DE112015002351B4 - Schaltung einer Energieversorgungseinheit - Google Patents

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Abstract

Schaltung einer Energieversorgungseinheit (100), die Folgendes aufweist:- eine erste Gleichrichtungseinrichtung (12) mit einer Anode, die mit dem negativen Anschluss (1b) einer DC-Energiequelle (1) verbunden ist;- eine zweite Gleichrichtungseinrichtung (16) mit einer Anode, die mit einer Kathode der ersten Gleichrichtungseinrichtung (12) verbunden ist;- einen ersten Kondensator (8) mit einem Ende, das mit der Anode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist;- einen zweiten Kondensator (14), der mit einer Kathode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist und mit dem positiven Anschluss (1a) der DC-Energiequelle (1) verbunden ist;- eine dritte Gleichrichtungseinrichtung (11) mit einer Anode, die mit der Kathode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist;- eine Resonanzdrossel (10), die mit dem einen Ende mit dem anderen Ende des ersten Kondensators (8) verbunden ist,- eine erste Schalteinrichtung (2) mit einem ersten Hauptanschluss, der mit dem positiven Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist, und mit einem zweiten Hauptanschluss, der mit dem anderen Ende der Resonanzdrossel (10) verbunden ist,- eine zweite Schalteinrichtung (9) mit einem ersten Hauptanschluss, der mit einer Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung (11) verbunden ist, und mit einem zweiten Hauptanschluss, der mit einem zweiten Hauptanschluss der ersten Schalteinrichtung (2) verbunden ist,- eine Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung (3) mit einer Kathode, die mit dem anderen Ende des ersten Kondensators (8) verbunden ist, und mit einer Anode, die mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist;- eine Ausgangs-Drosselspule (4) mit einem Ende, das mit dem zweiten Hauptanschluss der zweiten Schalteinrichtung (9) verbunden ist,- einen Ausgangskondensator (5), der ein Ende und ein anderes Ende besitzt, wobei das eine Ende mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist und das andere Ende mit dem anderen Ende der Ausgangs-Drosselspule (4) verbunden ist,- eine Steuerungsschaltung (7), die ein erstes Gate-Signal an einen Steuerungsanschluss der ersten Schalteinrichtung (2) sendet und die ein zweites Gate-Signal an einen Steuerungsanschluss der zweiten Schalteinrichtung (9) sendet, wobei das zweite Gate-Signal die umgekehrte Phase der Phase des ersten Gate-Signals hat.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung einer Energieversorgungseinheit. Insbesondere betrifft sie die Schaltung einer Energieversorgungseinheit, welche verringerte Schaltverluste hat.
  • Hintergrund
  • Bei der elektrischen Energieversorgungsschaltung einer elektronischen Einrichtung und dergleichen wird oft ein DC-DC-Umsetzer vom Zerhackertyp verwendet, welcher einer Last den Gleichstrom-Energieausgang mit einer Spannung zuführt, die verschieden ist von derjenigen einer DC-Energiequelle (siehe beispielsweise die Patentdokumente 1 bis 4). Der DC-DC-Umsetzer vom Zerhackertyp zerhackt zunächst die Gleichstrom-Energie von einer DC-Energiequelle, und zwar mittels der direkten Schaltvorgänge von Schaltelementen, und setzt sie in elektrische Energie mit hoher Frequenz um.
  • Die elektrische Energie mit hoher Frequenz wird mittels einer Drosselspule und einem Ausgangskondensator geglättet und wird weiter erneut in elektrische Gleichstrom-Energie umgesetzt. Genauer gesagt: Es wird ein DC-DC-Umsetzer vom Abwärtswandlungs-Zerhackertyp vorgeschlagen, welcher eine DC-Energiequelle, einen Transistor, eine Ausgangsdiode, eine Drosselspule, einen Ausgangskondensator und eine Steuerungsschaltung beinhaltet (siehe z. B. Patentdokument 1).
