DE102020205159A1 - Method for providing a direct current output and switching - Google Patents

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Dennis Bura
Samuel Vasconcelos Araujo
Michael Jiptner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Ausgangsgleichstroms, insbesondere in einem Ladegerät, wobei ein Eingangswechselstrom der Schaltungsanordnung in einem Bereich betragsmäßig geringer Spannung betragsmäßig erhöht wird und/oder in einem Bereich betragsmäßig hoher Spannung betragsmäßig gesenkt wird.The invention relates to a method for providing an output direct current, in particular in a charger, wherein an input alternating current of the circuit arrangement is increased in amount in an area of low voltage and / or decreased in amount in an area of high voltage.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Ausgangsgleichstroms mittels einer Schaltung, insbesondere in einem Ladegerät.The invention relates to a method for providing an output direct current by means of a circuit, in particular in a charger.

Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms aus einer sinusförmigen Netzspannung.The invention also relates to a corresponding circuit arrangement for providing a constant output direct current from a sinusoidal mains voltage.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein zur Bereitstellung eines Ausgangsgleichstroms aus einer beliebigen veränderbaren Spannung anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein öffentliches Niederspannungs-Verteilnetz mit einer sinusförmigen Netzspannung in Gestalt einer Wechselspannung von 230 V/400 V und einer Frequenz von 50 Hz erläutert.Although the present invention is generally applicable to provide an output direct current from any variable voltage, the present invention is explained in relation to a public low-voltage distribution network with a sinusoidal network voltage in the form of an alternating voltage of 230 V / 400 V and a frequency of 50 Hz .

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein für beliebige Schaltungsanordnungen mit unterschiedlichen Topologien anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine Ladegerättopologie - zum Beispiel für ein Schaltnetzteil oder einen Charger - erläutert, die zum Anschluss an das öffentliche Niederspannungs-Verteilnetz vorgesehen ist.Although the present invention can generally be used for any circuit arrangements with different topologies, the present invention is explained in relation to a charger topology - for example for a switched-mode power supply or a charger - which is intended for connection to the public low-voltage distribution network.

Beim Betrieb verschiedenster elektronischer Schaltungsanordnungen kann es Anforderungen dahingehend geben, einen Ausgangsgleichstrom aus einer veränderbaren Spannung, beispielsweise einer sinusförmigen Netzspannung, bereitzustellen. Hierbei kann ein im Wesentlichen konstanter Ausgangsgleichstrom bevorzugt werden, weil es beispielsweise für den Ladestrom einer Batterie Grenzwerte für den sicheren Betrieb der Batteriezellen gibt.When operating the most varied of electronic circuit arrangements, there may be requirements to provide a direct output current from a variable voltage, for example a sinusoidal mains voltage. In this case, an essentially constant output direct current can be preferred because there are limit values for the safe operation of the battery cells, for example for the charging current of a battery.

In einem Bereich betragsmäßig geringer Spannung - also in der Nähe eines Nulldurchgangs der Netzspannung - sind viele Topologien nicht funktionsfähig, insbesondere herkömmliche Topologien für Schaltnetzteile. Je kleiner eine Eingangsspannung ist, desto schwieriger wird zudem ein weichschaltender Betrieb der Topologie, vor allem bei zusätzlich kleinen Eingangsströmen. Ein weichschaltender Betrieb ist jedoch aufgrund der geringen Schaltverluste und dem vorzugsweise spannungslosen oder stromlosen Schalten wünschenswert.In an area of low voltage - that is, in the vicinity of a zero crossing of the mains voltage - many topologies are not functional, in particular conventional topologies for switched-mode power supplies. The lower the input voltage, the more difficult it is to operate the topology with soft switching, especially when the input currents are also small. Soft-switching operation is, however, desirable because of the low switching losses and the preferably de-energized or de-energized switching.

