DE102014118506A1

DE102014118506A1 - AC/DC-Wandler mit geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodi und Steuerung der Harmonischen am DC-Ausgang

Info

Publication number: DE102014118506A1
Application number: DE102014118506.4A
Authority: DE
Inventors: Yi Tang; Weifu Yu
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-06-18
Also published as: CN104716853B; US9455620B2; CN104716853A; US20150171734A1

Abstract

Verfahren, Vorrichtungen und Schaltkreise für einen AC/DC-Tiefsetzsteller mit einer Steuerung von Harmonischen am DC-Ausgang sind offenbart. Ein Beispiel ist auf einen AC/DC-Wandler gerichtet, der zum Erzeugen eines DC-Ausgangsstroms bei einer Zielausgangsspannung ausgebildet ist. Der Wandler ist dazu ausgebildet, ansprechend auf eine AC-Eingangsspannung, die geringer als die Zielausgangsspannung ist, die AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, ansprechend auf die AC-Eingangsspannung, die größer als die Zielausgangsspannung ist, einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, einen zweiten Anteil der WS-Eingangsspannung als eine gepufferte DC-Spannung zu puffern. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, die gepufferte DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung anzulegen.

Description

Diese Offenbarung betrifft elektrische Leistungswandler und insbesondere Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler (AC/DC-Wandler).
Tiefsetz- oder Hochsetzsteller (engl.: buck or boost converters) können als Treiber für Lasten mit spezifischen Strom- und/oder Spannungsanforderungen verwendet werden. Ein Tiefsetzsteller legt eine Ausgangsspannung an, die geringer ist als seine Eingangsspannung. Ein Wechselstrom-/Gleichstrom-(AC/DC)-Wandler kann auch eine Tiefsetzfähigkeit aufweisen. Dieser kann als ein Zwei-Stufen-Wandler ausgeführt sein, der eine erste Stufe in Form eines Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-(PFC)-Wandlers mit einer kaskadierten zweiten Stufe in Form eines Tiefsetzstellers für zusätzliche Tiefsetzfähigkeit kombiniert. Ein Wandler mit einer Hochsetzfähigkeit stellt eine Ausgangsspannung bereit, die größer als die Eingangsspannung ist. Ein PFC-Wandler bietet in gewissem Umfang eine Leistungsfaktorkorrektur, um der einer AC/DC-Wandlung inhärenten, nachteiligen, vorauseilenden oder nacheilenden Impedanz entgegenzuwirken. In anderen Beispielen kann ein Abwärts-Aufwärts-Wandler (engl.: buck-boost converter) als ein PFC-Wandler ausgeführt sein.
AC/DC-Wandler können eine Brummspannung der zweiten Ordnung am Gleichstrom-Ausgang zeigen. Ein Hochsetzsteller kann mit einem zusätzlichen Brummunterdrückungswandler (engl.: ripple cancelling converter), der am Ausgang hinzugefügt ist, realisiert sein. Ein zusätzlicher Gleichrichterwandler kann die Brummspannung am Gleichstrom-Ausgang des Hochsetzstellers zu einem beigestellten Kondensator umleiten. Ein Hochsetzsteller kann auch mit einer zusätzlichen Induktivität und einem zugeordneten Schaltkreis und mit MOSFET- oder IGBT-Brücken anstelle einer Diodenbrücke realisiert sein, um Zwischenkreisbrummen (engl.: DC-link ripple) zu begegnen.
Im Allgemeinen betreffen verschiedene Beispiele dieser Offenbarung einen AC/DC-Wandler mit sowohl Hochsetz- als auch Tiefsetzfähigkeiten, mit einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus und mit einer Steuerung der Harmonischen am Gleichstrom-Ausgang (DC-Ausgang). In verschiedenen Beispielen dieser Offenbarung kann ein AC/DC-Wandler mit einer Steuerung der Harmonischen am DC-Ausgang eine wirksame Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und eine wirksame AC/DC-Leistungswandlung mit Hochsetz- und Tiefsetzfähigkeiten, sowie andere Vorteile ermöglichen. Beispielsweise kann ein Wandler dieser Offenbarung Steuerverfahren umfassen, um Harmonische zweiter und vierter Ordnung ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades zu einem beigestellten Pufferkondensator abzuleiten, die ansonsten am Zwischenkreis auftreten würden.
Ein Beispiel ist auf einen AC/DC-Wandler gerichtet, der dazu ausgebildet ist, einen Ausgangsgleichstrom bei einer Zielausgangsspannung zu erzeugen. Der Wandler ist dazu ausgebildet, als Antwort auf eine AC-Eingangsspannung, die geringer als die Zielausgangsspannung ist, die AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, ansprechend auf eine AC-Eingangsspannung, die größer ist als die Zielausgangsspannung, einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, einen zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine gepufferte DC-Spannung umzuwandeln. Der Wandler ist zudem dazu ausgebildet, die gepufferte DC-Spannung auf die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung anzulegen.
Ein weiteres Beispiel betrifft ein Verfahren zur AC/DC-Wandlung, um einen Ausgangsgleichstrom bei einer Zielausgangsspannung zu erzeugen. Das Verfahren umfasst, als Reaktion auf eine AC-Eingangsspannung, die geringer als die Zielausgangsspannung ist, das Umwandeln der AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung. Das Verfahren umfasst zudem, als Reaktion auf eine AC-Eingangsspannung, die größer als die Zielausgangsspannung ist, das Umwandeln eines ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung. Das Verfahren umfasst zudem das Puffern eines zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung zu einer gepufferten DC-Spannung. Das Verfahren umfasst zudem das Anlegen der gepufferten DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte AC-Ausgangsspannung.
Ein weiteres Beispiel betrifft eine Vorrichtung zum Empfangen einer AC-Eingangsspannung und Erzeugen eines Ausgangsgleichstroms bei einer Zielausgangsspannung. Die Vorrichtung umfasst Mittel zum Bestimmen, ob die AC-Eingangsspannung geringer als die Zielausgangsspannung ist. Die Vorrichtung umfasst zudem Mittel um, als Reaktion auf die AC-Eingangsspannung, die geringer als die Zielausgangsspannung ist, die AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Die Vorrichtung umfasst zudem Mittel um, als Reaktion auf die AC-Eingangsspannung, die größer als die Zielausgangsspannung ist, einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Die Vorrichtung umfasst zudem Mittel zum Puffern eines zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung zu einer gepufferten DC-Spannung. Die Vorrichtung umfasst zudem Mittel, um die gepufferte DC-Spannung auf die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung anzulegen.
Die Details von einem oder mehreren Beispielen der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Objekte und Vorzüge der Erfindung sind anhand der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Patentansprüchen ersichtlich.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Tiefsetzsteller mit einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Tiefsetzsteller mit einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus gemäß einem weiteren Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Brummunterdrückungs-Tiefsetzcontroller (engl.: ripple cancelling buck controller), der einige Funktionen einer PWM-Steuereinheit aus 1 oder 2 umsetzt, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung zeigt.