    Bei dem DC-DC-Umsetzer vom Abwärtswandlungs-Zerhackertyp fungiert der Transistor als Schalteinrichtung, wobei dessen Kollektoranschluss (der eine Hauptanschluss) mit dem positiven Anschluss (dem einen Ende) der DC-Energiequelle verbunden ist. Die Ausgangsdiode fungiert als Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung mit Rückführungs-Verwendung, welche mit dem Emitteranschluss (dem anderen Hauptanschluss) des Transistors und dem negativen Anschluss (dem anderen Ende) der DC-Energiequelle verbunden ist.
  • Das eine Ende der Drosselspule ist mit dem Verbindungspunkt des Transistors und der Ausgangsdiode verbunden. Der Ausgangskondensator ist mit dem anderen Ende der Drosselspule und auch mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle verbunden. Eine Last ist mit dem Ausgangskondensator verbunden, und zwar parallel zueinander. Die Steuerungsschaltung sendet ein Steuerungs-Impulssignal an den Basisanschluss des Transistors und erreicht die Einschalt- und Ausschaltsteuerung des Transistors.
  • Der DC-DC-Umsetzer vom Abwärtswandlungs-Zerhackertyp ist dazu imstande, einer Last die Gleichstrom-Energie mit einer Spannung zuzuführen, die niedriger ist als diejenige einer DC-Energiequelle, indem er das Einschalten und das Ausschalten eines Transistors steuert. Wenn dafür gesorgt wird, dass der Transistor einen Einschaltvorgang oder einen Ausschaltvorgang hat, dann werden Schaltverluste auf der Basis des überlappenden Bereichs zwischen einer Wellenform (VCE) der Spannung zwischen Kollektor und Emitter und einer Kollektorstrom-Wellenform (IC) des Transistors in großem Ausmaß erzeugt. Die Wellenform (VCE) der Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors und die Kollektorstrom-Wellenform (IC) des Transistors sind bei einer Vorderflanke/Anstiegsflanke der Wellenform steil. Demzufolge werden Spannungsstöße (Vsr), Stromstöße (Isr) und Störungen auf eine spitzenartige bzw. impulsartige Weise erzeugt.
  • Um die genannten Stöße und Störungen zu verringern, hat man bereits einen DC-DC-Umsetzer vom Zerhackertyp vorgeschlagen, welcher Folgendes aufweist: eine DC-Energiequelle, eine Schalteinrichtung, eine Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung, eine Drosselspule, einen Ausgangskondensator, eine Resonanzdrossel, eine erste Gleichrichtungseinrichtung, einen ersten Resonanzkondensator, eine zweite Gleichrichtungseinrichtung, einen zweiten Resonanzkondensator, eine dritte Gleichrichtungseinrichtung (siehe z. B. Patentdokument 1). Eine Last ist mit dem Ausgangskondensator verbunden, und zwar parallel zueinander. Die DC-Energiequelle ist aus einer Gleichrichtungsschaltung gebildet, welche die AC-Spannung einer AC-Energiequelle in die DC-Spannung umwandelt.
  • Die Schalteinrichtung hat einen Hauptanschluss, welcher mit dem einen Ende der DC-Energiequelle verbunden ist. Die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung ist mit dem anderen Hauptanschluss der Schalteinrichtung und auch mit dem anderen Ende der DC-Energiequelle verbunden. Die Drosselspule hat ein Ende, welches mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung verbunden ist.
  • Der Ausgangskondensator ist mit dem anderen Ende der Drosselspule und auch mit den anderen Ende der DC-Energiequelle verbunden. Die Resonanzdrossel ist mit der Schalteinrichtung und auch mit dem Verbindungspunkt der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung und der Drosselspule verbunden. Die erste Gleichrichtungseinrichtung hat ein Ende, welches mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung und der Resonanzdrossel verbunden ist. Der erste Resonanzkondensator hat ein Ende, welches mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung verbunden ist.
  • Die zweite Gleichrichtungseinrichtung ist mit dem anderen Ende des ersten Resonanzkondensators und auch mit dem anderen Ende der DC-Energiequelle verbunden. Der zweite Resonanzkondensator ist mit dem anderen Ende der ersten Gleichrichtungseinrichtung und auch mit dem einen Ende der DC-Energiequelle verbunden. Die dritte Gleichrichtungseinrichtung ist mit dem anderen Ende der ersten Gleichrichtungseinrichtung und auch mit dem anderen Ende des ersten Resonanzkondensators verbunden.
