DE102012201642A1

DE102012201642A1 - Resonanzumformer mit Stromwandler

Info

Publication number: DE102012201642A1
Application number: DE201210201642
Authority: DE
Inventors: Jan Völtzer; Norbert Glapa; Holger Bogdan; Thomas Zelder
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine schaltbare resonante elektrische Umformereinrichtung, bei der eine Induktivität im Resonanzkreis durch die Primärwicklung eines Transformators realisiert wird. Dieser Transformator dient selbst nicht der Energieübertragung zwischen Eingang und Ausgang des Umformers, kann aber vorzugsweise als Strom- bzw. Spannungssensor eingesetzt werden, um die Schaltvorgänge im Schalterkreis zu steuern. Hierzu ist die Sekundärwicklung des Transformators mit einem Verarbeitungskreis für ein durch Induktion in der Sekundärwicklung generiertes Signal verbunden. Erfindungsgemäß kann ein nichtisolierender DC/DC-Wandler, ein isolierender DC/DC-Wandler (mit einem zusätzlichen Isolationstransformator) oder ein AC/DC-Wandler (mit einer vorgeschalteten AC/DC-Stufe, insbesondere PFC-Stufe) realisiert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Umformer wie z. B. Leistungswandler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Konverter mit einem eingangsseitigen Resonanzkreis.
2. Stand der Technik
Üblicherweise werden resonante oder quasi-resonante Konvertertopologien verwendet, um hocheffiziente Schaltnetzteile (SNT) auch Schaltnetzgeräte genannt (englisch: SMPS – switched mode power supply oder einfach switching power supply) herzustellen. Hierdurch kann ein Schalten der Leistungsschalter bei Nullspannung und/oder Nullstrom erreicht werden.
Ein Beispiel eines quasi-resonanten Vollbrückenkonverters mit Phasenverschiebung ist aus der US-Patentschrift US 6,504,739 B2 bekannt und in 1 dargestellt, welche der genannten Patentschrift entnommen wurde. Als Resonanzkreis werden die parasitären Kapazitäten der Schalter kombiniert mit einem zusätzlichen in Reihe geschalteten Induktor verwendet, um ein weiches Schaltverhalten zu erzielen.
Der Konverter 30 enthält eine Eingansspannungsquelle 32, einen primären Schalterkreis 34, einen Transformator 36, einen Gleichrichterkreis 38, einen primären Steuerkreis 40 und einen sekundären Steuerkreis 42. Der Resonanzkreis wird aus den parasitären Kapazitäten der vier Schalter Q_A, Q_B, Q_C und Q_D sowie einem zusätzlich in Reihe geschalteten Induktor (L_R) gebildet.
Für die Steuerung des eingangsseitigen Schalterkreises ist es weiterhin wünschenswert, eine Messung elektrischer Größen wie z. B. Strom und/oder Spannung vorzunehmen. Dies erfolgt vor allem eingangsseitig (primärseitig). Zusätzlich kann auch noch eine ausgangsseitige (sekundärseitige) Messung erfolgen (Feedback). Ein Beispiel eines isolierten quasi-resonanten Vollbrückenkonverters mit primärseitiger Stromüberwachung ist aus der Patentschrift US 7,821,797 B2 bekannt und in 2, die der genannten Patentschrift entnommen wurde, dargestellt. Der Konverter in 2 verwendet eine digitale Steuerung auf der Sekundärseite, und ein zusätzlicher Transformator wird verwendet, um den Primärstrom zu messen und darauf beruhend das Schaltverhalten des Konverters zu steuern. Die elektrische Energie von einer eingangsseitigen Energiequelle 1, angeschlossen an die Anschlüsse T11 und T12 wird zunächst in einen Schalterkreis SW in eine variable Spannung/eine variablen Strom gewandelt, und über einen Transformator T1 und einen Gleichrichter- und Glättungskreis SR zu einem an die Anschlüsse T21 und T22 auf der Sekundärseite angeschlossenen Lastkreis übertragen. Der primärseitige Resonanzkreis wird aus den parasitären Kapazitäten der Schalter QA, QB, QC und QD des Schalterkreises SW sowie der zusätzlichen Induktivität L1 gebildet. Ein zusätzlicher Transformator CT ist zwischen dem Spannungseingang und dem Schalterkreis vorgesehen. Seine Sekundärseite ist mit einem Widerstand R3 und einer Gleichrichterdiode T3 verbunden, so dass ein Spannungssignal entsprechend dem Primärstrom des Transformators CT gewonnen werden kann. Ein solches Signal wird dem sekundärseitigen digitalen Steuerkreis 10 zugeführt, der wiederum über einen weiteren Zusatztransformator T2 einen primärseitigen Treiberkreis 11 für den Schalterkreis SW ansteuert.
Die primärseitige Messung kann auch unter Verwendung zusätzlicher Sekundärwicklungen auf dem Haupttransformatorkern erfolgen, wie in 3 gezeigt, die der US-Patentschrift US 5,418,703 A entnommen wurde.
