-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen verschiedene Beispiele auf dem Gebiet der digitalen Blindleistungskompensation (Power Factor Correction, PFC, auch bezeichnet als Powerfaktorkorrektur).
-
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, eine Blindleistungskompensation bereitzustellen oder zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
-
Die hier vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf zumindest einer der nachfolgenden Lösungen basieren. Insbesondere können Kombinationen der nachfolgenden Merkmale eingesetzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens können mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung, des Geräts oder Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Bereitstellung einer Blindleistungskompensation vorgeschlagen, wobei die Schaltung umfasst:
- – ein Schaltelement;
- – einen digitalen Pulsweitenmodulator, wobei ein Ausgang des digitalen Pulsweitenmodulators mit dem Schaltelement gekoppelt ist;
- – eine Steuereinheit;
- – einen Kombinator, der mit einem Ausgang der Steuereinheit zur Bestimmung eines kombinierten Signals basierend auf einer Ausgabe der Steuereinheit und einem Eingangssignal gekoppelt ist, wobei das kombinierte Signal zum digitalen Pulsweitenmodulator weitergeleitet wird,
- – wobei ein Ausgang des Schaltelements ein Rückkopplungssignal für den digitalen Pulsweitenmodulator und für die Steuereinheit bereitstellt, so dass ein Fehler in dem Rückkopplungssignal reduziert wird.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die Schaltung in PFC-Szenarien verwendet werden kann. Die PFC-Genauigkeit kann hoch, muss aber nicht 100 % sein. Die Schaltung kann insbesondere ein gewisses Maß an Blindleistungskompensation bieten, unmittelbar auf oder wegen einer gewissen Verzögerung, die aus der Verarbeitungszeit des Regelkreises resultieren kann.
-
Der digitale Pulsweitenmodulator kann ein wie z. B. in
DE 103 27 620 A1 beschriebener Modulator sein.
-
Der Kombinator kann ein Modulator sein, insbesondere ein Multiplikator.
-
Das blindleistungskompensierte Signal kann (für eine PFC-Last) am Ausgang des Schaltelements bereitgestellt werden.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass der digitale Pulsweitenmodulator und das Schaltelement Teil eines Klasse-D-Verstärkers sind.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass der Ausgang des Schaltelements einem Anschluss für eine Versorgungsspannung des Klasse-D-Verstärkers entspricht.
-
Daher kann der Anschluss zum Bereitstellen der Versorgungsspannung für das Schaltelement des Klasse-D-Verstärkers als Ausgang der PFC-Schaltung verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Eingangssignal der PFC-Schaltung dementsprechend mit einem Ausgangssignal des Klasse-D-Verstärkers übereinstimmen kann.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung weiter umfasst: einen mit dem Ausgang des Schaltelements gekoppelten ersten Analog-Digital-Wandler, der ein erstes digitalisiertes Signal für die Steuereinheit und den digitalen Pulsweitenmodulator bereitstellt.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung weiter umfasst: ein zwischen dem ersten Analog-Digital-Wandler und der Steuereinheit gekoppeltes Tiefpassfilter.
-
Bei einer Ausführungsform wird das erste digitalisierte Signal über ein erstes Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, zur Steuereinheit weitergeleitet.
-
Dieses Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz unter einer Welligkeitsfrequenz des Signals am Ausgang des Schaltelement haben.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung weiter umfasst: ein zweites Filter und eine Kompensationseinheit, gekoppelt zwischen dem ersten Analog-Digital-Wandler und der Steuereinheit.
-
Bei einer Ausführungsform wird das erste digitalisierte Signal über ein zweites Filter und eine Kompensationseinheit zum digitalen Pulsweitenmodulator weitergeleitet.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das zweite Filter ein Hochpassfilter und ein Tiefpassfilter umfasst.
-
Sowohl das Hochpassfilter als auch das Tiefpassfilter des zweiten Filters können eine 1 Hz betragende Grenzfrequenz haben. Dies ermöglicht Trennen des Gleichstromanteils von einer Welligkeit, die beide Teil des Signals am Ausgang des Schaltelements sein können.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Kompensationseinheit ein welligkeitskompensiertes Signal basierend auf einer Ausgabe des zweiten Filters bestimmt.