Diese Problematik tritt insbesondere bei Topologien für bekannte Schaltnetzteile auf, die eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC-Stufe, PFC = Power Factor Correction/Compensation) verwenden, da sowohl Eingangsstrom als auch Eingangsspannung netzseitig sinusförmig sind. Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungsanordnungen sind jedoch erforderlich, um Grenzwerte des Oberwellengehalts der Netzspannung einhalten zu können. Die nicht-sinusförmige Stromentnahme nichtlinearer Verbraucher, beispielsweise von Topologien für Schaltnetzteile, verursacht an der Netzimpedanz Spannungsabfälle, die eine Abweichung des Netzspannungsverlaufs von der idealen Sinusform hervorrufen. Diese Oberwellen sind für viele Anwendungsfälle genormt und dürfen beispielsweise für den Anschluss an das öffentliche Niederspannungs-Verteilnetz bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, siehe beispielsweise IEC/EN 61000-3-2.This problem occurs in particular with topologies for known switched-mode power supplies that use a power factor correction (PFC stage, PFC = Power Factor Correction / Compensation), since both the input current and the input voltage on the network side are sinusoidal. However, power factor correction circuit arrangements are required in order to be able to comply with limit values for the harmonic content of the mains voltage. The non-sinusoidal current consumption of non-linear loads, for example from topologies for switched-mode power supplies, causes voltage drops at the network impedance, which cause the network voltage profile to deviate from the ideal sinusoidal shape. These harmonics are standardized for many applications and may not exceed certain limit values for connection to the public low-voltage distribution network, for example, see IEC / EN 61000-3-2.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Ausgangsgleichstroms mittels einer Schaltungsanordnung bereit, insbesondere in einem Ladegerät, wobei ein Eingangswechselstrom der Schaltungsanordnung in einem Bereich betragsmäßig geringer Spannung betragsmäßig erhöht wird und/oder in einem Bereich betragsmäßig hoher Spannung betragsmäßig gesenkt wird.In one embodiment, the invention provides a method for providing an output direct current by means of a circuit arrangement, in particular in a charger, wherein an input alternating current of the circuit arrangement is increased in amount in an area of low voltage and / or decreased in amount in an area of high voltage.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Schaltungsanordnung bereit, die zur Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms ausgebildet ist, insbesondere in einem Ladegerät, wobei die Schaltungsanordnung umfasst:

  • - einen Gleichrichter und
  • - eine Wandlerstufe,

wobei die Schaltungsanordnung leistungsfaktorkorrekturfrei und zwischenkreiskapazitätenfrei ausgebildet ist. „Zwischenkreiskapazitätenfrei“ bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung darauf, dass die Schaltungsanordnung ohne internen Energiespeicher zur Pufferung einer Leistungswelligkeit einer gleichgerichteten Netzspannung ausgebildet ist. Im öffentlichen Niederspannungs-Verteilnetz mit einer Frequenz von 50 Hz weist die Leistungswelligkeit der gleichgerichteten Netzspannung eine Frequenz von 100 Hz auf.In a further embodiment, the invention provides a circuit arrangement which is designed to provide a constant output direct current, in particular in a charger, the circuit arrangement comprising:
  • - a rectifier and
  • - a converter stage,

wherein the circuit arrangement is designed to be free of power factor correction and intermediate circuit capacitance. “No intermediate circuit capacitance” refers in particular in the claims, preferably in the description, to the fact that the circuit arrangement is designed without an internal energy store for buffering a power ripple of a rectified mains voltage. In the public low-voltage distribution network with a frequency of 50 Hz, the power ripple of the rectified network voltage has a frequency of 100 Hz.

Der Begriff „konstanter Ausgangsgleichstrom“ bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf das fachmännische Verständnis des „Ausgangsstroms“ und umfasst - neben den technisch üblichen Abweichungen und Schwankungen in der Größenordnung von einigen Prozent um den Nominalwert - auch einen über den Zeitverlauf mehrheitlich konstanten Ausgangsgleichstrom mit gelegentlichen Unterbrechungen. Maßgeblich für einen konstanten Ausgangsgleichstrom ist, dass die Verteilung des Ausgangsgleichstroms über eine gesamte Netzperiode gleichmäßiger ist und somit eine Anhebung eines Effektivwerts (RMS = Root Mean Square) des Ausgangsgleichstroms bei gleichem Maximalwert des Ausgangsgleichstroms möglich ist.The term “constant output direct current” relates in particular in the claims, preferably in the description, to the professional understanding of the “output current” and includes - in addition to the technical deviations and fluctuations in the order of a few percent around the nominal value - also over time mostly constant output direct current with occasional interruptions. The decisive factor for a constant output direct current is that the distribution of the output direct current is more uniform over an entire network period and thus an increase in a Root mean square (RMS) of the output direct current is possible with the same maximum value of the output direct current.