In 3 bilden die zwischen einer Gleichspannungsquelle 55 und der Primärwicklung 56 des Transformators 59 angeordneten MOSFETs 51, 52, 53 und 54 einen Schalterkreis in Vollbrückenanordnung, mit dem Null-Spannungsschalten bei vorgegebener Frequenz realisiert werden kann. Der Transformator 59 hat zwei Sekundärwicklungen 61 und 63. Die Sekundärwicklung 61 gehört zum Hauptausgabeabschnitt 65, von dem Spannung V_a ausgegeben wird.
Die zweite Sekundärwicklung 63 versorgt einen Hilfskreis mit einer regulierbaren Ausgabe. Der Hilfskreis enthält einen Sekundärgleichrichter mit den Dioden 67 und 71, deren Anoden über einen jeweiligen Sättigungstransformator 72 bzw. 76 an gegenüberliegende Enden der Sekundärwicklung 63 angeschlossen sind und deren Katoden miteinander verbunden sind. Die gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung 63 sind hierbei jeweils an den Enden der Eingangswicklungen 73 und 75 der jeweiligen Sättigungstransformatoren 72 bzw. 76 angeschlossen. Der Ausgang der Dioden 67 und 71 ist über eine Induktivität mit der positiven Ausgangsklemme des Hilfskreises verbunden. Ein Mittenabgriff der Sekundärspule 63 stellt den negativen Gleichspannungsausgang des Hilfskreises bereit. Zwischen dem positiven und dem negativen Ausgang sind parallel zueinander ein Ausgangskondensator 81 und ein Entladungswiderstand 83 geschaltet. Eine magnetische Verstärkungssteuerung 85 empfängt die Ausgangsspannung des Hilfskreises, V₁, als Eingangssignal und steuert einen Rückstellstrom durch die den jeweiligen Sättigungstransformatoren 72 und 76 zugeordneten Ausgangswicklungen 87 und 89. Hierbei ist ein Ende der Ausgangswicklung 87 für den Sättigungstransformator 72 mit einem Ende der Eingangswicklung 75 der Sättigungsdrossel verbunden. Das andere Ende der Ausgangswicklung 87 ist mit der Anode einer Diode 91 verbunden. Die Katode der Diode 91 ist mit der magnetischen Verstärkungssteuerung 85 verbunden. Die Ausgangswicklung 89 des Sättigungstransformators 76 ist mit einem Ende der Eingangswicklung 73 der Sättigungsdrossel verbunden. Das andere Ende der Ausgangswicklung 89 ist mit der Anode einer Diode 93 verbunden. Die Katode der Diode 93 ist mit der Katode der Diode 91 verbunden.
Eine andere Schaltung eines primärseitigen Resonators, der sogenannte LLC-Schaltung mit zwei Induktivitäten und einer Kapazität ist in 4 gezeigt, die der US-Patentschrift US 6,437,994 B1 entnommen wurde. Hierbei erfolgt die Primärstrommessung mit einem Abgriff am Ausgang des Schalterkreises 1. Dies kann z. B. mit einem Widerstand parallel zum Induktor 11 geschehen.
Der Schalterkreis 1 arbeitet als Inverter, um die Eingangsleistung aus einer Gleichspannungsquelle 2 in eine Wechselspannungsausgabe an den Klemmen 3 und 4 zu wandeln. Der Schalterkreis umfasst zwei zueinander in Reihe geschaltete Hochfrequenzschalter 5 und 6, sowie zu den jeweiligen Schaltern parallel geschaltete Dioden 7 und 8. Weiterhin ist ein LLC-Resonanzkreis mit dem Kondensator 9 und den Induktivitäten 10 und 11 vorgesehen. Der Resonanzkreis ist parallel zur zweiten Diode 8 geschaltet und Induktor 11 parallel zu den Ausgangsklemmen 3 und 4 angeordnet. Die Wechselspannung wird über die Klemmen 18 und 19 einem Vollbrückengleichrichter 12 mit den Dioden 13, 14, 15 und 16 zugeführt. Ein Filterkondensator 17 ist parallel mit dem Gleichrichter 12 verbunden. Die Ausgangs-Gleichspannung wird an den Klemmen 20 und 21 ausgegeben.