-
Die Kompensationseinheit emuliert das Signal am Ausgang des Schaltelements für den digitalen Bereich, das dann vom Pulsweitenmodulator verarbeitet wird.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Kompensationseinheit ein welligkeitskompensiertes Signal basierend auf der Ausgabe des zweiten Filters kombiniert mit einem Kompensationsverstärkungssignal bestimmt.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Eingangssignal ein Stromversorgungssignal ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung weiter umfasst: einen zum Empfangen des Stromversorgungssignals gekoppelten Gleichrichter und einen zum Bereitstellen eines zweiten digitalisierten Signals für den Kombinator basierend auf einem gleichgerichteten Stromversorgungssignal gekoppelten zweiten Analog-Digital-Wandler.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das gleichgerichtete Stromversorgungssignal zu dem Schaltelement weitergeleitet wird.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das gleichgerichtete Stromversorgungssignal über ein drittes Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, zu dem Schaltelement weitergeleitet wird.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Steuereinheit einen proportionalen und einen integrierenden Teil umfasst.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass ein Lastsignal von der Steuereinheit basierend auf deren integrierendem Teil bestimmt wird, und bei der das Lastsignal zu einer Vorverzerrungseinheit weitergeleitet wird, die in einem Pfad zwischen dem Eingangssignal und dem Kombinator angeordnet ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorverzerrungseinheit eingerichtet ist, um eine Eigenschaft des Schaltelements oder von wenigstens einer Komponente des Schaltelements zu kompensieren.
-
Die Vorverzerrungseinheit kann zum Vorverzerren des Signals basierend auf dem Lastsignal verwendet werden, sodass, zum Beispiel, eine nichtlineare Eigenschaft einer Diode, die Teil des Schaltelements ist, wenigstens teilweise kompensiert wird.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung umfasst: einen Inverter, wobei der Ausgang des digitalen Pulsweitenmodulators über den Inverter mit dem Schaltelement verbunden ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement eine Vollbrücken- oder eine Halbbrückenanordnung umfasst, die ein elektronisches Schaltelement und/oder eine Diode umfasst.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass das elektronische Schaltelement ein Transistor, z. B. ein Bipolartransistor, ein MOSFET, ein Halbleiterschalter, ein IGBT etc. sein kann. Die Halbbrücken- oder Vollbrückenanordnung kann eine beliebige Zahl von n-Typ- und/oder p-Typ-Transistoren umfassen.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass eine Blindleistungskompensationslast zwischen dem Ausgang des Schaltelements und Masse angeordnet ist.
-
In einer Ausführungsform ist ein Kondensator parallel zur Blindleistungskompensationslast angeordnet.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung umfasst: eine Versatzeinstelleinheit, die in einem Pfad zwischen dem Kombinator und dem digitalen Pulsweitenmodulator angeordnet ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Versatzeinstelleinheit zum Hinzufügen eines Versatzes (Offset) in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals vorgesehen ist.
-
Zum Beispiel kann das gleichgerichtete und analog-digital-gewandelte Eingangssignal zur Versatzeinstelleinheit zum Einstellen des Betrags des Versatzes weitergeleitet werden, der auf das vom digitalen Pulsweitenmodulator verarbeitete Signal auszuüben ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung umfasst: einen variablen Taktgenerator, der zum Bereitstellen eines Taktsignals für den digitalen Pulsweitenmodulator oder zum Einstellen des Taktsignals des digitalen Pulsweitenmodulators gekoppelt ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass der variable Taktgenerator vorgesehen ist, um die Frequenz des Taktsignals in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals zu ändern.
-
Durch Nutzen verschiedener Konfigurationen für Versatz und PWM-Frequenz können verschiedene PFC-Modi realisiert werden. Zum Beispiel können Versatz und PWM-Frequenz in Abhängigkeit vom Eingangssignal eingestellt werden, um Betrieb in entweder einem Dauerleitungsmodus (Continuous Conducting Mode, CCM) oder in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (Discontinuous Conducting Mode, DCM) zu ermöglichen.
-
Außerdem wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Blindleistungskompensation vorgesehen umfassend:
- – Bestimmen eines kombinierten Signals basierend auf einer Ausgabe einer Steuereinheit und einem Eingangssignal;
- – Weiterleiten des kombinierten Signals zu einem digitalen Pulsweitenmodulator; und
- – Bestimmen eines Rückkopplungssignals für den digitalen Pulsweitenmodulator und für die Steuereinheit basierend auf einer Ausgabe des Schaltelements, so dass ein Fehler im Rückkopplungssignal reduziert wird.