  • Der DC-DC-Umsetzer vom Zerhackertyp führt den DC-Energieausgang mit einer Spannung, die niedriger ist als diejenige einer DC-Energiequelle, der Last zu, indem sie die Einschalt- und Ausschaltsteuerung der Schalteinrichtung vornimmt. Wenn sich die Schalteinrichtung in einem Ausschaltzustand befindet, dann wird der erste Resonanzkondensator entladen. Gleichzeitig wird der zweite Resonanzkondensator auf eine Sinuswellen-Art geladen. Wenn sich wiederum die Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand befindet, dann wird der zweite Resonanzkondensator entladen.
  • Dadurch werden der erste Resonanzkondensator und der zweite Resonanzkondensator und die Resonanzdrossel in einen Resonanzzustand gebracht, und der Resonanzstrom fließt in die Schalteinrichtung hinein. Wenn die Schalteinrichtung den Ausschaltzustand aus dem Einschaltzustand annimmt, dann wird die erste Gleichrichtungseinrichtung in einen Vorwärts-Vorspannungszustand gebracht. Der elektrische Strom, der durch die Schalteinrichtung fließt, wird augenblicklich in einen elektrischen Strom umgeschaltet, welcher durch den zweiten Resonanzkondensator fließt.
  • Der erste Resonanzkondensator wird entladen, und außerdem wird der zweite Resonanzkondensator auf eine Sinuswellen-Art geladen. Demzufolge beginnt die Spannung zwischen den beiden Enden der Schalteinrichtung auf eine Sinuswellen-Art von 0 V aus anzusteigen. Dadurch wird ein Schalten im Spannungs-Nulldurchgang erzielt, wenn sich die Schalteinrichtung in einem Ausschaltzustand befindet.
  • Die Schalteinrichtung erzeugt verringerte Schaltverluste zur Zeit des Ausschaltens. Wenn die Schalteinrichtung den Einschaltzustand aus dem Ausschaltzustand annimmt, dann wird der zweite Resonanzkondensator entladen. Der erste Resonanzkondensator und der zweite Resonanzkondensator und die Resonanzdrossel nehmen den Resonanzzustand an, und der Resonanzstrom fließt durch die Schalteinrichtung.
  • Der elektrische Strom, der durch die Schalteinrichtung fließt, nimmt linear von Null aus zu. Demzufolge wird das Schalten im Strom-Nulldurchgang zu der Zeit erzielt, wenn sich die Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand befindet. Dadurch können die Schaltverluste zur Zeit des Einschaltens der Schalteinrichtung verringert werden. Durch die Resonanzvorgänge unter dem ersten Resonanzkondensator, dem zweiten Resonanzkondensator und der Resonanzdrossel werden die Schaltverluste zur Zeit der Einschalt- und Ausschaltvorgänge der Schalteinrichtung verringert, und außerdem werden die spitzenartigen bzw. impulsartigen Stoßspannungen und Stoßströme ebenfalls verringert.
  • Außerdem nimmt der elektrische Strom, der durch die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung fließt, allmählich ab, und zwar durch den Selbstinduktionsmechanismus der Resonanzdrossel zu der Zeit, wenn sich die Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand befindet. Der Verzögerungsstrom, der durch die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung in Rückwärtsrichtung fließt, nimmt zu der Zeit ab, wenn sich die Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand befindet.
  • Demzufolge kann eine strombegrenzende Drosselspule aus der Energieversorgungsschaltung entfernt werden, und die Anzahl der Komponenten kann verringert werden. Außerdem können die Schaltverluste und die Störungen infolge der Verzögerungskennlinien-Merkmale der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung weiter verringert werden, und zwar zu der Zeit, wenn sich die Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand befindet.