Im unteren Bereich der 4 ist ein Steuerkreis gezeigt, der Steuersignale A und B zum Schalten der Schalter 5 und 6 über die Ausgangsklemmen 23 und 24 umfasst. Die Frequenz der Steuersignale A und B wird mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler 25 bestimmt, der die Treiberstufe 22 steuert. Eine Eingangsspannung des Spannungs-Frequenz-Wandlers 25 wird von einem Fehlerverstärker 26 zugeführt, der eine über einen Eingang 27 zugeführte Referenzspannung mit einem Ausgang des Addiergliedes 28 vergleicht. Das Addierglied 28 stellt ein Summensignal aus einem ersten Steuersignal (einer Ausgangsspannung des Konverters, über Eingangsklemmen 29a zugeführt) und einem zweiten Steuersignal 29b bereit. Das zweite Steuersignal wird wiederum aus dem Gesamtausgangsstrom I (dem Laststrom und dem Resonanzstrom) des Konverters gebildet. Der Strom I kann bei einer vorgegebenen Frequenz durch die Spannung über den Kondensator 9, die Induktivität 10 oder die Induktivität 11 gegeben sein. Der Strom I wird von einem Stromsensor 58 gemessen, im Gleichrichter 30 gleichgerichtet, durch ein Filter 31 gefiltert, im Differenzierglied 32 differenziert und vom Dämpfungsglied 29c auf eine für die Eingabe in das Addierglied 28 geeignete Größe skaliert.
Ein Nachteil einer solchen Schaltung besteht in ihrer erheblichen Komplexität.
Ein weiterer resonanter LLC-Konverter ist in 5 dargestellt, die der US-Patentanmeldung US 2011/0103112 A1 entnommen ist. Hier wird der Resonanzkreis durch die Elemente L_r, C_r, L_m gebildet. Zusätzlich ist ein Transformator CT als Stromsensor zur Ansteuerung der Schalter Q_A, Q_B, Q_C und Q_D vorgesehen. Auch dieser Aufbau hat den Nachteil erheblicher Kosten, da ein zusätzlicher Transformator im Schaltkreis erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten Umformer bereitzustellen, bei dem ein primärseitiger Resonanzkreis und eine primärseitige Signalerfassung auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisiert werden können.
Dies wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Umformer bereitgestellt. Der Umformer umfasst eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen einer Eingangsspannung von einer Energiequelle. Der Umformer umfasst weiterhin einen Schalterkreis zum Wandeln der Eingangsspannung in eine Zwischenspannung, einen Resonator mit wenigstens einem kapazitiven und einem induktiven Element, wobei das induktive Element als Transformator ausgebildet ist, sowie einen Glättungskreis zum Gleichrichten und Glätten eines durch Umformen wenigstens in dem Schalterkreis und dem Resonator aus der Eingangsspannung erhaltenen elektrischen Signals. Darüber hinaus umfasst der Umformer eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem Glättungskreis erhaltenen Spannung. Schließlich umfasst der Umformer einen Steuerkreis zum Steuern von Ein/Aus-Schaltvorgängen im Schalterkreis.
Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, einen primärseitigen Resonanzkreis in einem Leistungswandler zu realisieren, in dem im Wesentlichen die Primärwicklung eines Transformators als Induktivität verwendet wird. Dieser Transformator dient nicht selbst zur Energieübertragung auf das Ausgangssignal des Umformers und ist somit insbesondere verschieden von einem im Falle eines isolierenden Umformers zusätzlich zwischen Spannungsein- und -ausgabe geschalteten Isolationstransformators. Da ein Transformator gleichzeitig als Sensorelement eines Strom- bzw. Spannungsdetektors dienen kann, lässt sich auf diese Weise eine Primärstrom- bzw. Spannungsmessung ohne zusätzlichen Hardwareaufwand kostengünstig erzielen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dies mit einem Detektor realisiert, der den Transformator des Resonators als Sensor verwendet. Der Detektor umfasst neben dem Sensor eine Verarbeitungseinheit, die mit dem Steuerkreis verbunden ist. Der Detektor erkennt hierbei ein elektrisches Signal in dem Resonatorkreis, und der Steuerkreis steuert die Ein/Aus-Schaltvorgänge im Schalterkreis basierend auf dem von dem Detektor erkannten Signal.
Vorzugsweise erfolgt die Steuerung durch den Steuerkreis weiterhin basierend auf einem sekundärseitig erfassten Signal. Hierfür kann ein zweiter Detektor zum Erkennen eines Ausgabesignals des Glättungskreises vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Steuerkreis eingerichtet, mit einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis zu kommunizieren.
Vorzugsweise wird eine parasitäre Kapazität des Schalterkreises als kapazitives Element im Resonator verwendet. Die Kapazität kann durch einen zusätzlich in den Resonatorkreis aufgenommenen Kondensator verändert werden.
Ebenfalls vorzugsweise ist der Steuerkreis ein digitaler Steuerkreis. Weiter vorzugsweise handelt es sich um einen digitalen Signalprozessor (DSP).
Vorzugsweise ist der Glättungskreis ein Synchrongleichrichterkreis mit einem Synchrongleichrichterelement. Der Steuerkreis enthält dann zusätzlich einen Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Synchrongleichrichterelements. Alternativ kann die Steuerung des Synchrongleichrichters auch von einem separaten Steuerkreis vorgenommen werden. Ein Synchrongleichrichter, bei dem aktive Schalter verwendet werden, hat einerseits Vorteile bei hohen Ausgangsströmen, da dann bei Dioden hohe resistive Verluste auftreten würden. Andererseits erlaubt er einen bidirektionalen Betrieb, indem der Synchrongleichrichter als Inverter und der Schalterkreis als Gleichrichter betrieben wird.