Der Begriff „Eingangswechselstrom“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf einen veränderlichen Eingangsstrom, welcher nicht notwendigerweise einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Mit anderen Worten kann der „Eingangswechselstrom“ neben der Sinusform auch andere Formen aufweisen.The term “input alternating current” is to be understood in the broadest sense and relates in particular in the claims, preferably in the description, to a variable input current which does not necessarily have a sinusoidal profile. In other words, the “alternating input current” can also have other shapes in addition to the sinusoidal shape.

Insbesondere in den Ansprüchen und vorzugsweise in der Beschreibung ist der Bereich betragsmäßig geringer Spannung sowie der Bereich betragsmäßig hoher Spannung jeweils in Relation zu dem Spannungsverlauf über die gesamte Netzperiode zu verstehen.In particular in the claims and preferably in the description, the range of low voltage in terms of magnitude and the range of high voltage in terms of magnitude are to be understood in relation to the voltage curve over the entire network period.

Die Bereiche betragsmäßig geringer Spannung können derart definiert sein, dass die Spannung in diesen Bereichen betragsmäßig geringer ist als ein Effektivwert der Spannung. Entsprechend können die Bereiche betragsmäßig hoher Spannung derart definiert sein, dass die Spannung in diesen Bereichen betragsmäßig höher ist als der Effektivwert der Spannung. Weiter können Bereiche betragsmäßig geringer Spannung derart definiert sein, dass die Spannung in diesen Bereichen betragsmäßig geringer ist als 50 % einer Amplitude der Spannung, vorzugsweise geringer als 25 % der Amplitude der Spannung und insbesondere geringer als 10 % der Amplitude der Spannung. Entsprechend können die Bereiche betragsmäßig hoher Spannung derart definiert sein, dass die Spannung in diesen Bereichen betragsmäßig höher ist als 50 % einer Amplitude der Spannung vorzugsweise höher als 75 % der Amplitude der Spannung und insbesondere höher als 90 % der Amplitude der Spannung.The areas of low voltage in terms of magnitude can be defined in such a way that the voltage in these areas is lower in magnitude than an effective value of the voltage. Correspondingly, the areas of high voltage in terms of magnitude can be defined in such a way that the voltage in these areas is higher in magnitude than the rms value of the voltage. Furthermore, areas of low voltage can be defined in such a way that the voltage in these areas is less than 50% of an amplitude of the voltage, preferably less than 25% of the amplitude of the voltage and in particular less than 10% of the amplitude of the voltage. Correspondingly, the areas of high voltage in terms of magnitude can be defined such that the voltage in these areas is higher in magnitude than 50% of an amplitude of the voltage, preferably higher than 75% of the amplitude of the voltage and in particular higher than 90% of the amplitude of the voltage.