  • Das Patentdokument 5 betrifft eine Abwärtsreglerschaltung, insbesondere eine Abwärtsreglerschaltung mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Anlegen einer Eingangsspannung, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, an dem eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann, eine Reihenschaltung mit einem Schalter und einer Induktivität, die zwischen die erste Eingangsklemme und die erste Ausgangsklemme gekoppelt ist, wobei der Schalter einen Steuereingang zum Anlegen eines Steuersignals und eine erste Diode aufweist, die zwischen den Verbindungspunkt zwischen dem Schalter und der Induktivität und ein Bezugspotential gekoppelt ist, so dass bei freilaufender Induktivität ein Stromfluss durch die erste Diode möglich ist.
  • Literaturverzeichnis
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: JP 3 055 121 B2
    • Patentdokument 2: JP H08 - 308 219 A
    • Patentdokument 3: JP H10 - 146 048 A
    • Patentdokument 4: JP 2001 - 309 647 A
    • Patentdokument 5: US 2006 / 0 076 942 A1
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wie oben beschrieben, gehen ein elektrischer Strom, der in die Resonanzdrossel von der DC-Energiequelle hineinfließt, und ein elektrischer Strom, der von dem Resonanzkondensator aus fließt, gleichzeitig in dem DC-DC-Umsetzer vom Zerhackertyp hindurch, wenn die Schaltkondensatoren eingeschaltet sind. Die Resonanzdrossel hat einen größeren Scheitelstrom. Demzufolge wird eine große Drosselspule als die Resonanzdrossel verwendet, die nicht in Sättigung gerät, selbst wenn ein hoher elektrischer Strom in sie hineinfließt. Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um eine Schaltung anzugeben, welche eine kompakte Drosselspule als Resonanzdrossel verwenden kann, indem sie dafür sorgt, dass der elektrische Strom, den die Resonanzdrossel führt, hinsichtlich des Scheitelstroms kleiner gemacht wird.
  • Lösung des Problems
  • In Bezug auf die Schaltung einer Energieversorgungseinheit wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen gemäß der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Bei der Energieversorgungseinheit gemäß den vorliegenden Ausführungsformen wird dafür gesorgt, dass der Scheitelstrom einer Drosselspule kleiner wird, so dass es ermöglicht wird, dass eine kompakte Drosselspule als Resonanzdrossel verwendet wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der Schaltungs-Wellenformen der Energieversorgungseinheit gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist ein Diagramm zur Darstellung der Eingangs-Wellenformen der Gate-Signale gemäß den Ausführungsformen 3 und 4 der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
    • 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Verfahrens zum Erzeugen von Gate-Signalen gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist ein Diagramm, das die Eingangs-Wellenformen der Gate-Signale gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 9 ist ein Diagramm zur Darstellung der Verfahrens zum Erzeugen von Gate-Signalen gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Ausführungsform der Energieversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehendstehende Beschreibung beschränkt ist und angemessen innerhalb eines Umfangs modifiziert werden kann, der nicht von deren Geist abweicht.
  • Ausführungsform 1.
  • Das Schaltungsdiagramm der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt.Die Energieversorgungseinheit 100 gemäß Ausführungsform 1 weist Folgendes auf: eine DC-Energiequelle 1, eine Schalteinrichtung 2, eine Ausgangs-Drosselspule 4, einen Ausgangskondensator 5, eine Steuerungsschaltung 7, eine Resonanzdrossel 10, einen ersten Resonanzkondensator 8, einen zweiten Resonanzkondensator 14, eine erste Gleichrichtungseinrichtung 12, eine zweite Gleichrichtungseinrichtung 16, eine dritte Gleichrichtungseinrichtung 11 und eine Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3.
  • Die DC-Energiequelle 11 ist aus einer Gleichrichtungsschaltung zum Transformieren der AC-Spannung einer AC-Energiequelle in die DC-Spannung (Vin) aufgebaut, und sie hat einen positiven Anschluss 1a und einen negativen Anschluss 1b. Die Schalteinrichtung 2 weist einen ersten Hauptanschluss 2a, einen zweiten Hauptanschluss 2b und einen Steuerungsanschluss 2c auf. Die erste Gleichrichtungseinrichtung 12, die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16, die dritte Gleichrichtungseinrichtung 11 und die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 haben sämtlich jeweils eine Anode (A) und eine Kathode (K). Die Ausgangs-Drosselspule 4 ist auf der positiven Seite einer Last 6 angeordnet. Es zeigen sich jedoch ähnliche Wirkungen in der Energieversorgungseinheit, selbst wenn die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der negativen Seite der Last 6 angeordnet ist.