4 zeigt einen Graphen einer DC-Ausgangsspannung in Abwesenheit einer DC-Puffer-Harmonische-Unterdrückungssteuerung (engl.: DC buffer harmonic cancelling control) gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
5 zeigt einen Graphen einer DC-Ausgangsspannung eines Wandlers mit einer GS-Puffer-Harmonische-Unterdrückungssteuerung gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
6 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Tiefsetzsteller mit einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Aufwärts- und Tiefsetzmodus und mit Spannungs- und Strommessgeräten zum Bewerten von Übertragungsindikationen verschiedener Spannungs- und Stromwerte gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Steuereinheit zeigt, die Indikationen verschiedener Spannungs- und Stromwerte (Pegel) von einem Wandler empfängt und zumindest teilweise auf den Spannungs- und Stromwerten basierend Steuersignale erzeugt, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Tiefsetz-Steuereinheit zeigt, die Indikationen verschiedener Spannungs- und Stromwerte (Pegel) von einem Wandler empfängt und zumindest teilweise auf den Spannungs- und Stromwerten basierend Steuersignale erzeugt, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
9 ist ein Blockdiagramm einer Ausgangsschnittstelle (z.B. eines Oszilloskops), das Indikationen verschiedener Spannungs- und Stromwerte (Pegel) von einem Wandler zeigt, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
10 zeigt einen Graphen verschiedener Spannungswerte eines Wandlers über der Zeit, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle gezeigt sein können, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
11 zeigt einen Graphen verschiedener Stromwerte (Pegel) eines Wandlers über die Zeit, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle gezeigt sein können, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
12 zeigt einen weiteren Graphen verschiedener Spannungs- und Stromwerte (Pegel) eines Wandlers über der Zeit, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle gezeigt sein können, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines AC/DC-Tiefsetzstellers zeigt, der, neben anderen Vorteilen, eine Steuerung von Harmonischen eines Ausgangsgleichstroms aufweist, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung.
Wie oben erwähnt kann in verschiedenen Beispielen dieser Offenbarung ein AC/DC-Wandler mit einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus neben anderen Vorteilen eine Steuerung Harmonischer am DC-Ausgang (engl.: DC output harmonic control), eine wirksame Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und eine wirksame AC/DC-Leistungswandlung mit Tiefsetz- und Hochsetzfähigkeiten, ermöglichen. Beispielsweise kann ein Wandler dieser Offenbarung Harmonische zweiter Ordnung ohne zusätzliche Nachteile zu einem beigestellten Kondensator ableiten, die ansonsten an einem Zwischenkreis erscheinen würden. In manchen Beispielen kann ein Wandler dieser Offenbarung mit einem brückenlosen dreistufigen Hochsetzsteller und mit einem DC-Puffer-Kondensator mit einem Tiefsetzsteller, der einen Teil einer Eingangsleistung an die Last umwandeln kann, implementiert sein. Ein Wandler dieser Offenbarung kann eine fortgeschrittene Steuerung eines Brummens der Spannung am DC-Ausgang anwenden, wodurch neben anderen Vorteilen eine wirksamere Leistungsumwandlung und eine Reduktion der Belastungen auf für nachgeschaltete Komponenten bereitgestellt werden.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Tiefsetzsteller 100 veranschaulicht, der in einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus betrieben werden kann, gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung. Der Wandler 100 umfasst einen Netzspannungseingang 102, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung oder Netzspannung V_g zu erhalten; einen Ausgangsknoten 104 und einen Ausgangskondensator 106 (Co), der dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung V_o bereitzustellen. Die Ausgangsspannung V_o kann von einer mit dem Ausgangsknoten 104 verbundenen Last 108 erhalten werden. Der Wandler 100 umfasst zudem eine Hochsetzinduktivität 112 (L1) und eine Tiefsetzinduktivität 114 (L2); MOSFET-Schalter 120, 122, 124, 126 und 128 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5) („Schalter 120–128“); Dioden 132, 134, 136 und 138 (D1, D2, D3, D4); einen Pufferkondensator 152 (Cdc); und eine Pulsweitenmodulations-(PWM-)Steuereinheit 162. (1 zeigt auch die Widerstände RL1, RL2 und RL3, aber diese bezeichnen den parasitären Widerstand der Induktivitäten L1 und L2 bzw. den Pufferkondensator Cdc und sind keine separaten physischen Widerstände. 1 zeigt auch die Knoten 121, 131 und 133, die weiter unten im Vergleich mit 2 beschrieben werden). Die Steuereinheit 162 ist mit den Schaltern 120, 122, 124, 126 und 128 über die Gates G1, G2, G3, G4 bzw. G5 operativ verbunden (Verbindungen in 1 nicht gezeigt) und ist dadurch in der Lage, die Schalter 120–128 zu öffnen und zu schließen.
Die Steuereinheit 162 kann auch Eingangssignale, die die Spannungswerte (Spannungspegel) der Eingangsspannung V_g und der Ausgangsspannung V_o anzeigen, empfangen. Die Steuereinheit 162 kann die Schalter 120–128 und den Wandler 100 im Allgemeinen dazu steuern, in einem von verschiedenen Betriebsmodi zu arbeiten, und zwar zumindest teilweise basierend auf der Eingangsspannung V_g und der Ausgangsspannung V_o und ihren entsprechenden Spannungswerten (Pegel). Beispielsweise kann die Steuereinheit 162 in einem Beispiel den Wandler 100 dahingehend steuern, dass er in einem ersten Modus mit einem Hochsetzen einer Spannung arbeitet, wenn die Eingangs-AC-Spannung V_g geringer als die Ausgangsspannung V_o ist, und in einem zweiten Modus arbeitet, der zwischen geklemmter Hochsetz- und Tiefsetzwandlung alterniert, wenn eine Eingangs-AC-Spannung V_g großer als die Ausgangsspannung V_o ist. Die Steuereinheit 162 kann auch eine Darstellung einer erforderlichen Ausgangsspannung speichern oder darauf zugreifen und einen Betriebsmodus (z.B. den ersten Modus oder den zweiten Modus) auswählen, um eine Ausgangsspannung V_o anzulegen, die bei der erforderlichen Ausgangsspannung oder innerhalb eines Nominalbereichs der erforderlichen Ausgangsspannung liegt, ungeachtet dessen, ob die Eingangsspannung V_g geringer oder größer als die erforderliche Ausgangsspannung ist.