Insbesondere gilt hierbei, dass der Eingangswechselstrom der Schaltungsanordnung umso stärker betragsmäßig erhöht wird, je betragsmäßig geringer die Spannung in dem Bereich betragsmäßig geringer Spannung ist. Umgekehrt wird der Eingangswechselstrom der Schaltungsanordnung umso stärker betragsmäßig gesenkt, je betragsmäßig höher die Spannung in dem Bereich betragsmäßig hoher Spannung ist.In particular, it applies here that the AC input current of the circuit arrangement is increased in magnitude the greater the magnitude of the lower the voltage in the area of the magnitude of the lower voltage. Conversely, the AC input current of the circuit arrangement is reduced the greater the amount, the higher the amount of the voltage in the area of high voltage.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass neue einstufige Topologien, die mit einem sinusförmigen Eingangswechselstrom nicht funktionsfähig wären, eingesetzt werden können. Beispielsweise wären Flyback-Schaltungsanordnungen unterhalb einer minimalen Eingangsspannung nicht funktionsfähig. Durch das Einführen einer Austastlücke mit einem Eingangsstrom von 0 Ampere im Bereich kleiner netzseitiger Spannungen wird es möglich, leistungsfaktorkorrekturfreie und zwischenkreiskapazitätenfreie Schaltungsanordnungen einzusetzen, ohne dass anwendungsspezifische Grenzwerte, beispielsweise für Ladeströme, überschritten beziehungsweise unterschritten werden. So lassen sich beispielsweise Active Clamp Flyback-Schaltungsanordnungen verwenden. Diese neuen einstufigen Topologien können mit geringeren Leistungsspitzen dimensioniert und unter Verwendung kleinerer passiver Bauelemente verwirklicht werden. Dies ermöglicht deutliche Kosteneinsparungen und Vorteile hinsichtlich des Bauraums und der Kompaktheit, was insbesondere bei Topologien für Schaltnetzteile eine häufig gestellte Anforderung ist. Mit anderen Worten ist ein konstanter Ausgangsgleichstrom erzielbar, ohne dass die Leistungswelligkeit der gleichgerichteten Netzspannung in einem Zwischenkreis gepuffert werden muss. Ein Zwischenkreis kann insbesondere eine Zwischenkreiskapazität umfassen. Ein weiterer damit erzielter Vorteil liegt darin, dass der Wirkungsgrad der Topologie steigt, da ein weichschaltender Betrieb über einen größeren Bereich möglich ist.One of the advantages achieved with this is that new single-stage topologies that would not work with a sinusoidal AC input current can be used. For example, flyback circuit arrangements would not be functional below a minimum input voltage. By introducing a blanking interval with an input current of 0 amperes in the range of low line-side voltages, it is possible to use circuit arrangements that are free of power factor correction and intermediate circuit capacitance without application-specific limit values, for example for charging currents, being exceeded or undershot. For example, active clamp flyback circuit arrangements can be used. These new single-stage topologies can be dimensioned with lower power peaks and implemented using smaller passive components. This enables significant cost savings and advantages in terms of installation space and compactness, which is a frequently asked requirement, particularly in the case of topologies for switched-mode power supplies. In other words, a constant output direct current can be achieved without the power ripple of the rectified mains voltage having to be buffered in an intermediate circuit. An intermediate circuit can in particular comprise an intermediate circuit capacitance. Another advantage achieved with this is that the efficiency of the topology increases, since soft-switching operation is possible over a larger area.

Durch die Anpassung der Form oder des Verlaufs des Eingangswechselstromes in Abhängigkeit der Netzspannung wird hier der Ausgangsgleichstrom gezielt manipuliert. Mit anderen Worten ergibt sich ein direkter anwendungsspezifischer Mehrwert durch die Manipulation des Eingangswechselstroms.By adapting the shape or the course of the input alternating current as a function of the mains voltage, the output direct current is manipulated in a targeted manner. In other words, there is a direct application-specific added value through the manipulation of the input alternating current.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or become apparent as a result.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Eingangswechselstrom proportional zu einem Kehrwert der Spannung gehalten. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass der Ausgangsgleichstrom besser, also gleichmäßiger, auf die gesamte Netzperiode verteilt wird und sich kein Verlauf des Ausgangsgleichstroms in quadrierter Sinusform einstellt.According to a further advantageous development, the input alternating current is kept proportional to a reciprocal value of the voltage. One of the advantages achieved with this is that the output direct current is better, i.e. more evenly, distributed over the entire network period and there is no curve of the output direct current in a squared sinusoidal shape.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Ausgangsgleichstrom konstant gehalten. Mit anderen Worten ist der Ausgangsgleichstrom über die gesamte Netzperiode gleichmäßiger verteilt. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass der anwendungsspezifische mindestens erforderliche Ausgangsgleichstrom, vorzugsweise nach seinem Effektivwert, über einen größeren Bereich einhaltbar ist. Mit anderen Worten ist eine Anhebung des Effektivwerts bei gleichem Maximalwert des Ausgangsgleichstromes möglich.According to a further advantageous development, the output direct current is kept constant. In other words, the output direct current is distributed more evenly over the entire network period. One of the advantages achieved in this way is that the application-specific minimum required output direct current, preferably according to its effective value, can be maintained over a larger range. In other words, an increase in the rms value is possible with the same maximum value of the output direct current.