  • Die Schalteinrichtung 2 hat einen Hauptanschluss (einen ersten Hauptanschluss 2a), der mit dem einen Ende (mit dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden ist. Außerdem hat die Schalteinrichtung 2 den anderen Hauptanschluss (den zweiten Hauptanschluss 2b), der mit der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden ist. Was die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 anbelangt, so ist deren Kathode mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und dem ersten Resonanzkondensator 8 verbunden, und deren Anode ist mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Das eine Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 ist mit dem Verbindungspunkt des zweiten Hauptanschlusses 2b der Schalteinrichtung 2 und der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden. Der Ausgangskondensator 5 ist mit dem anderen Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 und auch mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Die Last 6 ist mit dem Ausgangskondensator 5 verbunden, und zwar parallel zueinander. Die Steuerungsschaltung 7 führt die Öffnungs- und Schließsteuerung der Schalteinrichtung 2 durch. Dadurch führt die Energieversorgungseinheit 100 der Last 6 die DC-Energieausgabe zu, deren Spannung niedriger ist als diejenige der DC-Energiequelle 1.
    Das eine Ende der Resonanzdrossel 10 ist mit dem Verbindungspunkt des zweiten Hauptanschlusses 2b der Schalteinrichtung 2, dem einen Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 und der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden. Ferner ist das andere Ende der Resonanzdrossel 10 mit dem Verbindungspunkt des anderen Endes des ersten Resonanzkondensators 8 und der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden.
  • Das eine Ende (die Kathode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 ist mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung 2 und der Resonanzdrossel 10 verbunden. Die erste Gleichrichtungsschaltung 12 ist mit dem einen Ende der ersten Resonanzdrossel 8 und auch mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Das andere Ende des ersten Resonanzkondensators 8 ist mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden.
  • Der zweite Resonanzkondensator 14 ist mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 und auch mit dem einen Ende (dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Was die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16 anbelangt, ist deren Kathode mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden, und deren Anode ist mit dem einen Ende der Resonanzdrossel 8 verbunden.
  • Die Steuerungsschaltung 7 führt eine Messung der elektrischen Potentialdifferenz aus, welche zwischen den beiden Enden der Last 6 erzeugt wird. Die Steuerungsschaltung 7 führt Berechnungen auf der Basis der gemessenen elektrischen Potentialdifferenz aus und erzeugt ein Gate-Signal für die Schalteinrichtung 2 mit einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis. Außerdem führt die Steuerungsschaltung 7 eine Messung bei beliebigen zugewiesenen Punkten der Energieversorgungseinheit 100 durch, um die Messung der Spannung der DC-Energiequelle 1, der Spannung der Last 6 und des Stroms der Ausgangs-Drosselspule 4 und dergleichen auszuführen.
  • Es ist denkbar, dass die Steuerungsschaltung 7 Berechnungen auf der Basis dieser gemessenen Eingaben durchführt und ein Gate-Signal mit einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis an die Schalteinrichtung 2 sendet. Die Energieversorgungseinheit 100 ist dazu imstande, eine konstante Spannung der Last 6 zuzuführen, indem sie es der Steuerungsschaltung 7 ermöglicht, das Gate-Signal an den Steuerungsanschluss 2c der Schalteinrichtung 2 mit einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis zu senden.
  • Unter Bezugnahme auf die Schaltungs-Wellenformen, die in 2 gezeigt sind, wird als nächstes das Verhalten der Energieversorgungseinheit 100 beschrieben. Das Gate-Signal, welches die Steuerungsschaltung 7 an die Schalteinrichtung 2 sendet, klingt zum Zeitpunkt t1 ab und steigt zum Zeitpunkt t4 an. Die Schalteinrichtung 2 wird von dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand zum Zeitpunkt der Zeit t1 geschaltet.