Im ersten Modus, wenn die Eingangs-AC-Spannung V_g geringer als die erforderliche Ausgangsspannung ist, konfiguriert die Steuereinheit 162 den Wandler 100 dazu, eine die Eingangs-AC-Spannung V_g hochzusetzen und die Eingangs-AC-Spannung in eine erhöhte Ausgangsgleichspannung zu wandeln. Insbesondere wenn die Eingangsspannung V_g positiv und geringer als die Ausgangsspannung V_o ist, steuert die Steuereinheit 162 die Schalter 124 (Q3) und 122 (Q2) dahingehend, dass sie stets eingeschaltet (leitend) sind, und verwendet den Schalter 120 (Q1) als Hochsetzschalter. Die Dioden 134 (D2) und 138 (D4) sind nicht leitend. In dieser Konfiguration funktionieren der Schalter 120 (Q1), die Diode 132 (D1) und die Hochsetzinduktivität 112 (L1) als Spannungsinverter und führen dazu, dass der Wandler 100 die Eingangs-AC-Spannung V_g einstufig hochsetzt und die resultierende erhöhte Ausgangsgleichspannung direkt an den Ausgangsknoten 104 anlegt. Wenn die Eingangsspannung V_g negativ und geringer ist (in ihrem absoluten Wert |V_g|) als die Ausgangsspannung V_o, steuert die Steuereinheit 162 die Schalter 124 (Q3) und 122 (Q2), die Diode 134 (D2) und die Aufwärtsinduktivität 112 (L1) dahingehend, als Spannungsinverter zu wirken, was wiederum dazu führt, dass der Wandler 100 die Eingangs-AC-Spannung V_g einstufig hochsetzt und die resultierende erhöhte Ausgangsgleichspannung direkt an den Ausgangsknoten 104 anlegt. Der Wandler 100 invertiert dabei die Spannung der Eingangs-AC-Spannung während der negativen Anteile der AC-Phase und setzt die Spannung über die gesamte Phase hoch, um eine Ausgangsgleichspannung zu erzeugen.
Im zweiten Modus, wenn die Eingangs-AC-Spannung V_g größer als die erforderliche Ausgangsspannung ist, konfiguriert die Steuereinheit 162 den Wandler 100 dazu, ein geklemmte Hochsetzen und Tiefsetzen auf die AC-Eingangsspannung in verschiedenen Abschnitten ihrer Phase anzuwenden, um eine Ausgangsgleichspannung V_o zu erzeugen, die geringer als die AC-Eingangsspannung |V_g| ist. Der Wandler 100 arbeitet in diesem zweiten Modus falls die AC-Eingangsspannung |V_g| größer als die erforderliche Ausgangsspannung ist.
Im zweiten Modus konfiguriert die Steuereinheit 162 den Wandler 100 dazu, die Eingangs-AC-Spannung in zwei Anteile zu teilen, einen ersten Anteil, der in dem Intervall abgenommen wird, in dem sich die Eingangs-AC-Spannung in dem Abschnitt ihrer AC-Phase befindet, in dem sie geringer als die erforderliche Ausgangsspannung ist, und einen zweiten Anteil, der in dem Intervall abgenommen wird, in dem sich die Eingangs-AC-Spannung in dem Abschnitt ihrer AC-Phase befindet, in dem sie größer als die erforderliche Ausgangsspannung ist. Die Steuereinheit 162 konfiguriert den Wandler 100 dazu, den ersten Anteil der Eingangs-AC-Spannung in eine geklemmte, erhöhte Ausgangsgleichspannung umzuwandeln. Die Steuereinheit 162 konfiguriert den Wandler 100 dazu, den zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung tiefzustellen und zu puffern und den tiefgestellten und gepufferten zweiten Spannungsanteil auf die geklemmte, erhöhte Ausgangsgleichspannung anzuwenden. Aufgrund des Pufferns wendet der Wandler 100 den tiefgestellten und gepufferten zweiten Spannungsanteil auf die Ausgangsspannung außer Phase mit der Phase der geklemmten, hochgesetzten Ausgangsgleichspannung vom ersten Spannungsanteil an, und zwar auf eine Weise, um den Anteil reduzierter Energie der Phase des ersten Spannungsanteils zu kompensieren und das Brummen am Ausgang aufzuheben. Der Wandler 100 erzeugt dabei eine Ausgangsgleichspannung aus einer höheren AC-Eingangsspannung, die von der AC-Eingangsspannung netto tiefgestellt und auf einem präzisen Spannungswert mit geringem Brummen gehalten wird.
In einem speziellen Beispiel eines Wandlers 100, der im zweiten Modus arbeitet, konfiguriert die Steuereinheit 162, wenn die AC-Eingangsspannung |V_g| größer als die erforderliche Ausgangsspannung ist, wenn die AC-Eingangsspannung V_g positiv ist, den Wandler 100 dazu, den Schalter 120 (Q1) ausgeschaltet (offen und nicht leitend), Schalter 122 (Q2) eingeschaltet (leitend) zu lassen und Schalter 124 (Q3) als Hauptsteuerschalter zu verwenden. In dieser Konfiguration verwendet der Wandler 100 den Schalter 124 (Q3), die Hochsetzinduktivität 112 (L1) und die Dioden 132 (D1) und 134 (D2) dazu, als dreistufiger Wandler zu arbeiten, der ein geklemmtes Hochsetzen bereitstellt. Der Wandler 100 moduliert den Schalter 124 (Q3) gemäß der Eingangsspannung |V_g| und der DC-Pufferkondensator-Spannung V_GS am DC-Pufferkondensator 152. Wenn der Schalter 124 (Q3) eingeschaltet ist, fließt Strom durch die Hochsetzinduktivität 112 (L1), Diode 132 (D1) und den Schalter 124 (Q3) und fällt dann zurück, um durch den Schalter 122 (Q2) zu fließen. Die Dioden 132 (D1) und 134 (D2) fungieren als Klemmdioden, die zum Klemmen der Spannung beitragen. Das Umwandeln des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in die geklemmte, erhöhte Ausgangsgleichspannung kann das Leiten des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung durch eine Aufwärtsinduktivität 112 (L1) und die Klemmdioden 132 (D1) und 134 (D2) hin zum Ausgangsknoten 104 umfassen. Die Spannung an der Aufwärtsinduktivität 112 (L1) wird bei |V_g| – V_o geklemmt und der Wandler 100 legt die geklemmte Spannung direkt an den Ausgangsknoten 104 an. Der Rest der durch die Hochsetzinduktivität 112 (L1) hindurchtretenden Energie, der über den Pegel der Klemmspannung steigt, wird durch die Tiefsetzinduktivität 114 (L2) hin zum DC-Pufferkondensator 152 geleitet, anstatt an den Ausgangsknoten 104 zu gehen, und akkumuliert sich im DC-Pufferkondensator 152.
Wenn der Schalter 124 (Q3) ausgeschaltet ist, fließt der Strom durch die Hochsetzinduktivität 112 (L1), die Diode 134 (D2) und den DC-Pufferkondensator 152 und fällt zurück, um durch den Schalter 126 (Q4) zu fließen. Die Leistung wird auf den DC-Pufferkondensator 152 hochgesetzt. Ein Teil des Wandlers 100 wirkt als ein Tiefsetzsteller, um die hochgesetzte Energie vom DC-Pufferkondensator 152 auf die Last 108 zu wandeln. Insbesondere umfasst der als Tiefsetzsteller verwendete Teil des Wandlers 100 den DC-Pufferkondensator 152, die Tiefsetzinduktivität 114 (L2) und die Schalter 126 (Q4) und 128 (Q5).