-
Weiterhin wird eine Vorrichtung vorgeschlagen umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der Softwarecodeteile zur Ausführung der Schritte des hier beschriebenen Verfahrens auf dem Prozessor speichert.
-
Auch wird ein direkt in einen Speicher eines digitalen Verarbeitungsgeräts ladbares Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Softwarecodeteile umfasst zur Durchführung der Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens.
-
Zudem wird eine Vorrichtung angegeben, umfassend:
- – Mittel zum Bestimmen eines kombinierten Signals basierend auf einer Ausgabe einer Steuereinheit und einem Eingangssignal;
- – Mittel zum Weiterleiten des kombinierten Signals zu einem digitalen Pulsweitenmodulator; und
- – Mittel zum Bestimmen eines Rückkopplungssignals für den digitalen Pulsweitenmodulator und für die Steuereinheit basierend auf einer Ausgabe eines Schaltelements, so dass ein Fehler im Rückkopplungssignal reduziert wird.
-
Ausführungsformen werden unter Bezug auf die Zeichnungen gezeigt und dargestellt. Die Zeichnungen dienen zur Darstellung des Grundprinzips, sodass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte dargestellt werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugscodes in den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Merkmale.
-
1 zeigt Grundblöcke eines Klasse-D-Digitalverstärkers;
-
2 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung für PFC;
-
3 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung für PFC basierend auf 2;
-
4 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung für PFC basierend auf 3;
-
5A zeigt ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal mit einem niedrigen Versatz; und
-
5B zeigt ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal mit einem hohen Versatz.
-
Blindleistungskompensationssysteme (PFC-Systeme) können einen Dauerleitungsmodus (Continuous Conducting Mode, CCM) oder einen kritischen Leitungsmodus nutzen. Für Hochleistungsanwendungen und ein vermindertes Maß an elektromagnetischer Interferenz (EMI) kann der Dauerleitungsmodus dem kritischen Leitungsmodus vorgezogen werden.
-
Der Dauerleitungsmodus kann jedoch Stromabtastfähigkeiten erfordern, die zu einem beträchtlichen Betrag an Analogschaltungen führen können. Hier vorgestellte Beispiele schlagen insbesondere eine effizientere Lösung für PFC in Kombination mit einem derartigen Dauerleitungsmodus vor. Die beschriebenen Beispiele können auch für einen diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) verwendet werden.
-
Beschriebene Beispiele können insbesondere eine Schätzung eines Stroms anstatt eines Messwerts des besagten Stroms nutzen. Zu Stromschätzungszwecken kann ein Regelkreis vorgesehen werden. Die vorgestellte Schaltung kann zum Bereitstellen eines blindleistungskompensierten Signals für einen Spannungsregler, z. B. einen Gleichspannungswandler, verwendet werden.
-
Hier vorgestellte Beispiele können weiterhin eine Art von Reversmodus-Klasse-D-Digitalverstärker mit einer (gleichgerichteten) Netzsinuswelle als Eingangssignal und dem „Original“-Stromversorgungssignal der Leistungsbrücke des Klasse-D-Verstärkers als verstärktes Ausgangssignal nutzen. Die Eingangs- und Ausgangsspannungen können abgetastet werden, und eine Welligkeit der verstärkten Gleichstromausgangsspannung wird als Korrektursignal für den digitalen Pulsweitenmodulator verwendet.
-
Wahlweise kann das gemessene Eingangsspannungssignal, das als ein Eingangssignal für den PW-Modulator verwendet wird, für eine verbesserte Gesamtleistung bezüglich der Gesamten harmonischen Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) vorverzerrt werden.
-
Daher kann das Klasse-D-Digitalprinzip mit transponierten Eingängen und Ausgängen genutzt werden, um den Strom in Form zur Spannung zu bringen. Dieser Ansatz erfordert keine Information über die Stromwelle; deshalb ist keine weitere Strominformation erforderlich.
