DE112007001127T5 - Leistungswandler mit ausgeglichenen Stromschienenströmen - Google Patents

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Abstract

Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC-Schaltung) für einen Leistungswandler, wobei die PFC-Schaltung umfasst:
eine geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens zwei Wicklungen;
mindestens zwei Spannungserhöhungsdioden;
mindestens zwei Stromschienen, wobei jede Stromschiene eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden umfasst; und
eine Stromausgleichsschaltung, die zwischen die Stromschienen gekoppelt ist.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Leistungsfaktorkorrekturschaltungen unter Verwendung geteilter Spannungserhöhungsdrosselspulen (engl. split boost chokes) und Leistungswandler, welche derartige Leistungsfaktorkorrekturschaltungen verwenden.
  • HINTERGRUND
  • Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung bereit und bilden möglicherweise keinen Stand der Technik.
  • Die aktuellen Forderungen nach erhöhter Leistungsdichte und höherem Wirkungsgrad zu erfüllen, kann bei Leistungswandlern mit hohen Ausgangsanforderungen schwierig sein. Bei dem Versuch, diese zwei Forderungen zu erfüllen, wurden verschiedene Techniken entwickelt. Derartige Techniken umfassen die Verwendung mehrerer Schaltungselemente, wie etwa mehrerer Leistungsschalter, Dioden und Drosselspulen für eine bessere Temperaturverwaltung und einen höheren Wirkungsgrad.
  • 1 veranschaulicht einen Spannungserhöhungswandler 100, der einige der voranstehend beschriebenen Techniken umfasst. Der Spannungserhöhungswandler 100 umfasst eine Wechselstrom-Leistungsquelle (AC-Leistungsquelle) 101, Ausgangsanschlüsse 102, 103, einen Ausgangskon densator C2, Leistungsschalter Q1 und Q2, Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 und Spannungserhöhungsdrosselspulen L1, L2 und L3. Die Spannungserhöhungsdrosselspule L3 ist eine gekoppelte geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit Wicklungen L31 und L32. Die Wicklung L31 und die Spannungserhöhungsdiode D6 bilden eine erste Stromschiene 104 und die Wicklung L32 und die Spannungserhöhungsdiode D7 bilden eine zweite Stromschiene 106. Ebenfalls ist in 1 eine Last R3 gezeigt, die mit den Ausgangsanschlüssen 102, 103 verbunden ist. Die Last R3 kann beispielsweise ein Leistungswandler sein, der eine PFC-Eingangsschaltung benötigt.
  • Allgemein wird im Betrieb des Spannungserhöhungswandlers 100 Energie in den Spannungserhöhungsdrosselspulen L1, L2 und L3 gespeichert, wenn die Leistungsschalter Q1 und Q2 geschlossen sind. Wenn die Leistungsschalter Q1 und Q2 geöffnet werden, werden die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 durchgeschaltet, und die in den Spannungserhöhungsdrosselspulen L1, L2 und L3 gespeicherte Energie fließt durch die Stromschienen 104 und 106 an den Ausgangsanschluss 102.
  • Die Verwendung einer gekoppelten geteilten Spannungserhöhungsdrosselspule, wie etwa der gekoppelten geteilten Spannungserhöhungsdrosselspule L3, ist eine bekannte Technik, um die Ströme auszugleichen, die in den Stromschienen 104 und 106 fließen. Wie jedoch von den Erfindern erkannt wurde, kann es sein, dass die in den Stromschienen 104 und 106 fließenden Ströme nicht ausgeglichen bleiben, obwohl die Wicklungen L31 und L32 gekoppelt sind. Derartige nicht ausgeglichene Ströme können durch verschiedene Faktoren verursacht werden, welche Unterschiede zwischen den Durchlassspannungsabfällen der Spannungserhöhungsdioden D6 und D7, die Leckinduktivität zwischen den Wicklungen L31 und L32 der geteilten Drosselspule, die Leiterbahninduktivität zwischen der Anode der Spannungserhöhungsdiode D6 und der Wicklung L31, die Leiterbahninduktivität zwischen der Anode der Spannungserhöhungsdiode D7 und der Wicklung L32, die Verzweigungsinduktivität (engl. branch inductivity) zwischen den Wicklungen L31 und L32 und den Leistungsschaltern Q1 und Q2, und/oder Fehlanpassungen zwischen den Leistungsschaltern Q1 und Q2 bezüglich der Ausgangskapazität, der Gate-Spannung, der Schwellenspannung und/oder Gate-Treibern und möglicherweise andere Faktoren umfassen.