Die Steuereinheit 162 moduliert den Tiefsetzstelleranteil des Wandlers 100, um die Spannung V_GS am DC-Pufferkondensator 152 zu steuern. Der Wandler 100 teilt die Eingangsenergie in zwei Teile in verschiedenen Abschnitten der AC-Eingangsphase auf. Mit dem Steigen und Fallen der AC-Eingangsspannung während ihrer AC-Phase, verbringt ihr Momentanwert einen Teil der AC-Phase unterhalb der Zielausgangsspannung und einen Teil der AC-Phase oberhalb der Zielausgangsspannung. Diese zwei Anteile können als durch einen Cutoff-Wert getrennt betrachtet werden.
Im ersten Abschnitt der AC-Eingangsphase, wenn sich die Eingangsspannung unterhalb des Cutoff-Werts befindet, hält die Steuereinheit 162 den Schalter 124 (Q3) eingeschaltet, was der Energie erlaubt, von der Hochsetzinduktivität 112 (L1) direkt zum Ausgangskondensator 106 des Ausgangsknotens 104 zu fließen. Im zweiten Abschnitt der AC-Eingangsphase, wenn sich die Eingangsspannung oberhalb des Cutoff-Werts befindet, hält die Steuereinheit 162 den Schalter 124 (Q3) ausgeschaltet, wodurch die Energie umgeleitet wird und von der Aufwärtsinduktivität 112 (L1) durch die Dioden 134 (D2) oder 128 (D4) zum DC-Pufferkondensator 152 fließt. Sobald der AC-Eingang gefallen ist und die Eingangsenergie wieder unterhalb des Cutoff-Werts liegt, gibt die Steuereinheit 162 Energie aus dem DC-Pufferkondensator 152 durch die Schalter 126 (Q4) und 128 (Q5) durch die Abwärtsinduktivität 114 (L2) zum Ausgangskondensator 106 des Ausgangsknoten 104 frei.
Der Wandler 100 verwendet dabei den DC-Pufferkondensator 152, um den zweiten Anteil der Eingangsenergie, die Brummenergie, während des Abschnitts der AC-Eingangsphase, in der die AC-Eingangsspannung oberhalb der erforderlichen Ausgangsgleichspannung liegt, zu speichern. Der Wandler 100 arbeitet als Tiefsetzsteller, indem er die Schalter 126 (Q4) und 128 (Q5) schaltet, um Energie durch den DC-Pufferkondensator 152 und den Abwärtsinverter 114 (L2) zu kanalisieren, um diesen zweiten Anteil der Eingangsenergie während des Abschnitts der AC-Eingangsphase, in dem die AC-Eingangsspannung unterhalb der erforderlichen Ausgangsspannung liegt, an die Last 108 zu wandeln. Der Wandler 100 hebt dadurch das Ausgangsspannungsbrummen auf. Daher setzt der Wandler 100 die Eingangsspannung zum DC-Pufferkondensator 152 hin hoch und verringert die DC-Pufferkondensator-Spannung V_GS zur Ausgangsspannung am Ausgangskondensator 106 und zum Ausgangsknoten 104 hin, wodurch das Ausgangsbrummen aufgehoben und die Ausgangsgleichspannung V_o geglättet wird. Diese Brummunterdrückung und Ausgangsspannungsglättung ist in den nachfolgenden Figuren weiter abgebildet und nachfolgend weiter beschrieben.
Der Wandler 100 ist daher ein AC/DC-Wandler, der dazu ausgebildet ist, einen Ausgangsgleichstrom bei einer Zielausgangsspannung zu erzeugen. Der Wandler 100 ist dazu ausgebildet, als Reaktion auf eine AC-Eingangsspannung an einem Netzspannungseingang 102, die geringer als die Zielausgangsspannung ist, die AC-Eingangsspannung in eine erhöhte Ausgangsgleichspannung am Ausgangsknoten 104 umzuwandeln. Der Wandler 100 ist dazu ausgebildet, als Reaktion auf die AC-Eingangsspannung, die größer als die Zielausgangsspannung ist, die AC-Eingangsspannung in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, die durch einen Cutoff-Wert in einer AC-Phase der AC-Eingangsspannung getrennt sind, zu trennen, wobei der Cutoff-Wert auf die Zielausgangsspannung eingestellt ist; einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, hochgesetzte Ausgangsgleichspannung zu wandeln, die durch den Schalter 124 (Q3) zum Ausgangsknoten 104 geleitet wird; einen zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung zu einer gepufferten DC-Spannung am DC-Pufferkondensator 152 zu puffern; und die gepufferte DC-Spannung auf die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung anzulegen. Der Wandler 100 kann die gepufferte DC-Spannung durch die Abwärtsinduktivität 114 (L2) leiten, bevor die tiefgesetzte, gepufferte DC-Spannung auf die geklemmte, hochgesetzte DC-Ausgangsspannung angelegt wird. Das Umwandeln des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in die geklemmte, hochgesetzte DC-Ausgangsspannung kann das Leiten des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung durch einen Hochsetzsteller und das Klemmen von Dioden an den Ausgangsknoten 104 umfassen.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Wandler 200 mit einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus gemäß einem weiteren Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht. Der Wandler 200 hat viele Komponenten mit Wandler 100 aus 1 gemein, die in 2 mit identischer Nummerierung und in einer ähnlichen Topologie wie in Wandler 100, jedoch mit einigen wesentlichen Unterschieden, dargestellt sind. Während der Wandler 100 zwischen den Schaltern 120 (Q1) und 122 (Q2) einen mit dem Ausgang 108 verbundenen Knoten 121 umfasst, fehlt Knoten 121 beim Wandler 200. Der Wandler 200 umfasst auch zwei zusätzliche Dioden 242 (D5) und 244 (D6), die zu den mit dem Eingang verbundenen Knoten 131 und 133 der Dioden 132 (D1) und 136 (D3) entgegengesetzt angeordnet sind. Der Wandler 200 ist in der Lage, einen im Vergleich zu Wandler 100 aus 1 niedrigeren Gleichtaktstrom zu halten, während er dieselben Funktionen, einschließlich Brummunterdrückung und Ausgangspannungsglättung, wie oben beschrieben durchführt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Brummunterdrückungs-Tiefsetzsteuereinheit (engl.: ripple cancelling buck controller) 300 gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung zeigt, der manche Funktionen der PWM-Steuereinheit 162 aus 1 oder 2 implementiert.. Die Tiefsetzsteuereinheit 300 kann in Hardware, Software oder einer beliebigen Kombination der beiden, als Teil der PWM-Steuereinheit 162 aus 1 oder 2 realisiert sein. Die Tiefsetzsteuereinheit 300 kann eine Brummunterdrückungs-Tiefsetzsteuerung mit einer DC-Ausgangs-Brummunterdrückungsschleife und einer Steuerung der Oberschwingungen implementieren, wie etwa durch das Betätigen der Schalter 126 (Q4) und 128 (Q5) aus 1 oder 2, um die Brummunterdrückung zu steuern.