-
1 zeigt Grundblöcke eines Klasse-D-Digitalverstärkers. Ein digitales pulscodemoduliertes (PCM) Signal 101 wird einem digitalen Pulsweitenmodulator (PW-Modulator) 102 zugeleitet, der seine Ausgabe an eine Leistungsstufe 103 weiterleitet. Im in 1 gezeigten Beispiel umfasst die Leistungsstufe 103 zwei Feldeffekttransistoren, einen PMOS 104 und einen NMOS 105, die in Reihe geschaltet sind, wobei der Source-Anschluss des PMOS 104 mit einer Versorgungsspannung Ub, der Drain-Anschluss des PMOS 104 mit einem Knoten 106 und mit dem Drain-Anschluss des NMOS 105, und der Source-Anschluss des NMOS 105 mit Masse verbunden ist. Der Knoten 106 ist mit einem Tiefpassfilter 107 verbunden, und der Ausgang des Tiefpassfilters 107 liefert eine Analogausgangsspannung Ua, die an eine Last 108 angelegt wird.
-
Beim digitalen PW-Modulator
102 kann es sich im Wesentlichen um eine lineare Closed-Loop-Architektur handeln, die das PCM-Signal
101 in ein PW-moduliertes Signal transformiert, das durch die Leistungsstufe
103 verstärkt und in die Analogausgangsspannung Ua rückgewandelt wird, falls die Versorgungsspannung Ub im Wesentlichen konstant ist. Eine beispielhafte Ausführungsform des digitalen PW-Modulators
102 ist in
DE 103 27 620 A1 beschrieben, die hiermit durch Verweis eingeschlossen ist.
-
Falls es sich bei der Last 108 um eine ohmsche Last handelt, weist die Stromwelle dieselbe Form und Phase auf wie die Ausgangsspannung Ua.
-
Die folgenden Eigenschaften können in Bezug auf die Beispiele vorteilhaft genutzt werden, wie hier beschrieben:
- (1) Die PW-Modulation mit einer digitalen Closed-Loop-Architektur weist eine im Wesentlichen lineare Übertragungskennlinie auf.
- (2) Spannungs- und Stromwelle sind am Ausgang des Klasse-D-Verstärkers in Phase und Form (ohmsche Last).
-
2 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Eingangsspannung 201 (z. B. 220 V Wechselspannung), die einem Gleichrichter 202 zugeleitet wird, und die Ausgabe des Gleichrichters 202 wird an einen Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC) 203 weitergeleitet. Das digitale Ausgangssignal des ADC 203 wird durch einen Multiplikator 205 mit einem Ausgangssignal einer PI-Steuerung 210 kombiniert („PI“ zeigt an, dass die Steuerung 210 einen proportionalen und einen integrierenden Teil umfasst). Das Ergebnis der Multiplikation wird an einen PW-Modulator 206 weitergeleitet, und die Ausgabe des PW-Modulators 206 wird dem Gate-Anschluss eines n-Kanal-MOSFET 215 über einen Inverter 213 zugeleitet. Der Source-Anschluss des MOSFET 215 ist mit Masse verbunden. Der Drain-Anschluss des MOSFET 215 ist über eine Diode D1 mit einem Knoten 212 verbunden, wobei die Kathode der Diode D1 zum Knoten 212 gerichtet ist. Am Knoten 212 wird eine Ausgangsspannung Ua für eine Last 217 (die über dem Knoten 212 und Masse angeschlossen ist) bereitgestellt. Außerdem ist ein Kondensator C2 zur Last 217 parallelgeschaltet. Das Signal am Knoten 212 wird auch einem ADC 211 zugeleitet, und die Ausgabe vom ADC 211 wird zur PI-Steuerung 210 und zum PW-Modulator 206 geleitet.
-
Die Ausgabe des Gleichrichters 202 (d. h. das analoge Signal) wird an einen Knoten 218 angelegt. Der Knoten 218 ist über einen Induktor L1 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 215 verbunden. Der Knoten 218 ist außerdem über einen Kondensator C1 mit Masse verbunden.
-
Der Kondensator C1 und der Induktor L1 bilden ein Filter (insbesondere ein Tiefpassfilter), und der MOSFET 215 sowie die Diode D1 begründen ein Schaltelement 216, das wenigstens einen Transistor umfassen kann. Die Diode D1 kann durch einen Transistor realisiert werden (z. B. ein MOSFET), und das Schaltelement 216 kann eine Brückenschaltung sein, insbesondere eine Halbbrücke.
-
Das in 2 schematisch dargestellte Beispiel sieht eine digitale PFC basierend auf einem Klasse-D-Prinzip mit einigen Modifikationen vor. Das digitale PCM-Signal am Ausgang des Multiplikators 205 (am Eingang des PW-Modulators 206) wird mit dem Signal am Knoten 218 synchronisiert.