  • Als Folge des nicht ausgeglichenen Stromflusses werden die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 und die Leistungsschalter Q1 und Q2 typischerweise um etwa 130% bis 150% überdimensioniert. Jedoch sind Ausfälle im Betrieb des Spannungserhöhungswandlers 100 dennoch zu erwarten, auch wenn die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 und die Leistungsschalter Q1 und Q2 überdimensioniert sind. Zum Beispiel kann der Spannungserhöhungswandler 100 bei einer stufenförmigen Last oder bei transienten Bedingungen an der Eingangsleitung ausfallen. Außerdem kann die thermische Leistung der Stromschienen 104 und 106 in der Abwesenheit überdimensionierter und/oder teurer Kühlkörper instabil sein.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC-Schaltung) für einen Leistungswandler eine geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens zwei Wicklungen, mindestens zwei Spannungserhöhungsdioden und mindestens zwei Stromschienen. Jede Stromschiene umfasst eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden. Die PFC-Schaltung umfasst ferner eine zwischen die Stromschienen gekoppelte Stromausgleichsschaltung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Leistungswandler eine gekoppelte geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens drei Wicklungen, mindestens drei Spannungserhöhungsdioden und mindestens drei Stromschienen. Jede Stromschiene umfasst eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden. Der Leistungswandler umfasst ferner mindestens zwei Stromausgleichsschaltungen. Jede Stromausgleichsschaltung ist zwischen die zwei Stromschienen gekoppelt, um Ströme in den Stromschienen im Wesentlichen auszugleichen, wenn der Leistungswandler Leistung an einen Ausgang liefert.
  • Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offenbar werden. Es sollte verstanden sein, dass die Beschreibung und die speziellen Beispiele nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
  • ZEICHNUNGEN
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen sind nur zur Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken.
  • 1 ist ein Schaltplan eines Spannungserhöhungswandlers mit einer gekoppelten geteilten Spannungserhöhungsdrosselspule gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 ist ein Schaltplan eines Spannungserhöhungswandlers mit einer Stromausgleichsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • 3 ist ein Ersatzschaltbild für den Spannungserhöhungswandler von 2.
  • 4 ist ein Schaltplan eines Spannungserhöhungswandlers mit einer Stromausgleichsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • 5 und 6 sind Schaltpläne von Spannungserhöhungswandlern mit mehreren Stromausgleichsschaltungen gemäß zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist weder dazu gedacht, den Schutzumfang dieser Offenbarung, noch ihre möglichen Anwendungen zu beschränken.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC-Schaltung) für einen Leistungswandler eine geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens zwei Wicklungen, mindestens zwei Spannungserhöhungsdioden, und mindestens zwei Stromschienen. Jede Stromschiene umfasst eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden. Die PFC-Schaltung umfasst ferner eine Stromausgleichsschaltung, die zwischen die Stromschienen gekoppelt ist.
  • Eine Ausführungsform eines Spannungserhöhungswandlers 200, der diesen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet, wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben. Ähnlich wie der Spannungserhöhungswandler 100 von 1 umfasst der in 2 gezeigte Spannungserhöhungswandler 200 die Leistungsschalter Q1 und Q2, die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 und die Spannungserhöhungsdrosselspulen L1, L2 und L3. Die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 sind mit den Wicklungen L31 und L32 verbunden, um die Stromschienen 104 und 106 zu bilden. Zudem umfasst der Spannungserhöhungswandler 200 eine Stromausgleichsschaltung 108 zum Ausgleichen von Strömen, die in den Stromschienen 104 und 106 fließen.