Die Tiefsetzsteuereinheit 300 umfasst einen Hochpassfilter 302 mit einem Frequenz-Cutoff, der eine Darstellung der Ausgangsspannung V_o, wie etwa am Ausgang 108 in den Wandlern 100 oder 200, empfängt. Der Frequenz-Cutoff kann in einem Beispiel bei 80 Hertz (Hz) liegen, oder kann bei einem anderen Frequenzwert, der signifikant höher als die erwartete AC-Eingangsspannungsfrequenz ist, liegen, wie etwa 100, 120 oder 150 Hz, oder jedem Wert, der für die Systemparameter innerhalb der nominalen konstruktiven Gestaltung geeignet ist. Der auf die Ausgangsspannung V_o angewandte Hochpassfilter 302 erhält für jede Brummspannung, die in der Ausgangsspannung V_o auftritt, eine Darstellung der Brummspannung.
Die Tiefsetzsteuereinheit 300 umfasst zudem eine proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung 304, die dazu ausgebildet sein kann, um Resonanzen der Harmonischen der zweiten und vierten Ordnung zu steuern, und zwar relativ zur AC-Eingangsspannung. Die proportionale Resonanz-Oberschwingungssteuerung 304 kann dazu ausgebildet sein, eine Resonanz Harmonischer zweiter Ordnung und in manchen Beispielen zusätzlich eine oder mehrere Harmonische höherer Ordnung, einschließlich vierter Ordnung zu steuern. Beispielsweise kann die proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung 304 bei einer Implementierung für eine AC-Eingangsspannungsfrequenz von 50 Hz wirken, um die Resonanzen der Harmonischen der zweiten und vierten Ordnung bei 100 Hz und 200 Hz zu steuern. In einem anderen Beispiel, das für eine WS-Eingangsspannungsfrequenz von 60 Hz implementiert ist, kann die proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung 304 wirken, um die Resonanzen der Harmonischen der zweiten und vierten Ordnung bei 120 Hz und 240 Hz zu steuern. Ohne Brummunterdrückungssteuerung, wenn Energie vom AC-Eingang zu DC über die Diode 134 (D2) geleitet wird, können hohe Harmonische der zweiten und vierten Ordnung enthalten sein. Die proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung 304 kann wirken, um diese Harmonischen aufzuheben.
Die Tiefsetzsteuereinheit 300 umfasst zudem einen Doppelleitung-Frequenzkerbfilter (engl.: double line frequency notch filter) 306, der eine Darstellung der DC-Pufferkondensatorspannung V_GS, wie etwa von dem GS-Pufferkondensator 152 aus 1 oder 2, empfängt. Der Ausgang des Doppelleitung-Frequenzkerbfilters 306 und eine DC-Pufferkondensatorspannungsreferenz können verglichen und durch ein proportionales Integral 308 verarbeitet werden. Die DC-Spannungsschleife kann verwendet werden, um die Spannung des DC-Pufferkondensators 152 zu steuern. Das Doppelleitung-Frequenzkerbfilter 306 kann eingesetzt werden, um die Störung des DC-Pufferkondensators 152 durch die Brummspannung zweiter Ordnung zu eliminieren.
Die Ausgänge der proportionalen Resonanz-Harmonische-Steuerung 304 und des proportionalen Integrals 308 können verglichen und als Referenzwert I_L2ref für den Tiefsetzinduktivitätsstrom I_L2 der Tiefsetzinduktivität 114 (L2) verwendet werden. Die Tiefsetzsteuereinheit 400 kann den Tiefsetzinduktivität-Referenzwert I_L2ref mit dem Tiefsetzinduktivitätsstrom I_L2 der Tiefsetzinduktivität 114 (L2) vergleichen und die Ergebnisse durch ein proportionales Integral 310 und einen PWM-Generator 312 verarbeiten, welches an die Tiefsetzanordnung 314 ausgegeben wird. Die Tiefsetzanordnung 314 ist eine Anzeige des Ausgangssignals zur Steuerung der Komponenten der Wandler 100 oder 200, die als Tiefsetzsteller wirken, wie etwa die Schalter 126 (Q4) und 128 (Q5). Die Tiefsetzsteuereinheit 300 kann dabei die Tiefsetzstellerkomponenten von Wandler 100 oder 200 steuern, einschließlich des DC-Pufferkondensators 152 und der Tiefsetzspule 114 (L2), um das Brummen der Ausgangsspannung aufzuheben. Die Tiefsetzsteuereinheit 300 kann daher die Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, zumindest teilweise basierend auf der Darstellung des Abwärtsinduktivitätsstroms aufheben.
Die Tiefsetzsteuereinheit 300 kann daher die gepufferte DC-Spannung in einer Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten GS-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, anwenden. Dies kann umfassen: das Empfangen einer Darstellung der geklemmten, hochgesetzten DC-Ausgangsspannung, z.B. der Ausgangsspannung V_o, die durch das Hochpassfilter 302 erhalten wird; das Empfangen einer Darstellung der gepufferten DC-Spannung V_GS, z.B. mit dem Doppelleitung-Frequenzkerbfilter 306; und das Bestimmen der Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten GS-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, basierend zumindest teilweise auf der Darstellung der geklemmten, hochgesetzten DC-Ausgangsspannung und der Darstellung der gepufferten DC-Spannung.
4 zeigt einen Graphen 400 einer DC-Ausgangsspannung V_o in Abwesenheit einer DC-Puffer-Harmonische-Unterdrückungssteuerung in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung. Wie in 4 gezeigt, zeigt der Graph 400 die Zeit auf der X-Achse (in Sekunden), die Spannung auf der Y-Achse und die Ausgangsspannung 410 als eine Funktion der Zeit. Wie in 4 gezeigt, hat die Ausgangsspannung 410 einen Durchschnittswert von ungefähr 245 Volt und ein Brummen von ungefähr plus oder minus 15 Volt bei einer Frequenz von ungefähr 100 Hertz, was eine Harmonische zweiter Ordnung darstellt (und das Brummen zeigt eine gewisse Irregularität, was für eine zusätzliche Harmonische vierter Ordnung symptomatisch ist). Dieses Brummen könnte unerwünschte Belastungen oder Resonanzen in nachgeschalteten Bauelementen verursachen, welche jede Art von empfindlichen oder wertvollen Bauelementen umfassen können.
5 zeigt einen Graphen 500 einer DC-Ausgangsspannung V_o von Wandler 100 oder 200 mit der Implementierung einer GS-Puffer-Harmonische-Unterdrückungssteuerung, in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung. 5 zeigt auch die Zeit auf der X-Achse (in Sekunden) und die Spannung auf der Y-Achse (obwohl in einem geringfügig anderen Maßstab als 4 von 100 bis 250 anstatt von 100 bis 260). Wie in 5 gezeigt hat die Ausgangsspannung 510 einen Durchschnittswert von ungefähr 245 Volt, das Brummen ist aber unterdrückt. Stattdessen zeigt die Ausgangsspannung 510 leichte Variationen innerhalb ungefähr plus oder minus eines Volts, die zumindest signifikant nicht-periodisch sind, was nahelegt, dass sie das verbleibende Ergebnis von Systemrauschen und/oder Messgerätrauschen, mit sehr wenig bis gar keinem verbleibenden Brummen, sind. Manche Beispiele können ein Ausgangsspannungsbrummen erzeugen, das reduziert, aber weiterhin detektierbar ist, während manche Beispiele eine Ausgangsspannung erzeugen können, die frei von detektierbarem Brummen ist.
