( 110 ) transmits. Verfahren zum Betrieb eines Umformers, wobei der Umformer umfasst: eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen elektrischer Signale von einer Energiequelle (101, 116), einen Signaldetektor (102, 108) zum Erkennen wenigstens eines elektrischen Signals, einen Schalterkreis (104) zum Ausgeben einer variablen Spannung/eines variablen Stroms, einen an den Schalterkreis (104) angeschlossenen Transformator (106) mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung, einen sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis (107) zum Gleichrichten und Glätten eines/einer in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms/Wechselspannung, eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem sekundärseitigen Gleichrichter- und Glättungskreis erhaltenen Spannung, wenigstens einen Modulatorkreis (112), einen isolierenden Signalübertrager (111) zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators (106), eine Demodulator (103), und einen Steuerkreis (110), wobei der Signaldetektor (102, 108) und der Modulatorkreis (112) einerseits und der Demodulator (103) und der Steuerkreis (110) andererseits auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Transformators (106) angeordnet sind; und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Aufmodulieren eines von dem Signaldetektor (102, 108) empfangenen Signals auf ein Trägersignal in dem Modulatorkreis (112), um ein Modulationssignal zu erhalten, Übertragen des Modulationssignals mit dem isolierenden Signalübertrager (111) über die Isolationsbarriere des Transformators (106), Empfangen des Modulationssignals von dem isolierenden Signalübertrager (111), Extrahieren des Ausgangssignals aus dem empfangenen Modulationssignal in dem Demodulator (103), und Steuern wenigstens der Ein/Aus- Schaltvorgänge im Schalterkreis (104) durch den Steuerkreis (110), basierend auf dem von dem isolierenden Signalübertrager (111) übertragenen Signal.A method of operating a converter, the converter comprising: a voltage input unit for receiving electrical signals from a power source ( 101 . 116 ), a signal detector ( 102 . 108 ) for detecting at least one electrical signal, a switch circuit ( 104 ) for outputting a variable voltage / current, one to the switching circuit ( 104 ) connected transformer ( 106 ) with mutually insulated primary and secondary winding, a secondary rectifier and smoothing circuit ( 107 ) for rectifying and smoothing an AC / AC voltage induced in the secondary winding, a voltage output unit for outputting a voltage obtained from the secondary side rectifying and smoothing circuit, at least one modulator circuit ( 112 ), an insulating signal transmitter ( 111 ) between the primary and the secondary side of the transformer ( 106 ), a demodulator ( 103 ), and a control circuit ( 110 ), wherein the signal detector ( 102 . 108 ) and the modulator circuit ( 112 ) on the one hand and the demodulator ( 103 ) and the control circuit ( 110 on the other hand on different sides of the insulation barrier of the transformer ( 106 ) are arranged; and wherein the method comprises the steps of: modulating one of the signal detector ( 102 . 108 ) received signal to a carrier signal in the modulator circuit ( 112 ), to obtain a modulation signal, transmitting the modulation signal to the isolating signal transmitter ( 111 ) over the insulation barrier of the transformer ( 106 ), Receiving the modulation signal from the insulating signal transmitter ( 111 ), Extracting the output signal from the received modulation signal in the demodulator ( 103 ), and controlling at least the on / off switching operations in the switching circuit ( 104 ) by the control circuit ( 110 ), based on that of the insulating signal transmitter ( 111 ) transmitted signal.
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