-
Bei einer entsprechenden PCM-Eingabe erzeugt der Klasse-D-Verstärker eine Amplitude, die der Amplitude des Eingangsleistung entspricht. Daher fließt kein Strom in den Klasse-D-Verstärker und das Tiefpassfilter. Wenn die Amplitude des Klasse-D-Verstärkers kleiner ist als die Amplitude der Eingangsleistung, fließt ein Strom vom Versorgungsnetz in den Klasse-D-Verstärker mit (im Wesentlichen) der Form und der Phase des Spannungssignals.
-
Die (konstante) Versorgungsspannung Ub des Klasse-D-Verstärkers gemäß 1 wird durch den Kondensator C2 und die Last 217 ersetzt. Die Ausgabe der digitalen PFC wird daher über der Last 217 bereitgestellt.
-
Ein Strom, der in Form zur gleichgerichteten Spannungswelle des Leistungseingangssignals ist (d. h. die Ausgabe vom Gleichrichter 202), fließt in das Tiefpassfilter 214, wodurch der Kondensator C2 geladen wird. Wenn der Kondensator C2 eine ausreichende Größe aufweist, ist die Spannungswelligkeit gering, und die vom Schaltelement 216 gelieferte Klasse-D-Leistungsstufenmodulation folgt (genau) der gleichgerichteten Leistungsspannung. Dies ist die grundlegende Funktionalität eines PFC-Systems.
-
Wahlweise kann ein p-Kanal-MOSFET anstatt der Diode D1 vorgesehen werden. Gebrauch der Diode D1 hingegen kann aber hinsichtlich der Kosten und Implementierungskomplexität des Schaltelements 216 (und damit der gesamten digitalen PFC-Schaltung) einen gewissen Vorteil haben.
-
Wenn die Spannungswelligkeit am Ausgangskondensator C2 zu hoch ist, wird diese Welligkeit gemessen und zu Kompensationszwecken verwendet, wobei entsprechende Kompensation durch den digitalen PW-Modulator 206 bereitgestellt werden kann.
-
Dieser Mechanismus kann einer Art Versorgungsspannungsunterdrückung für einen Klasse-D-Verstärker entsprechen, d. h., im Inneren des digitalen Regelkreises des PW-Modulators 206 wird die wellige „Versorgungs-“Spannung durch die digitale Rückkopplungsschleife des PW-Modulators 206 emuliert. Dies führt zu einem Strom, der in Form zur Versorgungsspannung ist, anstatt einer Spannungswelligkeit am Ausgangskondensator C2.
-
Daher wird das Signal am Knoten 212 vom ADC 211 in ein digitales Signal gewandelt, das vom PW-Modulator 206 für derartige Kompensationszwecke verwendet wird. Für eine Regulierung der Ausgangsspannung Ua wird die Ausgangsspannung Ua (die dem Signal am Knoten 212 entspricht) gemessen, und eine PCM-Eingabe für den digitalen PW-Modulator 206 (seine Verstärkung) wird gesteuert. Daher kann die Messung des Signals am Knoten 212 zum Kompensieren der Welligkeit der Versorgungsspannung (Eingangsspannung) 201 und zum Einstellen der Kompensationsverstärkung für den PW-Modulator 206 verwendet werden.
-
Außerdem wird das digitale Signal vom ADC 211 zur PI-Steuerung 210 geleitet. Die PI-Steuerung 210 liefert ein Signal zum Multiplikator 205 zum Steuern der Amplitude der Ausgabe des Multiplikators 205. Somit wird ein Regelkreis zum Einstellen des Signals am Knoten 212 über die PI-Steuerung 210 begründet. Je größer das Signal am Knoten 212 (auch als Verstärkungssignal bezeichnet), desto kleiner wird das von der PI-Steuerung 210 zum Multiplikator 205 gelieferte Signal (und umgekehrt).
-
Falls der Widerstand des Versorgungsnetzes klein ist (um 0 Ohm), kann Welligkeitskompensation erforderlich sein. Falls der Widerstand des Versorgungsnetzes im Bereich von über 5 Ohm liegt, ist möglicherweise keine Welligkeitskompensation erforderlich (weil der wenigstens 5 Ohm betragende Widerstand in Kombination mit dem Kondensator C2 bereits ausreichende Tiefpassfilterung bietet).