  • Bei der Ausführungsform von 2 umfasst die Stromausgleichsschaltung 108 einen Kondensator C3. Bei einer nachstehend beschriebenen weiteren Ausführungsform umfasst eine Stromausgleichsschaltung einen Kondensator in Serie mit einem Widerstand. Es sollte jedoch verstanden sein, dass zusätzliche und/oder andere Schaltungskomponenten in der Stromausgleichsschaltung verwendet werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Nun umfassen mit Bezug auf 3, welche eine Ersatzschaltung für den Spannungserhöhungswandler 200 von 2 ist, die Leistungsschalter Q1 und Q2 Ausgangskondensatoren C7 bzw. C8. Wenn die Leistungsschalter Q1 und Q2 geöffnet werden, fangen eine Drain-Source-Spannung V1 des Leistungsschalters Q1 und eine Drain-Source-Spannung V2 des Leistungsschalters Q2 an, anzusteigen. Aufgrund möglicher Fehleranpassungen zwischen den Kondensatoren C7 und C8 und zwischen den (nicht gezeigten) Gate-Treibern für jeden Leistungsschalter Q1 und Q2 kann es jedoch sein, dass die Spannungen V1 und V2 nicht zur gleichen Zeit oder mit der gleichen Geschwindigkeit zunehmen (oder abnehmen). Als Folge kann sich eine Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen V1 und V2 entwickeln und ein Stromungleichgewicht in den Stromschienen 104 und 106 verursachen, wenn die Stromausgleichsschaltung 108 nicht eingesetzt wird. Die Stromausgleichsschaltung 108 verhindert dieses Stromungleichgewicht im Wesentlichen, indem es die Spannungen V1 und V2 im Wesentlichen gleich hält. Wenn zum Beispiel die Spannung V1 anfängt, über die Spannung V2 anzusteigen, wird der Kondensator C3 beginnen, sich aufzuladen und die Spannungen V1 und V2 im Wesentlichen ausgleichen.
  • Wieder mit Bezug auf 2 kann die Stromausgleichsschaltung 108 im Wesentlichen auch die Spannungen an den Wicklungen L31 und L32 ausgleichen. Zum Beispiel wird in der Situation, in der die Spannung an der Wicklung L31 größer als die Spannung an der Wicklung L32 ist, der Kondensator C3 anfangen, sich aufzuladen, und die Spannungen der Wicklungen L31 und L32 im Wesentlichen ausgleichen.
  • Zudem kann die Stromausgleichsschaltung 108 auch Spannungen an Leckinduktivitäten der Wicklungen L31 und L32 im Wesentlichen ausgleichen. In 3 stellen Wicklungen L5 und L6 die Leckinduktivitäten der Wicklung L31 bzw. L32 dar. Wenn es einen Unterschied bei den Spannungen an den Wicklungen L5 und L6 gibt, kann sich der Kondensator C3 aufladen, um die Spannungen an den Wicklungen L5 und L6 im Wesentlichen auszugleichen. Es wird angemerkt, dass der substantielle Ausgleich der Spannungen an den Wicklungen L5 und L6 es ermöglicht, dass ein Magnetfluss an den Wicklungen L31 und L32 im Wesentlichen ausgeglichen wird, wenn die Stromschienen 104 und 106 Leistung an den Ausgangsanschluss 102 liefern.
  • Der substantielle Ausgleich der Spannungen V1 und V2, der Spannungen an den Wicklungen L31 und L32 und der Spannungen an den Leckinduktivitäten L5 und L6 bewirkt, dass die Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 zum Wesentlichen gleichen Zeitpunkt durchgeschaltet werden. Das Durchschalten der Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 zum gleichen Zeitpunkt kann eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen den Wicklungen L31 und L32, den Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 und entsprechend den Stromschienen 104 und 106 erzwingen. Es wird ferner angemerkt, dass das Erzwingen gleicher Ströme in den Stromschienen 104 und 106 auch eine gleiche Stromverteilung (und damit eine gleiche Leistungsdissipation) zwischen den Leistungsschaltern Q1 und Q2 erzwingen kann.