Die Eingangsleistung der Schaltungsanordnung pin muss gleich der Ausgangsleistung pout der Schaltungsanordnung sein, wobei p i n = u i n i i n

Figure DE102020205159A1_0001
und p o u t = U o u t I o u t
Figure DE102020205159A1_0002
mit
uin die Eingangswechselspannung der Schaltungsanordnung ist, iin der Eingangswechselstrom der Schaltungsanordnung ist, Uout die Ausgangsgleichspannung der Schaltungsanordnung ist und lout der Ausgangsgleichstrom der Schaltungsanordnung ist.The input power of the circuit arrangement p in must be equal to the output power pout of the circuit arrangement, where p i n = u i n i i n
Figure DE102020205159A1_0001
and p O u t = U O u t I. O u t
Figure DE102020205159A1_0002
with
u in is the AC input voltage of the circuit arrangement, iin is the AC input current of the circuit arrangement, Uout is the DC output voltage of the circuit arrangement and lout is the DC output current of the circuit arrangement.

Somit gilt: u i n i i n = U o u t I o u t

Figure DE102020205159A1_0003

und aufgelöst nach dem gewünschten konstanten Ausgangsgleichstrom: i i n = U o u t I o u t u i n
Figure DE102020205159A1_0004
Hence: u i n i i n = U O u t I. O u t
Figure DE102020205159A1_0003

and resolved according to the desired constant output direct current: i i n = U O u t I. O u t u i n
Figure DE102020205159A1_0004

Da uin netzseitig vorgegeben sein kann und regelmäßig bekannt ist, kann stets der optimale Wert für iin berechnet werden, damit UoutIout im Wesentlichen konstant ist. Da UoutIout im Wesentlichen konstant sein soll, ist rein rechnerisch optimaler Weise der Eingangswechselstrom iin proportional zu einem Kehrwert der Spannung uin.Since u in can be specified on the network side and is regularly known, the optimal value for iin can always be calculated so that U out I out is essentially constant. Since U out I out should be essentially constant, the input alternating current iin is optimally in purely mathematical terms proportional to a reciprocal value of the voltage u in .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der konstante Ausgangsgleichstrom zumindest einmal kurz unterbrochen. Der Begriff „kurz unterbrochen“ bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf solche Unterbrechungen, die von kürzerer zeitlicher Dauer sind als die Zeiten des konstanten Ausgangsgleichstroms. Derartige kurze Unterbrechungen sind für eine Reihe von Anwendungen unschädlich, beispielsweise bei einigen Ladegeräten und Batteriezellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Schaltungsanordnung auch ohne Leistungsfaktorkorrektur und Zwischenkreiskapazität Ihre Funktionalität effizient erfüllen kann, was deutliche Vorteile hinsichtlich Kostenersparnis und Kompaktheit mit sich bringt. Die Funktionalität dieser weggelassenen Komponenten kann in diesem Fall beispielsweise von einer als Gleichspannungswandler ausgebildeten Wandlerstufe übernommen werden.According to a further advantageous development, the constant output direct current is briefly interrupted at least once. The term “briefly interrupted” relates in particular in the claims, preferably in the description, to such interruptions which are of a shorter duration than the times of the constant output direct current. Such short interruptions are harmless for a number of applications, for example with some chargers and battery cells. One of the advantages achieved in this way is that the circuit arrangement can efficiently fulfill its functionality even without power factor correction and intermediate circuit capacitance, which brings significant advantages in terms of cost savings and compactness. The functionality of these omitted components can in this case, for example, be taken over by a converter stage designed as a DC voltage converter.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der konstante Ausgangsgleichstrom lediglich in Bereichen von Nulldurchgängen der Spannung kurz unterbrochen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass der mindestens erforderliche Ausgangsgleichstrom, vorzugsweise nach seinem Effektivwert, sowie der Maximalwert des Ausgangsgleichstromes sich annähern, und es möglich wird, die anwendungsspezifischen maximalen Ströme - beispielsweise Ladeströme einer Batteriezelle - auch bei hohem erforderlichem Effektivwert für den Ausgangsgleichstrom einzuhalten.According to a further advantageous development, the constant output direct current is only briefly interrupted in areas of zero crossings of the voltage. One of the advantages achieved with this is that the minimum required output direct current, preferably according to its effective value, as well as the maximum value of the output direct current approximate, and it becomes possible to comply with the application-specific maximum currents - for example charging currents of a battery cell - even with a high required effective value for the output direct current .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein Oberwellengehalt des Eingangswechselstroms kontinuierlich und/oder wiederholt mit einem vorgegebenen Grenzwert abgeglichen. Der vorgegebene Grenzwert kann beispielsweise in einer Norm festgesetzt werden. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass während des Betriebs feststellbar ist, ob der Oberwellengehalt des Eingangswechselstroms dem vorgegebenen Grenzwert genügt.According to a further advantageous development, a harmonic content of the input alternating current is continuously and / or repeatedly compared with a predetermined limit value. The predetermined limit value can be set in a standard, for example. One of the advantages achieved with this is that it can be determined during operation whether the harmonic content of the input alternating current satisfies the specified limit value.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Oberwellengehalt des Eingangswechselstroms bei Überschreiten oder Unterschreiten des vorgegebenen Grenzwerts angepasst. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass durch einen permanenten Abgleich mit den Grenzwerten ein normkonformer Betrieb gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten bleibt der in der angepassten Stromform des Eingangswechselstroms enthaltene Oberwellengehalt innerhalb von in einer Norm definierten Grenzwerten. Ein Beispiel für eine solche Norm ist IEC/EN 61000-3-2.According to an advantageous development, the harmonic content of the input alternating current is adapted when the predetermined limit value is exceeded or not reached. One of the advantages achieved with this is that, through permanent comparison with the limit values, operation that conforms to the standard can be guaranteed. In other words, the harmonic content contained in the adapted current form of the input alternating current remains within limit values defined in a standard. An example of such a standard is IEC / EN 61000-3-2.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist der Gleichrichter ein passiver Gleichrichter. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Schaltungsanordnung insgesamt kostengünstiger wird. Alternativ kann der Gleichrichter als aktiver Gleichrichter ausgebildet sein. Vorteil hiervon ist, dass ein noch sparsamerer Betrieb möglich ist.According to an advantageous development of the circuit arrangement, the rectifier is a passive rectifier. One of the advantages achieved in this way is that the circuit arrangement becomes more cost-effective overall. Alternatively, the rectifier can be designed as an active rectifier. The advantage of this is that even more economical operation is possible.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred designs and embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components or elements.