Der Wandler 100 oder 200 dieser Offenbarung kann somit eine Ausgangsspannung mit Brummunterdrückung erzeugen. Der Wandler 100 oder 200 kann auch eine Ausgangsspannung mit einem Einheitsleistungsfaktor (Leistungsfaktor von 1,0) erzeugen. Während manche herkömmlichen AC/DC-Wandler mit Einheitsleistungsfaktor ein Totzonenartefakt (engl.: dead zone artefact) der AC-Eingangsspannung und der resultierenden Harmonischen des Stroms zeigen, weil von dem nahe bei null liegenden AC-Eingangssignal während Übergängen zwischen positiven und negativen Abschnitten der AC-Phase kein DC-Ausgangssignal übertragen wird, ermöglichen der gepufferte GS-Ausgang und die Brummunterdrückung des Wandlers 100 oder 200 dieser Offenbarung zusätzlich dazu einen Einheitsleistungsfaktor ohne eine Totzone. Der Wandler 100 oder 200 dieser Offenbarung besitzt auch eine hohe Effizienz aufgrund von Faktoren, die umfassen: das Umwandeln der Eingangsleistung direkt an den Ausgang, wenn die Eingangsspannung sich in dem Abschnitt ihrer Phase befindet, in dem sie geringer als die Zielausgangsspannung ist, und das Implementieren eines geklemmten dreistufigen Wandlers, um die Eingangsleistung zum DC-Pufferkondensator 152 zu wandeln, wenn die Eingangsspannung oberhalb der Zielausgangsspannung ist. Der DC-Pufferkondensator 152 kann in manchen Beispielen verwendet werden, um das Ausgangsspannungsbrummen ohne eine Einbuße bei der Effizienz zu unterdrücken.
Wandler dieser Offenbarung können mit geringen Kosten eine Ausgangsspannung erzeugen, bei der das Brummen unterdrückt wurde. Angesichts der Beispiele für Wandler 100 und 200 aus 1 und 2 kann die Spannungsbelastung des Schalters 124 (Q3) entweder die Ausgangsspannung oder die Differenz zwischen der Pufferkondensatorspannung und der Ausgangsspannung sein, was immer höher ist, aber beide können relativ gering bleiben. Infolgedessen kann der Schalter 124 (Q3) mit einem auf relativ niedrige Spannungen ausgelegten und kostengünstigen MOSFET oder IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) implementiert werden. Der Tiefsetzanteil des Wandlers 100 oder 200 kann nur einen relativ geringen Anteil der Leistung des gesamten Systems übertragen. Da die Nennleistung des Tiefsetzanteils, inklusive DC-Pufferkondensator 152, im Vergleich zu der Systemleistung von Wandler 100 oder 200 relativ gering sein kann, kann der DC-Pufferkondensator 152 mit einem relativ kostengünstigen Kondensator implementiert werden. Aus denselben Gründen kann der DC-Pufferkondensator 152 in einem Kondensator mit relativ geringem Volumen implementiert sein, was eine relativ geringe Auswirkung auf das Volumen des Wandlers 100 oder 200 als Ganzes hat. Die Verwendung eines Dioden-geklemmten dreistufigen Wandlers, wie oben erwähnt, zur hauptsächlichen Leistungsfaktorkorrektur (PFC) kann zur Wirksamkeit des Wandlers 100, 200 beitragen und kann als Tiefsetzsteller wirken, ohne einen sperrigen Kühlkörper zu benötigen. Brummunterdrückung kann teilweise in einer PWM-Steuereinheit 162 mit Software implementiert sein, was die Kosten für das Erreichen analoger Ergebnisse in Hardware vermeiden kann.
6 ist ein Blockdiagramm, das einen AC/DC-Tiefsetzsteller 600 mit einem Hochsetzmodus und einem geklemmten Hochsetz- und Tiefsetzmodus und mit Spannungs- und Strommessgeräten zum Auswerten von Übertragungsdarstellungen (engl.: transmit indications) verschiedener Spannungs- und Stromwerte gemäß einem Beispiel dieser Offenbarung zeigt. Der Wandler 600 aus 6 ist analog zu dem und umfasst alle gleich nummerierten Elemente von Wandler 100 aus 1. Wandler 600 umfasst auch die Spannungsmessgeräte 602, 604, 606 und 608 und die Strommessgeräte 612, 614 und 616. Das Spannungsmessgerät 602 misst eine Netzeingangsspannung V_g (z.B. am Gitterspannungseingang 102). Das Spannungsmessgerät 604 misst eine mit dem Eingang verbundene Knotenspannung V_AB (z.B. an den mit dem Eingang verbundenen Knoten 131 und 133). Das Spannungsmessgerät 606 misst eine DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am GS-Pufferkondensator 152). Das Spannungsmessgerät 608 misst eine Ausgangsspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 und dem Ausgangsknoten 104). Das Strommessgerät 612 misst einen Hochsetzinduktivitätsstrom I_L1 (z.B. an der Aufwärtsinduktivität 112 (L1)). Das Strommessgerät 614 misst einen Tiefsetzinduktivitätsstrom I_L2 (z.B. an der Abwärtsinduktivität 114 (L2)). Das Strommessgerät 616 misst einen Belastungsstrom I_load (z.B. an einem Ausgangsknoten 104).
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Steuereinheit 700 in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht, die Darstellungen von verschiedenen Spannungs- und Stromwerten vom Wandler 600 empfängt und zumindest teilweise auf den Spannungs- und Stromwerten basierend Steuersignale erzeugt.. Die PFC-Steuereinheit 700 kann in die Steuereinheit 162 der Wandler 100, 200 oder 600 aus 1, 2 oder 6 integriert oder ein Teil von ihr sein. Die PFC-Steuereinheit 700 empfängt in diesem Beispiel Darstellungen einer Referenzausgangsspannung V_{o_ref}, einer Ausgangsspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 und dem Ausgangsknoten 104), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Aufwärtsinduktivität 112 (L1)), einer Netzeingangsspannung V_g (z.B. am Netzspannungseingang 102) und einer DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am DC-Pufferkondensator 152). Die PFC-Steuereinheit 700 erzeugt in diesem Beispiel Steuersignale für die Steuerschalter 120 (Q1), 122 (Q2) und 124 (Q3) in den Wandlern 100, 200 oder 600 basierend zumindest teilweise auf einem oder mehreren der oben beschriebenen Eingangssignale.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Tiefsetzsteuereinheit 800 in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung veranschaulicht, die Darstellungen verschiedener Spannungs- und Stromwerte vom Wandler 600 empfängt und basierend zumindest teilweise auf den Spannungs- und Stromwerten Steuersignale erzeugt. Die Tiefsetzsteuereinheit 800 kann in die Steuereinheit 162 der Wandler 100, 200 oder 600 aus 1, 2 oder 6 integriert oder ein Teil von ihr sein. Die Tiefsetzsteuereinheit 800 empfängt in diesem Beispiel Darstellungen einer Referenz-DC-Pufferkondensatorspannung V_{GS_ref}, einer DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am DC-Pufferkondensator 152), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Hochsetzinduktivität 112 (L1)), eines Laststroms I_load (z.B. an einem Ausgangsknoten 104) und einer Ausgangspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 oder am Ausgangsknoten 104). Die Tiefsetzsteuereinheit 800 erzeugt in diesem Beispiel Steuersignale für die Steuerschalter 126 (Q4) und 128 (Q5) in den Wandlern 100, 200 oder 600 basierend zumindest teilweise auf einem oder mehreren der oben beschriebenen Eingangssignale.