Es ist weiter vorzugsweise ein Treiberkreis zum Vorbehandeln der Signale, so dass sie von dem Synchrongleichrichter verarbeitet werden können, vorgesehen. Eine Treiberschaltung ist vorzugsweise auch vorgesehen zum Vorbehandeln der Ein/Aus-Signale zwischen dem Steuerkreis und dem Schalterkreis.
Vorzugsweise sind der oder die Detektoren insbesondere Spannungs- und/oder Stromdetektoren. Auf diese Weise wird eine vollständige Bereitstellung der ggf. für die Steuervorgänge erforderlichen elektrischen Signale erreicht.
Vorzugsweise umfasst der Umformer weiterhin einen Isolationstransformator mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung. Die von dem Schalterkreis erzeugte Zwischenspannung wird über den Resonator an die Primärwicklung des Isolationstransformators angelegt und eine in der Sekundärwicklung des Isolationstransformators induzierte Wechselspannung wird dem Glättungskreis zugeführt. Auf diese Weise lässt sich mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Umformers z. B. ein DC/DC-Wandler (DC = „direct current” – Gleichstrom) mit galvanischer Trennung von Ein- und Ausgang realisieren.
Weiter vorzugsweise umfasst der Umformer einen isolierenden Signalübertrager zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Isolationstransformators. Auf diese Weise lassen sich für die Steuerung erforderliche Messsignale bzw. Steuersignale über die Isolationsbarriere des Isolationstransformators übertragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der isolierende Signalübertrager einen Fotokoppler, einen Transformator oder einen Impulstransformator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich der Steuerkreis und ein Detektor auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Isolationstransformators. Dabei wird ein von dem Detektor erfasstes Signal über den isolierenden Signalübertrager zu dem Steuerkreis übertragen.
Vorzugsweise umfasst der Umformer weiterhin einen Modulator zum Aufmodulieren eines über den isolierenden Signalübertrager zu übertragenden Signals auf ein Trägersignal, um ein Modulationssignal zu erhalten. Auf der anderen Seite der Isolationsbarriere ist ein Demodulator zum Extrahieren des Ausgangssignals aus dem Modulationssignal vorgesehen. Ein solcher Aufbau ermöglicht es, kostengünstige nichtlineare Übertragungselemente in dem isolierenden Signalübertrager zu verwenden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Umformer einen ersten und einen zweiten Steuerkreis auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Isolationstransformators, wobei eine Kommunikation zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerkreis über den isolierenden Signalübertrager erfolgt. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise vorteilhaft, wenn einerseits umfangreiche Kommunikationsvorgänge zwischen der Steuerung des Umformers und dem Lastkreis erforderlich sind, und andererseits ein erhöhter Steueraufwand für den primärseitigen Schalterkreis auftritt, da dann die jeweilige Signalkommunikation ohne Überschreiten der Isolationsbarriere ausgeführt werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Glättungskreis einen Synchrongleichrichter, und der erste Steuerkreis (primärseitig) Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Schalterkreises und der zweite Steuerkreis (sekundärseitig) Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Synchrongleichrichters. Der zweite Steuerkreis ist weiterhin eingerichtet mit einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis zu kommunizieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Umformer einen zwischen der Spannungseingabeeinheit und dem Schalterkreis angeordneten AC/DC-Wandler (AC = „alternating current” – Wechselstrom). Damit kann der erfindungsgemäße Umformer in einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Schaltnetzgerät verwendet werden.
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. Darüber hinaus kann zusätzlich an einem Ausgang der PFC-Stufe ein primärseitiger Eingangsdetektor zum Erfassen eines in der PFC-Stufe erzeugten elektrischen Signals vorhanden sein.