  • Die Stromausgleichsschaltung 108 kann die Ströme, die in den Stromschienen 104 und 106 beim Einschalten, im stationären Zustand, einer stufenförmigen Änderung in der Leitung und bei Fehlerbedingungen sowie fehlenden AC-Zyklusbedingungen fließen, im Wesentlichen ausgleichen. Zudem kann die Stromausgleichsschaltung 108 einen Sperrverzugsstrom in den Spannungserhöhungsdioden D6 und D7 verringern. Außerdem können, da die Ströme, die in den Stromschienen 104 und 106 fließen, im Wesentlichen ausgeglichen sind, kostengünstige und niedrig dimensionierte Leistungsschalter und Spannungserhöhungsdioden verwendet werden.
  • Die Kapazität des Kondensators C3 kann von den Schaltfrequenzen der Leistungsschalter Q1 und Q2 abhängen. Zum Beispiel kann bei Schaltfrequenzen im Bereich von 75 kHz bis 100 kHz die Kapazität des Kondensators C3 zwischen 0,1 μF bis 0,22 μF liegen. Es sollte jedoch verstanden sein, dass andere geeignete Kapazitäten und Schaltfrequenzen verwendet werden können, ohne den Schutzumfang dieser Offenbarung zu verlassen.
  • Wie in 4–6 veranschaulicht ist, kann bei einigen Ausführungsformen die Stromausgleichsschaltung 108 einen Widerstand R4 in Serie mit dem Kondensator C3 umfassen. Der Widerstandswert des Widerstands R4 kann niedrig sein, und von wenigen Milli-Ohm bis wenigen Ohm reichen. Bei einigen Ausführungsformen kann der in 4–6 gezeigte Widerstand R4 den äquivalenten seriellen Widerstandswert des Kondensators C3 darstellen (sodass nur der Kondensator C3 verwendet wird).
  • Obwohl der Spannungserhöhungswandler 200 von 2 nur zwei Stromschienen 104 und 106 umfasst, sollte verstanden sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel können Stromausgleichsschaltungen, wie sie vorstehend beschrieben sind, bei Leistungswandlern angewandt werden, die mehr als zwei Stromschienen aufweisen. Zum Beispiel veranschaulichen 5 und 6 Spannungserhöhungswandler 300 bzw. 400, welche einen dritten Leistungsschalter Q3, eine dritte Spannungserhöhungsdiode D8 und eine geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule L7 mit drei (oder mehr) gekoppelten Wicklungen L71, L72 und L73 umfassen. Die Spannungserhöhungsdiode D8 und die Wicklung L73 bilden eine dritte Stromschiene 112 zusätzlich zu den Stromschienen 104 und 106. Die Spannungserhöhungswandler 300, 400 in 5 und 6 umfassen jeweils zwei Stromausgleichsschaltungen 108. Eine Stromausgleichsschaltung 108 ist zwischen die Stromschienen 104 und 106 gekoppelt und die andere Stromausgleichsschaltung 108 ist zwischen die Stromschienen 104 und 112 gekoppelt.
  • Außerdem sollte verstanden sein, dass, obwohl 2–5 Spannungserhöhungsdrosselspulen L1 und L2 zusätzlich zu der geteilten Spannungserhöhungsdrosselspule L3 (oder L7) veranschaulichen, mehr oder weniger Spannungserhöhungsdrosselspulen verwendet werden können. Bei dem Spannungserhöhungswandler 400 von 6 zum Beispiel ist die geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule L7 die einzige verwendete Spannungserhöhungsdrosselspule.
  • Obwohl 5–6 Spannungserhöhungswandler mit drei Stromschienen 104, 106 und 112 veranschaulichen, sollte es verstanden sein, dass mehr als drei Stromschienen verwendet werden können, ohne den Schutzumfang dieser Offenbarung zu verlassen.