-
3 zeigt ein schematisches Schaltbild basierend auf 2. Zusätzlich zu 2 wird die Ausgabe vom ADC 203 über eine Vorverzerrungseinheit 204 zum Multiplikator 205 weitergeleitet. Die PI-Steuerung 210 stellt auch ein Lastsignal für die Vorverzerrungseinheit 204 bereit.
-
Die Vorverzerrungseinheit 204 kann zum Kompensieren eines spezifischen Verhaltens der Diode D1 (die anstatt eines p-Kanal-MOSFET im Schaltelement 216 eingesetzt werden kann) verwendet werden. Die Diode D1 kann eine Eigenschaft aufweisen, die über ein vorverzerrtes Signal, das über den Multiplikator 205 dem PW-Modulator 206 zugeführt wird, kompensiert wird. Die Vorverzerrungseinheit 204 kann eine Lookup-Tabelle zum Kompensieren umfassen, z. B. eines nichtlinearen Verhaltens der Diode D1. Die PI-Steuerung 210 bestimmt das Lastsignal als ein von der Last abgeleitetes Maß; insbesondere kann der Integrationsteil der PI-Steuerung 210 zum Erhalten eines derartigen Maßes verwendet werden, weil er auf den tatsächlichen Wert der Last 217 reflektiert.
-
Die Ausgabe vom ADC 211 wird auch an die PI-Steuerung 210 über ein Tiefpassfilter 209 mit einer 20 Hz betragenden beispielhaften Grenzfrequenz weitergeleitet. Dies ermöglicht es der PI-Steuerung 210 effizient Signale für die Vorverzerrungseinheit 204 und den Multiplikator 205 bereitzustellen, die im Wesentlichen von der 100-Hz-Welligkeit, die Teil des Signals am Knoten 212 sein kann, nicht beeinträchtigt werden.
-
Außerdem wird die Ausgabe vom ADC 211 über ein Filter 208 und eine Kompensationseinheit 207 an den PW-Modulator 206 weitergeleitet. Das Filter 208 kann ein Hochpassfilter und/oder ein Tiefpassfilter mit einer 1 Hz betragenden beispielhaften Grenzfrequenz umfassen. Die Kompensationseinheit 207 emuliert das Signal am Knoten 212 für den digitalen Bereich zur weiteren Verarbeitung durch den PW-Modulator 206. Dies wird in Bezug auf 4 genauer erläutert.
-
Daher können die Filter 208 und 209 zum Trennen der Spannungsregulierungsbandbreite von der Bandbreite der Welligkeitsversorgungskompensation verwendet werden, wodurch Steuerinterferenzen vermieden werden.
-
4 zeigt ein schematisches Schaltbild basierend auf 3.
-
Zusätzlich zu 3 umfasst das Filter 208 ein Tiefpassfilter 403 sowie ein Hochpassfilter 404, und die Kompensationseinheit 207 umfasst einen Autoscaler 405, eine Welligkeitskompensationseinheit 406, eine Kompensationsverstärkungseinheit 407 und einen Multiplikator 408.
-
Das Tiefpassfilter 403 hat eine Grenzfrequenz von 1 Hz, und das Hochpassfilter 404 hat eine Grenzfrequenz von ebenfalls 1 Hz. Daher liefert das Tiefpassfilter 403 eine Gleichstromkomponente des digitalisierten Signals am Knoten 212 zum Autoscaler 405, und das Hochpassfilter 404 liefert eine Wechselstromkomponente des digitalisierten Signals am Knoten 212 zur Welligkeitskompensationseinheit 406. Daher bestimmen der Autoscaler 405 und die Welligkeitskompensationseinheit 406 ein welligkeitskompensiertes Signal zum Multiplikator 408. Dieses welligkeitskompensierte Signal emuliert die Welligkeit innerhalb des Signals am Knoten 212. Diese Welligkeit entspricht einem Fehler, der kompensiert werden muss. Das Signal am Knoten 212 wird vom ADC 211 in den digitalen Bereich umgewandelt, und die Welligkeitskompensationseinheit 406 „übersetzt“ die Welligkeit für den PW-Modulator 206, wobei eine derartige Übersetzung eine Skalierung umfasst, die gemäß der vom Autoscaler 405 bestimmten Gleichstromkomponente durchgeführt wird. Die Gleichstromkomponente des digitalisierten Signals am Knoten 212 kann „1“ im PW-Modulator 206 entsprechen, was zu einer Kalibrierung der Welligkeit für den PW-Modulator 206 führt.