Weiter vorzugsweise steuert der Steuerkreis zusätzlich die Ein/Aus-Schaltvorgänge des PFC-Konverters, um zu erreichen, dass der von der Energiequelle empfangene Eingansstrom 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 angeordnet ist.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird eine von dem Resonator ausgegebene Spannung unmittelbar an den Glättungskreis weitergegeben und von diesem verarbeitet. Auf diese Weise wird ein nichtisolierender DC/DC-Wandler mit erfindungsgemäßem Aufbau realisiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in der detaillierten Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei:
1 eine Darstellung eines herkömmlichen Vollbrückenwandlers mit Synchrongleichrichtern zeigt,
2 einen Schaltplan eines herkömmlichen isolierenden DC/DC-Wandlers zeigt,
3 ein Schema eines herkömmlichen magnetischen Verstärkers ist, der bei Nullspannung geschaltet werden kann,
4 einen Schaltplan eines herkömmlichen Konverters mit einem LLC-Resonator darstellt,
5 einen anderen, im Stand der Technik bekannten, Wandler mit LLC-Resonator darstellt,
6 ein Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
7 eine Detaildarstellung eines Resonators mit angeschlossenem Detektor und eines Isolationstransformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
8 eine Detaildarstellung von Resonator mit angeschlossenem Detektorkreis und Isolationstransformator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
9 eine Detaildarstellung eines Resonatorkreises mit angeschlossenem Detektor und eines Isolationstransformators gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
10 ein weiteres Beispiel für einen AC/DC-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
11 eine Detaildarstellung eines Schalterkreises mit integriertem Resonator gemäß der Ausführungsform von 10 darstellt,
12 ein Ersatzschaltbild für einen realen Transformator darstellt, und
13 eine Detaildarstellung eines Resonators mit angeschlossenem Detektorkreis eines Isolationstransformators gemäß dem Ersatzschaltbild der 12 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Umformer (Konverter), insbesondere für ein Schaltnetzteil, bereit, der eine hohe Funktionalität bei einfachem Aufbau und niedrigen Kosten ermöglicht.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltnetzteil mit einem quasi-resonanten oder resonanten Konverter bereitgestellt, bei dem eine Induktivität (magnetisches Speicherelement) eines Resonators als ein Transformator realisiert ist. Dabei erfüllt der Transformator im Resonatorkreis gleichzeitig zwei verschiedene Aufgaben: Einerseits dient er als Resonanzelement und andererseits als Signaldetektor zum Steuern der Schalterelemente des Konverters. Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die übliche Konfiguration eines resonanten Umformers mit einem Resonator und wenigstens einem darüber hinaus zusätzlich erforderlichen Signaldetektor zu vereinfachen, so dass insgesamt eine geringere Anzahl von Bauteilen in der Schaltung erforderlich ist.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Umformer (AC/DC-Konverter) gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt. Der Umformer in 6 umfasst einen AC/DC-Konverter 102, einen Schalterkreis 103, einen Resonator 104, einen Isolationstransformator 105, einen Gleichrichter- bzw. Glättungskreis 106, einen Detektor 107, einen digitalen Signalprozessor 110 und einen Isolator 111. Der digitale Signalprozessor 110 ist auf der Primärseite vorgesehen und mit zwischengeschalteten Detektorverarbeitungskreisen 109 und 114 mit dem Resonator 104 bzw. dem AC/DC-Konverter 102 verbunden. Zur Vorverarbeitung von Steuersignalen sind weiterhin zwischen dem digitalen Signalprozessor 110 und dem AC/DC-Konverter 102 bzw. dem Schalterkreis 103, Treiberkreise 113 und 115 vorgesehen.
Der an eine Wechselstromquelle 101 als erste Stufe angeschlossene AC/DC-Wandler 102 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 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 und/oder seriell geschaltet sind und mit einer Phasendifferenz geschaltet werden können. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der PFC-Konverter einen brückenlosen Leistungsfaktorkorrekturkreis.
Der an den Ausgang der PFC-Stufe 102 angeschlossene Schalterkreis 103 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. Der Resonator 104 umfasst einen Transformator, der gleichzeitig als Sensorelement eines Strom-/ bzw. Spannungsdetektors (116 in 7) dient, der darüber hinaus den Detektorverarbeitungskreis 109 umfasst. Wie man leicht erkennt, ist der Transformator des Resonators 104 getrennt und verschieden von dem Isolationstransformator 105 und dient selbst nicht der Energieübertragung von dem Eingangs- zum Ausgangssignal. Details möglicher Ausführungsformen des Resonators werden weiter unten unter Bezug auf die Darstellungen in den 7 bis 9, 12 und 13 gegeben.
Der Isolationstransformator 105 ist primärseitig an den Resonator 104 angeschlossen. Die galvanische Trennung von Primär- und Sekundärwicklung (Isolationsbarriere) soll durch die gepunktete Senkrechte in 6 dargestellt werden.
Angeschlossen an die Sekundärwicklung des Isolationstransformators 105 ist ein Gleichrichter- und Glättungskreis 106 zum Gleichrichten und Glätten eines in der Sekundärwicklung induzierten Wechselstroms. Am sekundärseitigen Ausgang ist ein Lastkreis 108 angeordnet.
Die Ausgangsspannung (und vorzugsweise auch der Ausgangsstrom) können mit dem Detektor 107 gemessen werden. Dies kann zum Beispiel mit einem parallel zu den Ausgangsklemmen geschalteten Spannungsteiler geschehen. Vom Detektor 107 detektierte Messdaten werden über den Isolator 111 durch die Isolationsbarriere zum primärseitigen DSP-Kontroller 110 übertragen.
Die Übertragung der Messsignale vom Detektor 107 zum DSP-Kontroller 110 über die Isolationsbarriere kann vorzugsweise in modulierter Form erfolgen. Dabei ist sekundärseitig zwischen dem Detektor 107 und dem isolierenden Signalübertrager 111 zusätzlich ein Modulator (nicht dargestellt) angeordnet, der ein DC-Ausgangssignal auf ein Trägersignal aufmoduliert. Dies kann zum Beispiel mit Pulsbreitenmodulation, Frequenzmodulation oder Phasenmodulation erfolgen. Der Vorteil einer Übertragungstechnik mit einem Modulationssignal liegt darin, dass kostengünstigere Elemente mit nichtlinearer Kennlinie für die Übertragung verwendet werden können.