9 ist ein Blockdiagramm einer Ausgangsschnittstelle 900 (z.B. eines Oszilloskops) in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung, das Darstellungen verschiedener Spannungs- und Stromwerte vom Wandler 600 zeigt. Die Ausgangsschnittstelle 900 erhält in diesem Beispiel Darstellungen einer Ausgangsspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 und dem Ausgangsknoten 104), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Hochsetzinduktivität 112 (L1)), einer Netzeingangsspannung V_g (z.B. am Netzspannungseingang 102), einer DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am DC-Pufferkondensator 152), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Hochsetzinduktivität 112 (L1)) und eines Laststroms I_load (z.B. an einem Ausgangsknoten 104), wie oben beschrieben. Die Ausgangsschnittstelle 900 kann diese Werte im Laufe der Zeit anzeigen, wie in 10, 11 und 12 in manchen Beispielen gezeigt.
10 zeigt einen Graphen 1000 verschiedener Spannungswerte im Laufe der Zeit vom Wandler 600, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle 900 gezeigt werden können, in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung. Der Graph 1000 zeigt eine Spannung an einem mit dem Eingang verbundenen Knoten V_AB (z.B. an den mit dem Eingang verbundenen Knoten 131 und 133 in den Wandlern 100, 200 oder 600), eine Ausgangsspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 und Ausgangsknoten 104), eine Netzeingangsspannung V_g (z.B. am Netzspannungseingang 102) und DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am DC-Pufferkondensator 152).
11 zeigt einen Graphen 1100 verschiedener Stromwerte im Laufe der Zeit vom Wandler 600, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle 900 gezeigt sein können, in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung. Der Graph 1100 zeigt einen Hochsetzinduktivitätsstrom I_L1 (z.B. an der Hochsetzinduktivität 112 (L1)) und einen Tiefsetzinduktivitätsstrom I_L2 (z.B. an der Tiefsetzinduktivität 114 (L2).
12 zeigt einen weiteren Graphen 1200 verschiedener Spannungs- und Stromwerte im Laufe der Zeit vom Wandler 600, wie sie auf einer Ausgangsschnittstelle 900 gezeigt sein können, in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung. Der Graph 1200 zeigt Darstellungen einer Ausgangsspannung V_o (z.B. am Ausgangskondensator 106 und Ausgangsknoten 104), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Aufwärtsinduktivität 112 (L1)), einer Netzeingangsspannung V_g (z.B. am Netzspannungseingang 102), einer DC-Pufferkondensatorspannung V_GS (z.B. am DC-Pufferkondensator 152), eines Hochsetzinduktivitätsstroms I_L1 (z.B. an der Hochsetzinduktivität 112 (L1)) und eines Laststroms I_load (z.B. an einem Ausgangsknoten 104), wie oben beschrieben.
13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1300 in Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Offenbarung zum Betreiben eines AC/DC-Tiefsetzstellers veranschaulicht, der neben anderen Vorteilen eine Steuerung der Harmonischen am DC-Ausgang umfasst. Das Verfahren 1300 kann eine allgemeinere Form des Betriebs verschiedener AC/DC-Tiefsetzsteller sein, einschließlich der oben mit Bezug auf 1–12 beschriebenen Beispiele. Im Beispiel von 13 umfasst das Verfahren 1300, falls eine AC-Eingangsspannung (z.B. am Netzspannungseingang 102) geringer als die Zielausgangsspannung ist, das Umwandeln der AC-Eingangsspannung in eine hochgesetzte DC-Ausgangsspannung (z.B. am Ausgangsknoten 104) (1302). Das Verfahren 1300 umfasst zudem, falls die AC-Eingangsspannung größer als die Zielausgangsspannung ist, das Umwandeln eines ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, hochgesetzte DA-Ausgangsspannung (z.B. durch den Schalter 124 (Q3) in den Ausgangsknoten 104 gerichtet) (1304). Das Verfahren 1300 umfasst zudem das Puffern eines zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung zu einer gepufferten DC-Spannung (z.B. am DC-Pufferkondensator 152) (1306). Das Verfahren 1300 umfasst zudem das Anwenden der gepufferten DC-Spannung auf die geklemmte, hochgesetzte DC-Ausgangsspannung (z.B. am Ausgangsknoten 104) (1308).
Sämtliche der oben beschriebenen Schaltkreise, Vorrichtungen und Verfahren können beispielsweise gänzlich oder teilweise von jeder der verschiedenen Arten von integrierten Schaltkreisen, Chipsätzen und/oder anderen Vorrichtungen verkörpert oder durchgeführt werden und/oder als Software von einer Rechenvorrichtung ausgeführt werden. Dies kann Prozesse umfassen, die von einem oder mehreren Mikro-Steuereinheiten, zentralen Prozessoreinheiten (CPU), Prozessorkernen, programmierbaren Logik-Gatter-Anordnungen (FPGA), programmierbaren Logikvorrichtungen (PLD) und virtuellen Vorrichtungen durchgeführt, ausgeführt oder in diesen verkörpert sein können, die von einer oder mehreren darunterliegenden Rechenvorrichtungen oder jeder anderen Konfiguration aus Hardware und/oder Software ausgeführt werden.
Beispielsweise können die Wandler 100, 200 oder 600 oder die Steuereinheit 162 dieser Offenbarung oder Bestandteile davon als ein integrierter Schaltkreis implementiert oder verkörpert sein, der über eine beliebige Kombination aus Hardware, Logik, Allzweckprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), programmierbaren Logik-Gatter-Anordnungen (FPGA) und/oder Allzweck-Prozessorschaltkreisen ausgebildet ist, die in manchen Beispielen Softwarebefehle ausführen können, um verschiedene hierin beschriebene Funktionen durchzuführen.

Claims

AC/DC-Wandler, der dazu ausgebildet ist, eine AC-Eingangsspannung zu erhalten und eine DC-Ausgangsspannung bei einem Zielausgangsspannungspegel zu erzeugen, wobei der AC/DC-Wandler ausgebildet ist: als Reaktion darauf, das der AC-Eingangsspannungspegel geringer als der Zielausgangsspannungspegel ist, die AC-Eingangsspannung in hochgesetzte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln; und als Reaktion darauf, dass der AC-Eingangsspannungspegel größer als der Zielausgangsspannungspegel ist, einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, hochgesetzte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln; einen zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung als gepufferte DC-Spannung zu puffern; und die gepufferte DC-Spannung an die geklemmte, hochgesetzte DC-Ausgangsspannung anzulegen.