-
Die Bereitstellung der Kompensationsverstärkungseinheit 407 und des Multiplikators 408 zum Multiplizieren der Ausgabe des Autoscalers 405 und der Welligkeitskompensationseinheit 406 mit einem vorbestimmten Faktor, der im Bereich zwischen 1 und 2 liegen kann, ist eine Option. Auch Weglassen der Kompensationsverstärkungseinheit 407 und des Multiplikators 408 ist eine Option; in einem derartigen Fall wird der Ausgang der Kombination von Autoscaler 405 und Welligkeitskompensationseinheit 406 mit dem PW-Modulator 206 verbunden.
-
Außerdem umfasst 4 eine Versatzeinstelleinheit 401 und einen variablen Taktgenerator 402. Beide können wahlweise mit dem Ausgang des ADC 203 verbunden werden. Der variable Taktgenerator 402 kann den Takt und daher den PWM-Zyklus (oder die Frequenz) des PW-Modulators 206 steuern.
-
Um die Schaltung für einen breiten Bereich von Eingangsspannungsanwendungen zu nutzen, können Versatz und Frequenz des digitalen PWM eingestellt werden. Die Versatzeinstelleinheit 401 addiert nach dem Multiplikator 205 einen Versatz, d. h. nach der Multiplikation des vorverzerrten Eingangssignals mit dem PI-Steuersignal. Dieser Versatz kann die durchschnittliche PWM-Ein-Zeit des Schalttransistors 215 verkürzen, wodurch die magnetische Energie pro Zyklus (d. h. pro PWM-Periode) im Induktor L1 reduziert wird, was wiederum verhindert, dass der Induktor L1 bei höheren Eingangsspannungen eine magnetische Sättigung erreicht.
-
Auch die PWM-Frequenz könnte je nach Wert der Eingangsspannung 201 geändert werden. Dies ist besonders bei niedrigen Eingangsspannungen zur Erhöhung des PFC-Wirkungsgrads von Vorteil.
-
Durch Nutzen verschiedener Konfigurationen für Versatz und PWM-Frequenz können verschiedene PFC-Modi realisiert werden. Zum Beispiel können Versatz und PWM-Frequenz in Abhängigkeit von der Eingangsspannung 201 eingestellt werden, um Betrieb entweder im Dauerleitungsmodus (Continuous Conducting Mode, CCM) oder im diskontinuierlichen Leitungsmodus (Discontinuous Conducting Mode, DCM) zu ermöglichen.
-
CCM und DCM können für effizientes Arbeiten verschiedene Versätze und PWM-Frequenzen erfordern, besonders dann, wenn der Induktor L1 eine ziemlich geringe Induktivität hat.
-
5A zeigt ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal 501 mit einem niedrigen Versatz 502, und 5B zeigt ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal 503 mit einem hohen Versatz 504.
-
Zum Beispiel wird der Versatz des an den PW-Modulator 206 angelegten PCM-Signals manipuliert, um die im Induktor L1 gespeicherte magnetische Energie zu reduzieren (durch Nutzung einer beispielsweise 360 kHz betragenden PWM-Frequenz). Dies kann im Falle einer hohen Eingangsspannung von über 170 V Wechselspannung vorteilhaft sein.
-
Im Falle einer niedrigen Wechselstrom-Eingangsspannung (z. B. unter 170 V Wechselspannung) kann der Versatz vergrößert und die PWM-Frequenz auf die Hälfte der Frequenz (z. B. auf 180 kHz) reduziert werden, was für DCM-Betrieb vorteilhaft sein kann. Für DCM-Betrieb führt die Versatzänderung allein wegen eines Mangels an im Induktor L1 gespeicherter magnetischer Energie möglicherweise nicht zum Erreichen der höheren Verstärkungsspannung (d. h. Spannung am Knoten 212).
-
Reduzieren der PWM-Frequenz führt jedoch zu einer längeren Ladezeit für den Induktor L1, die bei jedem PWM-Zyklus auftritt.
-
Eine weitere Option besteht darin, dass die Frequenz (durch den variablen Taktgenerator 402) und der Versatz (durch die Versatzeinstelleinheit 401) basierend auf dem Signal 409 am Ausgang des ADC 203 eingestellt werden.