FigurenlisteFigure list

Dabei zeigt in schematischer Form

  • 1 zwei Graphen, in welchen jeweils für den Eingangsstrom und für den Ausgangsstrom der Verlauf von Spannung und Strom dargestellt ist;
  • 2 eine Darstellung einer bekannten Schaltungsanordnung sowie entsprechende Stromverläufe;
  • 3 eine Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie entsprechende Stromverläufe; und
  • 4 eine Darstellung der Schaltungsanordnung der 3 sowie entsprechende Stromverläufe bei Anwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
It shows in schematic form
  • 1 two graphs in which the voltage and current curves are shown for the input current and for the output current;
  • 2 a representation of a known circuit arrangement and corresponding current curves;
  • 3 a representation of a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention and corresponding current profiles; and
  • 4th an illustration of the circuit arrangement of 3 and corresponding current profiles when using a method according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt zwei Graphen 1, 2, in welchen jeweils für einen Eingangsstrom als auch für einen Ausgangsstrom das Verhältnis von Spannung und Strom dargestellt ist. 1 shows two graphs 1 , 2 , in which the relationship between voltage and current is shown for an input current as well as for an output current.

In dem oberen Graphen 1 der 1 ist ein Verlauf einer sinusförmigen Netzspannung 3 abgebildet (durchgezogene Linie). Hinsichtlich eines Eingangswechselstroms 4 (gepunktete Linie) einer Schaltungsanordnung stellt sich damit grundsätzlich auch eine sinusförmige Stromform ein. Der Strom kann jedoch in Bereichen 5, 6 betragsmäßig geringer Spannung nicht fließen und beträgt dort Null.In the graph above 1 the 1 is a curve of a sinusoidal line voltage 3 shown (solid line). Regarding an input alternating current 4th (dotted line) of a circuit arrangement, a sinusoidal current form is therefore also set in principle. However, the current can be in areas 5 , 6th low voltage does not flow and is zero there.

In dem unteren Graphen 2 der 1 ist eine konstante Ausgangsgleichspannung 7 dargestellt. Wird die sinusförmige Netzspannung 3 mittels einer Schaltungsanordnung (in 1 nicht abgebildet), insbesondere in einem Ladegerät, in eine konstante Ausgangsgleichspannung 7 umgeformt, insbesondere um eine Batterie zu laden, ergibt sich in bekannter Weise für einen Ausgangsgleichstrom 8 ein Verlauf in quadrierter Sinusform.In the graph below 2 the 1 is a constant DC output voltage 7th shown. Becomes the sinusoidal mains voltage 3 by means of a circuit arrangement (in 1 not shown), especially in a charger, into a constant DC output voltage 7th converted, in particular to charge a battery, results in a known manner for an output direct current 8th a curve in a squared sinusoidal form.