Der isolierende Signalübertrager (kurz: Isolator) 111 wird vorzugsweise als ein Optokoppler, ein Transformator oder ein Impulstransformator implementiert.
Wenn die Signale von der Sekundärseite in modulierter Form übertragen werden, so ist primärseitig zwischen Isolator 111 und DSP-Kontroller 110 weiterhin ein Demodulator erforderlich (nicht dargestellt). Der Demodulator kann auch in dem DSP integriert sein. Der Demodulator extrahiert das Ursprungssignal aus dem Modulationssignal und DSP 110 steuert den Schalterkreis 103 basierend auf den im Resonator 104 gemessenen und vom Detektorverarbeitungskreis 109 verarbeiteten Signalen. In der vorliegenden Ausführungsform steuert DSP 110 weiterhin Ein/Aus-Schaltvorgänge 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 über den Detektorverarbeitungskreis 114 zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus können zur Steuerung der Ein/Aus-Schaltvorgänge der PFC-Stufe zusätzlich auch die Signale der Detektoren 107 und 116 verwendet werden.
7 zeigt einen Detailausschnitt aus 6, umfassend den Resonator 104 mit angeschlossenem Detektorsignalverarbeitungskreis 109 und den Isolationstransformator 105. Der Resonator 104 umfasst neben einem kapazitiven 402 und einem weiteren induktiven Element 403 (parallel zur Primärwicklung des Isolationstransformators 105) einen Transformator 401, dessen Primärwicklung vom Resonatorstrom auf dem Weg vom Schalterkreis 103 zum Isolationstransformator 105 durchflossen wird. Der Transformator 401 dient weiterhin als Sensorelement eines Detektors (Detektor 116; in den Patentansprüchen als erster Detektor definiert). Der Detektor 116, in 7 dargestellt durch einen gestrichelten Rahmen, umfasst weiterhin einen Detektorverarbeitungskreis 109, der die von dem als Sensor arbeitenden Transformator empfangenen Signale weiterverarbeitet und, wie in 6 dargestellt, an den DSP-Steuerkreis 110 weiterleitet. Detektorverarbeitungskreis 109 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden.
Mit der im Resonator gezeigten weiteren Induktivität 403 entspricht 7 dem Fall eines LLC-Resonanzkreises. Anstelle eines zusätzlichen Bauteils kann die Induktivität 403 aufgrund der in einem realen Transformator vorhandenen Hauptinduktivität realisiert werden, wie dies in 8 dargestellt ist. Wie in 8 gezeigt, umfasst der reale Transformator 105b (vereinfacht dargestellt) einen idealen Transformator 105a, sowie eine zusätzliche parallele Hauptinduktivität und eine serielle Streuinduktivität. Wird der Transformator 105 mit einem hohen Koppelfaktor (nahe eins) ausgelegt, kann die Streuinduktivität allerdings vernachlässigt werden. Alternativ kann die Streuinduktivität auch gezielt zur Auslegung der Übertragungsfunktion des Resonators 104 genutzt werden. In der Regel ist somit der reale Transformator 105b Teil des Resonanzkreises.
Anstelle des LLC-Resonanzkreises kann der Resonator 104 auch als ein Serien-Resonanzkreis bestehend aus einer Induktivität und einer Kapazität realisiert werden. Das Prinzip einer solchen Anordnung ist vereinfacht in 9 dargestellt.
Die Arbeitsweise eines mit einem Transformator implementierten Sensors wird im Folgenden unter Bezug auf das vereinfachte Schaltbild der 9 beschrieben. Ein Transformator, der zur Bestimmung eines Wechselstroms in einem Leiter verwendet wird, wird auch als Stromwandler bezeichnet. Der Stromwandler hat zum Beispiel auf der Primärseite n₁ Windungen und auf der Sekundärseite n₂ Windungen. Für den idealen Transformator gilt dann, dass das Verhältnis der Beträge des Primär- (I₁) und des Sekundärstroms (I₂) sich umgekehrt proportional zum Verhältnis n₁/n₂ verhält: |I₁|/|I₂| = n₂/n₁. (1)
Der Strom I₁ kann mittels der Gleichung (1) näherungsweise durch die Messung des Stroms I₂ und die Kenntnis der Anzahl der Windungen n₁ und n₂ bestimmt werden. Das in der Sekundärwicklung induzierte Signal wird in dem angeschlossenen Detektorverarbeitungskreis 109 für die Weiterleitung an den digitalen Signalprozessor 110 weiterverarbeitet. In dem Resonanzkreis der Abbildung von 9 ist ein Stromwandler 401 in Reihe mit einem Kondensator dargestellt.
Ein einfaches Ersatzschaltbild des Stromwandlers ist in 12 dargestellt.