AC/DC-Wandler nach Anspruch 1, der außerdem dazu ausgebildet ist: die AC-Eingangsspannung durch einen Cutoff-Wert in einer AC-Phase der AC-Eingangsspannung in den ersten Anteil und den zweiten Anteil zu trennen.
AC/DC-Wandler nach Anspruch 2, bei dem der Cutoff-Wert auf den Zielausgangsspannungspegel eingestellt ist.
AC/DC-Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Puffern des zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung das Leiten des zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung zu einem DC-Pufferkondensator umfasst.
AC/DC-Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der außerdem dazu ausgebildet ist: den gepufferten zweiten Anteil der DC-Eingangsspannung tiefzusetzen, bevor der gepufferte zweite Anteil an die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung angelegt wird.
AC/DC-Wandler nach Anspruch 5, bei dem das Tiefsetzen des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung das Leiten des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung durch einen Tiefsetzinverter umfasst.
AC/DC-Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Umwandeln des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung das Leiten des ersten Anteils der AC-Eingangsspannung durch eine Hochsetzinduktivität und Klemmdioden an einen Ausgangsknoten umfasst.
AC/DC-Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Umwandeln der AC-Eingangsspannung in die erhöhte DC-Ausgangsspannung das Leiten der AC-Eingangsspannung durch eine Hochsetzinduktivität zu einem Ausgangsknoten umfasst.
AC/DC-Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung eine Brummphase aufweist und bei dem das Anlegen der gepufferten DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung das Anlegen der gepufferten DC-Spannung in einer Brummunterdrückungsphase umfasst, die zu der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist.
AC/DC-Wandler nach Anspruch 9, bei dem das Anlegen der gepufferten GS-Spannung in einer Brummunterdrückungsphase umfasst: das Empfangen einer Darstellung der geklemmten, erhöhten GS-Ausgangsspannung; das Empfangen einer Darstellung der gepufferten DC-Spannung; und das Bestimmen der Brummunterdrückungsphase, die zu der Brummphase der geklemmten, erhöhten GS-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, basierend zumindest teilweise auf der Darstellung der geklemmten, erhöhten GS-Ausgangsspannung und der Darstellung der gepufferten DC-Spannung.
AC/DC-Wandler nach Anspruch 10, der außerdem dazu ausgebildet ist: die Darstellung der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung durch einen Hochpassfilter und eine proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung zu leiten, die dazu ausgebildet ist, eine Resonanz einer Harmonischen zumindest zweiter Ordnung zu steuern.
AC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 10 und 11, der außerdem dazu ausgebildet ist: den gepufferten zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung durch einen Tiefsetzsteller zu leiten, wobei das Anlegen der gepufferten DC-Spannung in der Brummunterdrückungsphase zudem das Empfangen einer Darstellung über einen Abwärtsinduktivitätsstrom der Abwärtsinduktivität umfasst und wobei das Bestimmen der Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, zudem zumindest teilweise auf der Anzeige des Tiefsetzinduktivitätsstroms basiert.
Verfahren zur AC/DC-Wandlung zum Erzeugen einer DC-Ausgangsspannung bei einem Zielausgangsspannungspegel aus einer AC-Eingangsspannung, wobei das Verfahren aufweist: als Reaktion auf einen AC-Eingangsspannungspegel, der geringer als der Zielausgangsspannungspegel ist, das Umwandeln der AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung; und als Reaktion auf einen AC-Eingangsspannungspegel, der größer als der Zielausgangsspannungspegel ist, das Umwandeln eines ersten Anteils der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung; das Puffern eines zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung als eine gepufferte DC-Spannung; und das Anlegen der gepufferten DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung.
Verfahren nach Anspruch 13, das außerdem aufweist: das Teilen der AC -Eingangsspannung in den ersten Anteil und den zweiten Anteil durch einen Cutoff-Wert in einer AC-Phase der AC-Eingangsspannung, wobei der Cutoff-Wert auf die Zielausgangsspannung eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, das außerdem aufweist: das Tiefsetzen des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung, bevor der gepufferte zweite Anteil auf die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung angelegt wird, wobei das Tiefsetzen des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung das Leiten des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung durch einen Tiefsetzinverter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–15, bei dem die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung eine Brummphase aufweist und bei dem das Anlegen der gepufferten DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung das Anlegen der gepufferten DC-Spannung in einer Brummunterdrückungsphase umfasst, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Anlegen der gepufferten DC-Spannung in der Brummunterdrückungsphase aufweist: das Empfangen einer Anzeige der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung; das Empfangen einer Anzeige der gepufferten DC-Spannung; und das Bestimmen der Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, basierend zumindest teilweise auf der Darstellung der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung und der Darstellung der gepufferten DC-Spannung.
Verfahren nach Anspruch 17, das außerdem aufweist: das Leiten der Darstellung der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung durch einen Hochpassfilter und eine proportionale Resonanz-Harmonische-Steuerung, die dazu ausgebildet ist, eine Resonanz Harmonischer zumindest zweiter Ordnung zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 und 18, das außerdem aufweist: das Leiten des gepufferten zweiten Anteils der AC-Eingangsspannung durch einen Tiefsetzinverter, wobei das Anlegen der gepufferten DC-Spannung in der Brummunterdrückungsphase zudem das Empfangen einer Anzeige eines Tiefsetzinduktivitätsstroms der Abwärtsinduktivität umfasst und wobei das Bestimmen der Brummunterdrückungsphase, die der Brummphase der geklemmten, erhöhten DC-Ausgangsspannung entgegengesetzt ist, zudem zumindest teilweise auf der Anzeige des Tiefsetzinduktivitätsstroms basiert.
Vorrichtung zum Empfangen einer AC-Eingangsspannung und zum Erzeugen einer DC-Ausgangsspannung bei einer Zielausgangsspannung, wobei die Vorrichtung umfasst: Mittel um zu bestimmen, ob ein AC-Eingangsspannungspegel geringer als der Zielausgangsspannungspegel ist; Mittel, die als Reaktion auf einen AC-Eingangsspannungspegel, der geringer als der Zielausgangsspannungspegel ist, die AC-Eingangsspannung in eine erhöhte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln; und Mittel, die als Reaktion auf den WS-Eingangsspannungspegel, der größer als der Zielausgangsspannungspegel ist, einen ersten Anteil der AC-Eingangsspannung in eine geklemmte, erhöhte DC-Ausgangsspannung umwandeln; einen zweiten Anteil der AC-Eingangsspannung als eine gepufferte DC-Spannung puffern; und die gepufferte DC-Spannung an die geklemmte, erhöhte GS-Ausgangsspannung anlegen.