2 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung 9 mit einer Leistungsfaktorkorrektur 10, einer Zwischenkreiskapazität 11 und einer Wandlerstufe 12. 2 shows a known circuit arrangement 9 with a power factor correction 10 , a DC link capacitance 11 and a converter stage 12th .

Die Wandlerstufe 12 umfasst einen Feldeffekttransistor (FET) 13 und einen Transformator 14. Die Wandlerstufe ist als Gleichspannungswandler ausgebildet. Wird diese Schaltungsanordnung 9 mit einer Spannung, beispielsweise mit einer sinusförmigen Netzspannung 3 sowie sinusförmigem Netzstrom 15 betrieben, so ergibt sich ein konstanter Ausgangsgleichstrom 16.The converter stage 12th includes a field effect transistor (FET) 13th and a transformer 14th . The converter stage is designed as a DC voltage converter. Will this circuit arrangement 9 with a voltage, for example with a sinusoidal mains voltage 3 as well as sinusoidal mains current 15th operated, there is a constant output direct current 16 .

3 zeigt eine Schaltungsanordnung 17 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows a circuit arrangement 17th according to an embodiment of the present invention.

Die Schaltungsanordnung 17 ist leistungsfaktorkorrekturfrei und zwischenkreiskapazitätenfrei ausgebildet und weist einen passiven Gleichrichter 18 sowie eine als Gleichspannungswandler ausgebildete Wandlerstufe 12 mit einem Feldeffekttransistor (FET) 13 und einem Transformator 14 auf. Wird diese Schaltungsanordnung 17 mit sinusförmiger Netzspannung 3 sowie sinusförmigem Netzstrom 15 betrieben, so wird diese sinusförmige Netzspannung 3 zunächst durch den Gleichrichter 18 in eine ausschließlich positive periodisch schwankende Gleichspannung 18 gleichgerichtet. Diese Gleichspannung 18 bleibt jedoch ungeglättet. Nach der Wandlerstufe 12 ergibt sich daher die quadrierte Sinusform für den Ausgangsgleichstrom 8.The circuit arrangement 17th is designed to be free of power factor correction and DC link capacitance and has a passive rectifier 18th and a converter stage designed as a DC voltage converter 12th with a field effect transistor (FET) 13th and a transformer 14th on. Will this circuit arrangement 17th with sinusoidal mains voltage 3 as well as sinusoidal mains current 15th operated, this sinusoidal mains voltage is used 3 first through the rectifier 18th into an exclusively positive periodically fluctuating DC voltage 18th rectified. This DC voltage 18th however, remains unsmoothed. After the converter stage 12th This results in the squared sinusoidal shape for the output direct current 8th .

4 zeigt eine Schaltungsanordnung 17 gemäß 3. 4th shows a circuit arrangement 17th according to 3 .

Im Unterschied zu der Schaltung gemäß 3 wird diese Schaltungsanordnung 17 in 4 mit einem Eingangswechselstrom 20 betrieben, der in einem Bereich 21 betragsmäßig geringer netzseitiger Spannung betragsmäßig erhöht wird und in einem Bereich 22 betragsmäßig hoher netzseitiger Spannung betragsmäßig gesenkt wird. So wird diese Stromform des Eingangswechselstroms 20 zunächst mit dem Gleichrichter 19 in eine gleichgerichtete Form 23 gebracht. Insbesondere ist die Form des Eingangswechselstroms 20 proportional zu einem Kehrwert der netzseitigen Spannung (in 4 nicht dargestellt). Nach der Wandlerstufe 12 ergibt sich ein konstanter Ausgangsgleichstrom 24, der kurze Unterbrechungen 25 aufweist. Die kurzen Unterbrechungen 25 liegen jeweils in Bereichen von Nulldurchgängen 26 der Netzspannung.In contrast to the circuit according to 3 becomes this circuit arrangement 17th in 4th with an input alternating current 20th operated in one area 21 Amount of low line-side voltage is increased in amount and in a range 22nd Amount of high line-side voltage is reduced in amount. This is how this current form becomes the input alternating current 20th first with the rectifier 19th in a rectified form 23 brought. In particular, the shape of the input alternating current 20th proportional to a reciprocal value of the line-side voltage (in 4th not shown). After the converter stage 12th the result is a constant output direct current 24 , the short interruptions 25th having. The brief interruptions 25th each lie in the areas of zero crossings 26th the mains voltage.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