Eine Detaildarstellung des Resonators 104 unter Verwendung des Ersatzschaltbildes aus 12 ist in 13 gezeigt.
Zur Bestimmung der Resonatorspannung/des Resonatorstroms kann als Teil des Detektorverarbeitungskreises 109 beispielsweise ein Widerstand verwendet werden, welcher auch als Bürde bezeichnet wird. Alternativ ist ein Strommessgerät Teil des Detektorverarbeitungskreises 109. Um den Transformator 401 nicht nur zur Messung der Stromstärke und zur potentialfreien Messung z. B. auf hohen Spannungen zu benutzen, sondern auch als Dimensionierungsbestandteil des Resonanzkreises, müssen neben den Widerständen 302, 304 und 305 insbesondere die Streuinduktivitäten (301, 306) und die Hauptinduktivität (303) berücksichtigt werden. Aus den drei Induktivitätswerten lässt sich dann eine effektive Induktivität berechnen. Mittels der effektiven Induktivität und dem Resonanzkondensator kann dann beispielsweise über die Beziehung f_res = 1/(2π√(L_effC)) die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt werden.
Eine weitere Ausführungsform eines AC/DC-Konverters gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 10 dargestellt. Hierbei bedeuten gleiche Bezugszeichen wie in 6 entsprechende Elemente. Die Ausführungsform nach 10 unterscheidet sich von 6 insbesondere dadurch, dass der Resonator und der Schalterkreis in integrierter Form realisiert sind.
Eine Detaildarstellung ist in 11 gezeigt. Der mit dem Resonator integrierte Schalterkreis 112 umfasst hierbei einen Schalterkreis in Vollbrücken-Topologie mit vier in zwei Schaltersträngen angeordneten Halbleiterschaltern. Vorzugsweise werden als Halbleiterschalter MOSFETs verwendet. Die beiden Schalterstränge sind mit unterschiedlichen Enden der Primärwicklung des Isolationstransformators 105 verbunden. Hierbei erfolgt die Verbindung der Schalterstränge mit dem Isolationstransformator 105 über die Primärwicklung des Transformators 401, der wie oben beschrieben als Stromsensor dient, und dessen Sekundärwicklung mit dem Detektorverarbeitungskreis 109 verbunden ist. Der Resonator wird hierbei von der Induktivität des Transformators 401 und den parasitären Kapazitäten der Halbleiterschalter (im Bild jeweils parallel zu den Schaltelementen dargestellt) gebildet. Der gezeigte Aufbau ermöglicht eine besonders kompakte und damit kostengünstige Realisierung.
Die vorliegende Erfindung 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.
Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer DC/DC-Umformer realisiert werden, wenn ohne die vorgeschaltete AC/DC-Wandlerstufe 102 ein Eingangs-Gleichstromsignal direkt an den Schalterkreis 103 bzw. 112 angeschlossen wird. Ein solcher DC/DC-Wandler kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl als isolierender und auch als nichtisolierender Wandler realisiert sein. Bei einem nichtisolierenden Wandler entfällt zusätzlich der Isolationstransformator 105. Durch den Wegfall der Isolationsbarriere vereinfacht sich die Schaltung weiterhin dadurch, dass kein isolierender Signalübertrager 111 erforderlich ist.
Bei einem isolierenden Umformer kann alternativ der Steuerkreis auch sekundärseitig realisiert werden. Dann kann eine Ansteuerung eines sekundärseitigen Synchrongleichrichters und eine Kommunikation mit Lastkreis und sekundärseitigen Detektoren direkt erfolgen. Für den Empfang von primärseitigen Detektorsignalen und die Ansteuerung des primärseitigen Schalterkreises 103 sowie optional einer PFC-Stufe 102 muss dann allerdings die Isolationsbarriere des Transformators 105 mit einem isolierenden Signalübertrager 111 überschritten werden.
Zusammenfassend, betrifft die vorliegende Erfindung eine schaltbare resonante elektrische Umformereinrichtung, bei der eine Induktivität im Resonanzkreis durch die Primärwicklung eines Transformators realisiert wird. Dieser Transformator dient selbst nicht der Energieübertragung zwischen Eingang und Ausgang des Umformers, kann aber vorzugsweise als Strom- bzw. Spannungssensor eingesetzt werden, um die Schaltvorgänge im Schalterkreis zu steuern. Hierzu ist die Sekundärwicklung des Transformators mit einem Verarbeitungskreis für ein durch Induktion in der Sekundärwicklung generiertes Signal verbunden. Erfindungsgemäß kann ein nichtisolierender DC/DC-Wandler, ein isolierender DC/DC-Wandler (mit einem zusätzlichen Isolationstransformator) oder ein AC/DC-Wandler (mit einer vorgeschalteten AC/DC-Stufe, insbesondere PFC-Stufe) realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6504739 B2 [0003]
US 7821797 B2 [0005]
US 5418703 A [0006]
US 6437994 B1 [0009]

Claims

Umformer, umfassend: eine Spannungseingabeeinheit zum Empfangen einer Eingangsspannung von einer Energiequelle (101), einen Schalterkreis (103, 112) zum Wandeln der Eingangsspannung in eine Zwischenspannung, einen Resonator (104, 112) mit wenigstens einem kapazitiven und einem induktiven Element, wobei das induktive Element als Transformator (401) ausgebildet ist, einen Glättungskreis (106) zum Gleichrichten und Glätten eines durch Umformen wenigstens in dem Schalterkreis (103, 112) und dem Resonator (104, 112) aus der Eingangsspannung erhaltenen elektrischen Signals, eine Spannungsausgabeeinheit zum Ausgeben einer von dem Glättungskreis (106) erhaltenen Spannung und einen Steuerkreis (110) zum Steuern von Ein/Aus-Schaltvorgängen im Schalterkreis (103, 112).