  • Die hierin beschriebenen Stromausgleichsschaltungen können bei einer Vielzahl von Leistungsfaktorkorrekturschaltungen (PFC-Schaltungen) verwendet werden, welche diejenigen umfassen, die hohe Leistungsausgangsanforderungen aufweisen (z. B. größer als 1,5 kW). Zusätzlich zu Spannungserhöhungswandlern können derartige PFC-Schaltungen auch bei anderen Wandlertypen verwendet werden, welche beispielsweise Spannungsverringerungswandler umfassen.
  • Obwohl 2–6 die Leistungsschalter Q1 und Q2 und 5–6 den Leistungsschalter Q3 als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) veranschaulichen, können außerdem andere geeignete Schalter, welche ohne eine Einschränkung Bipolartransistoren (BJTs) und/oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) umfassen, verwendet werden, ohne den Schutzumfang dieser Offenbarung zu verlassen.
  • Zusammenfassung
  • Eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC-Schaltung) umfasst eine gekoppelte geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens zwei Wicklungen 231, 232, mindestens zwei Spannungserhöhungsdioden D6, D7 und mindestens zwei Stromschienen 104, 106. Jede Stromschiene umfasst eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden. Die PFC-Schaltung umfasst ferner eine Stromausgleichsschaltung 108, die zwischen die Stromschienen gekoppelt ist, um Ströme in derartigen Stromschienen im Wesentlichen auszugleichen.

Claims (14)

  1. Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC-Schaltung) für einen Leistungswandler, wobei die PFC-Schaltung umfasst: eine geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens zwei Wicklungen; mindestens zwei Spannungserhöhungsdioden; mindestens zwei Stromschienen, wobei jede Stromschiene eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden umfasst; und eine Stromausgleichsschaltung, die zwischen die Stromschienen gekoppelt ist.
  2. PFC-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromausgleichsschaltung einen Kondensator umfasst.
  3. PFC-Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Stromausgleichsschaltung ferner einen Widerstand umfasst, der mit dem Kondensator in Serie geschaltet ist.
  4. PFC-Schaltung nach Anspruch 2, die ferner mindestens zwei Leistungsschalter umfasst, wobei jeder Schalter mit einer der Stromschienen verbunden ist, um die Spannungserhöhungsdioden gesteuert vorzuspannen.
  5. PFC-Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Schalter MOSFETs umfassen.
  6. PFC-Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Stromausgleichsschaltung zwischen Anoden der Spannungserhöhungsdioden gekoppelt ist.
  7. PFC-Schaltung nach Anspruch 2, wobei die geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule eine gekoppelte geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule ist.
  8. Leistungswandler, der die PFC-Schaltung nach Anspruch 1 umfasst.
  9. Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei der Leistungswandler ein Spannungserhöhungswandler ist.
  10. Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei der Leistungswandler ein AC/DC-Leistungswandler ist.
  11. Leistungswandler, der umfasst: eine gekoppelte geteilte Spannungserhöhungsdrosselspule mit mindestens drei Wicklungen, mindestens drei Spannungserhöhungsdioden, mindestens drei Stromschienen, wobei jede Stromschiene eine der Wicklungen und eine der Spannungserhöhungsdioden umfasst, und mindestens zwei Stromausgleichsschaltungen, wobei jede Stromausgleichsschaltung zwischen zwei der Stromschienen gekoppelt ist, um Ströme in den Stromschienen im Wesentlichen auszugleichen, wenn der Leistungswandler Leistung an einen Ausgang liefert.
  12. Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei die mindestens drei Stromschienen eine erste, eine zweite und eine dritte Stromschiene umfassen, wobei eine der Stromausgleichsschaltungen zwischen die erste und zweite Stromschiene gekoppelt ist und die andere Stromausgleichsschaltung zwischen die erste und dritte Stromschiene gekoppelt ist.
  13. Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei jede Stromausgleichsschaltung einen Kondensator umfasst.
  14. Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei jede Stromausgleichsschaltung einen Kondensator in Serie mit einem Widerstand umfasst.
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