  • - Anwendungsspezifischer Maximalwert des Ausgangsgleichstromes ist auch ohne internen Zwischenspeicher für die Leistungswelligkeit des Netzes möglich.
  • - Leistungsfaktorkorrekturfreie und zwischenkreiskapazitätenfreie Schaltungsanordnungen sind nutzbar.
  • - Passive Bauelemente können kleiner dimensioniert werden, Bauraum kann insgesamt reduziert werden.
  • - Steigerung des Wirkungsgrades durch Erweiterung des Bereichs, in welchem ein weichschaltender Betrieb möglich ist.
In summary, at least one of the embodiments has at least one of the following advantages:
  • - Application-specific maximum value of the output direct current is also possible without an internal buffer for the power ripple of the network.
  • - Circuit arrangements without power factor correction and without intermediate circuit capacitance can be used.
  • - Passive components can be dimensioned smaller, overall installation space can be reduced.
  • - Increase in efficiency by expanding the range in which soft-switching operation is possible.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many ways.

Claims (9)

Verfahren zur Bereitstellung eines Ausgangsgleichstroms (24) mittels einer Schaltungsanordnung (17), insbesondere in einem Ladegerät, wobei ein Eingangswechselstrom (4) der Schaltungsanordnung (17) in einem Bereich (21) betragsmä-ßig geringer Spannung betragsmäßig erhöht wird und/oder in einem Bereich (22) betragsmäßig hoher Spannung betragsmäßig gesenkt wird.Method for providing an output direct current (24) by means of a circuit arrangement (17), in particular in a charger, wherein an input alternating current (4) of the circuit arrangement (17) is increased in terms of amount in an area (21) and / or in a low voltage area Area (22) is reduced in terms of amount of high voltage in terms of amount. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Eingangswechselstrom (4) proportio-nal zu einem Kehrwert der Spannung gehalten wird.Procedure according to Claim 1 , whereby the input alternating current (4) is kept proportional to a reciprocal value of the voltage. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Ausgangsgleich-strom (24) konstant gehalten wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , the output direct current (24) being kept constant. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der konstante Ausgangsgleichstrom (24) zumindest einmal kurz unterbrochen (25) wird.Procedure according to Claim 3 , the constant output direct current (24) being briefly interrupted (25) at least once. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der konstante Ausgangsgleichstrom (24) lediglich in Bereichen von Nulldurchgängen (26) der Spannung kurz unterbrochen wird.Procedure according to Claim 4 , wherein the constant output direct current (24) is only briefly interrupted in areas of zero crossings (26) of the voltage. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei ein Oberwellengehalt des Eingangswechselstroms (4) kontinuierlich und/oder wiederholt mit einem vorgegebenen Grenzwert abgeglichen wird.Method according to one of the Claims 1 - 5 , wherein a harmonic content of the input alternating current (4) is continuously and / or repeatedly compared with a predetermined limit value. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Oberwellengehalt des Eingangswech-selstroms bei Überschreiten oder Unterschreiten des vorgegebenen Grenzwerts an-gepasst wird.Procedure according to Claim 6 , whereby the harmonic content of the AC input current is adjusted when the specified limit value is exceeded or not reached. Schaltungsanordnung (17) zur Bereitstellung eines konstanten Ausgangs-gleichstroms (24), insbesondere in einem Ladegerät, umfassend: - einen Gleichrichter (18) und - eine Wandlerstufe (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (17) leistungsfaktorkorrekturfrei und zwischenkreiskapazitätenfrei ausgebildet ist.Circuit arrangement (17) for providing a constant output direct current (24), in particular in a charger, comprising: - a rectifier (18) and - a converter stage (12), characterized in that the circuit arrangement (17) is designed to be free of power factor correction and intermediate circuit capacitance . Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei der Gleichrichter (18) ein passiver Gleichrichter ist.Circuit arrangement according to Claim 8 , wherein the rectifier (18) is a passive rectifier.
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