-
In einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen wenigstens teilweise in Hardware, wie zum Beispiel in speziellen Hardwarekomponenten oder in einem Prozessor, implementiert werden. Allgemeiner, die Techniken können in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder jeglicher Kombination daraus implementiert werden. Bei Implementierung in Software können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder zu einem solchen übertragen und von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien einschließen, die tangiblen Medien wie Datenspeichermedien oder Kommunikationsmedien entsprechen, einschließlich jeglichen Mediums, das die Übertragung eines Computerprogramms von einem Ort zu einem anderen erleichtert, z. B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll. So können computerlesbare Medien allgemein (1) tangiblen computerlesbaren Speichermedien, die nicht flüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium wie einem Signal oder einer Trägerwelle entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium einschließen.
-
Beispielsweise können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Diskspeicher-, magnetische Diskspeicher- oder andere magnetische Speichergeräte, Flash-Speichergeräte und jegliches andere Medium, das zum Speichern gewünschten Programmcodes in der Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
-
Außerdem wird jegliche Verbindung fachgerecht als computerlesbares Medium bezeichnet, d. h. ein computerlesbares Übertragungsmedium. Werden Anweisungen zum Beispiel von einer Webseite, einem Server oder einer anderen externen Quelle mithilfe eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, Twisted-Pair-Kabels, einer Digital Subscriber Line (DSL, Digitale Teilnehmeranschlussleitung) oder mittels Drahtlostechnologien wie Infrarot, Funk oder Mikrowelle übertragen, dann sind Koaxialkabel, Glasfaserkabel, Twisted-Pair-Kabel, DSL und Drahtlostechnologien wie Infrarot, Funk oder Mikrowelle in der Definition von Medium enthalten. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien Verbindungen, Trägerwellen, Signale und andere transiente Medien nicht einschließen, sondern stattdessen auf dauerhafte, tangible Speichermedien bezogen sind. Disk und Disc schließen in diesem Zusammenhang Compact Disc (CD), Laserdisc, optische Disc, Digital Versatile Disc (DVD), Floppy Disk und Blu-ray Disc ein, wobei Daten bei Disks gewöhnlich magnetisch und bei Discs optisch mit Lasern reproduziert werden. Kombinationen aus dem Vorstehenden sollen ebenfalls in den Umfang von computerlesbaren Medien eingeschlossen werden.
-
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren, wie zum Beispiel Zentraleinheiten (CPUs), digitalen Signalprozessoren (DSPs), Universalmikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), im Feld programmierbaren Logikanordnungen (FPGAs) oder einer anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltung, einzeln oder in Mehrzahl, ausgeführt werden. Dementsprechend kann sich der Begriff „Prozessor“ in diesem Zusammenhang auf jegliche vorstehende Struktur und auf jede andere für Implementierung der hier beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Außerdem kann die hier beschriebene Funktionalität in gewissen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Softwaremodule, konfiguriert für Codieren und Decodieren, oder eingeschlossen in einem kombinierten Codec, vorgesehen werden. Die Techniken könnten auch in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen voll implementiert werden.
-
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Geräten oder Apparaturen einschließlich eines Mobiltelefons, einer integrierten Schaltung (IC) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chipsatzes) implementiert werden. Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten sind in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionelle Aspekte der zum Durchführen der offenbarten Techniken konfigurierten Vorrichtungen zu betonen, eine Realisierung durch verschiedene Hardware-Einheiten ist aber nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzelnen Hardware-Einheit kombiniert oder durch eine Sammlung interoperativer Hardware-Einheiten vorgesehen werden, einschließlich eines oder mehrerer Prozessoren wie oben beschrieben, in Verbindung mit geeigneter Software und/oder Firmware.
-
Obwohl verschiedene Beispielausführungsformen der Erfindung offenbart worden sind, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen können, ohne von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Es wird dem Fachkundigen offensichtlich, dass andere, dieselben Funktionen erfüllenden Komponenten angemessen substituiert werden können. Es sollte bedacht werden, dass unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläuterte Merkmale mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in solchen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt worden ist. Weiterhin können die Verfahren der Erfindung entweder durch Voll-Software-Implementierungen unter Gebrauch der entsprechenden Prozessoranweisungen oder durch Hybrid-Implementierungen unter Nutzung einer Kombination von Hardware-Logik und Software-Logik zur Bewirkung derselben Ergebnisse realisiert werden. Derartige Modifikationen des erfindungsgemäßen Konzepts sollen als von den angefügten Ansprüchen abgedeckt gelten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10327620 A1 [0007, 0061]