Umformer nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen ersten Detektor (116) zum Erkennen wenigstens eines elektrischen Signals, wobei der Steuerkreis (110) die Ein/Aus-Schaltvorgänge im Schalterkreis (103, 112), basierend auf einem von dem ersten Detektor (116) erkannten Signal steuert, und der erste Detektor (116) den Transformator (401) des Resonators (104) als Sensor und eine Verarbeitungseinheit (109) umfasst, die mit dem Steuerkreis (110) verbunden ist.
Umformer nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen zweiten Detektor (107) zum Erkennen wenigstens eines von dem Glättungskreis (106) ausgegebenen Signals, wobei der Steuerkreis (110) die Ein-/Ausschaltvorgänge im Schalterkreis (103, 112) weiterhin basierend auf einem von dem zweiten Detektor erkannten Signal steuert.
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Steuerkreis (110) eingerichtet ist, mit einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis (108) zu kommunizieren.
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das kapazitive Element des Resonators (112) wenigstens eine parasitäre Kapazität des Schalterkreises (112) umfasst.
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Steuerkreis (110) ein digitaler Steuerkreis ist.
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Glättungskreis (106) ein Synchrongleichrichterkreis mit einem Synchrongleichrichterelement ist, und der Steuerkreis (110) einen Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Synchrongleichrichterelements enthält.
Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der erste und/oder der zweite Detektor (107, 116) einen Spannungsdetektor und/oder einen Stromdetektor umfassen.
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend einen Isolationstransformator (105) mit gegeneinander isolierter Primär- und Sekundärwicklung, wobei die von dem Schalterkreis (103, 112) erzeugte Zwischenspannung über den Resonator (104, 112) an die Primärwicklung des Isolationstransformators (105) angelegt wird, und eine in der Sekundärwicklung des Isolationstransformators (105) induzierte Wechselspannung dem Glättungskreis (106) zugeführt wird.
Umformer nach Anspruch 9 mit einem isolierenden Signalübertrager (111) zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Isolationstransformators (105).
Umformer nach Anspruch 10, wobei der isolierende Signalübertrager (111) einen Photokoppler, einen Transformator oder einen Impulstransformator enthält.
Umformer nach Anspruch 10 oder 11 wobei sich der Steuerkreis (110) und ein Detektor (107) auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Isolationstransformators befinden, und ein von dem Detektor (107) erfasstes Signal über den isolierenden Signalübertrager (111) zu dem Steuerkreis (110) übertragen wird.
Umformer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin umfassend einen Modulator zum Aufmodulieren eines über den isolierenden Signalübertrager (111) zu übertragenden Signals auf ein Trägersignal, um ein Modulationssignal zu erhalten, und einen Demodulator zum Extrahieren des Ausgangssignals aus dem Modulationssignal, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen des Modulationssignals von dem isolierenden Signalübertrager (111).
Umformer nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit einem ersten (110) und einem zweiten Steuerkreis auf unterschiedlichen Seiten der Isolationsbarriere des Isolationstransformators (105), wobei eine Kommunikation zwischen dem ersten (110) und dem zweiten Steuerkreis über den isolierenden Signalübertrager (111) erfolgt.
Umformer nach Anspruch 14, bei dem der Glättungskreis (106) einen Synchrongleichrichter umfasst, und der erste Steuerkreis Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Schalterkreises und der zweite Steuerkreis Schaltregler zum Steuern der Ein/Aus-Schaltvorgänge des Synchrongleichrichters enthält und eingerichtet ist, mit einem an die Spannungsausgabeeinheit angeschlossenen Lastkreis (108) zu kommunizieren.
Umformer nach einem der Ansprüche 9 bis 15, weiterhin umfassend einen zwischen der Spannungseingabeeinheit und dem Schalterkreis (103, 112) angeordneten AC/DC-Wandler (102).
Umformer nach Anspruch 16, 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.
Umformer nach Anspruch 16 oder 17, 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).
Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine von dem Resonator (104, 112) ausgegebene Spannung unmittelbar von dem Glättungskreis (106) verarbeitet wird.