  • Wenn sich die Schalteinrichtung 2 in einem Ausschaltzustand befindet, dann wird der erste Resonanzkondensator 8 entladen, und zusätzlich wird der zweite Resonanzkondensator 14 geladen. Wenn sich wiederum die Schalteinrichtung 2 in einem Einschaltzustand befindet, dann wird der zweite Resonanzkondensator 14 entladen.
  • Außerdem nehmen der erste Resonanzkondensator 8, der zweite Resonanzkondensator 14 und die Resonanzdrossel 10 den Resonanzzustand an, und dadurch fließt der Resonanzstrom durch die Schalteinrichtung 2. Der elektrische Strom nimmt die folgenden zwei Pfade während des Zeitraums von der Zeit t1 bis zur Zeit t2.
    • Strompfad 1: (DC-Energiequelle 1) → (zweiter Resonanzkondensator 14)→ (dritte Gleichrichtungseinrichtung t1 ) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (DC-Energiequelle 1)
    • Strompfad 2 : (erster Resonanzkondensator 8) → (Resonanzdrossel 10) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (erste Gleichrichtungseinrichtung 12) → (erster Resonanzkondensator 8)
  • Wie in dem Graphen für die Spannung gezeigt, wird in der Schalteinrichtung 2 ein ZVS (Zero Voltage Switching, Schalten im Spannungs-Nulldurchgang) zum Zeitpunkt t1 durchgeführt. Während dieses Zeitraums befindet sich der zweite Resonanzkondensator 14 in einer Ladung auf eine Spannung Vin, und der erste Resonanzkondensator 8 befindet sich in der Entladung. Der zweite Resonanzkondensator 14 bezieht die Spannung Vin zum Zeitpunkt der Zeit t2, und es findet eine Veränderung des Strompfades statt.
  • Der elektrische Strom nimmt die folgenden zwei Pfade während des Zeitraums von der Zeit t2 bis zur Zeit t3. Es sei angemerkt, dass das ZVS einen Zustand bezeichnet, in welchem eine steile Vorderflanke/Anstiegsflanke der Spannung durch ein hartes Schaltverfahren so begrenzt wird, dass es einer gedämpften Art und Weise folgt.
    • Strompfad 2 : (erster Resonanzkondensator 8) → (Resonanzdrossel 10) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (erste Gleichrichtungseinrichtung 12) → (erster Resonanzkondensator 8)
    • Strompfad 3: (erste Gleichrichtungseinrichtung 12) → (zweite Gleichrichtungseinrichtung 16) → (dritte Gleichrichtungseinrichtung t1 ) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (erste Gleichrichtungseinrichtung 12)
  • Der erste Resonanzkondensator 8 wird während des Zeitraums von der Zeit t2 bis zur Zeit t3 entladen. Die Spannung des ersten Resonanzkondensators 8 erreicht 0 V zu dem Zeitpunkt der Zeit t3, und es tritt eine Veränderung des Strompfades auf. Der elektrische Strom nimmt den folgenden Pfad während des Zeitraums von der Zeit t3 bis zur Zeit t4. In der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 wird, wie in dem Graphen für die Spannung gezeigt, das ZVS zum Zeitpunkt t3 durchführt.
    • Strompfad 4 : (Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3) → (Resonanzdrossel 10) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3)
  • Die Schalteinrichtung 2 wird von dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand zum Zeitpunkt der Zeit t4 geschaltet. Der elektrische Strom nimmt die folgenden zwei Pfade während des Zeitraums von der Zeit t4 bis zur Zeit t5. Wie in dem Graphen für den Strom gezeigt, wird in der Schalteinrichtung 2 ein ZCS (Zero Current Switching, Schalten im Strom-Nulldurchgang) zum Zeitpunkt t4 durchgeführt. Es sei angemerkt, dass das ZCS einen Zustand bezeichnet, in welchem eine steile Vorderflanke/Anstiegsflanke des Stroms durch das harte Schaltverfahren so begrenzt wird, dass er einer gedämpften Art und Weise folgt.
    • Strompfad 5 : (DC-Energiequelle 1) → (Schalteinrichtung 2) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (DC-Energiequelle 1)
    • Strompfad 4 : (Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3) → (Resonanzdrossel 10) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3)
  • Eine Veränderung des Strompfades findet statt, wenn der elektrische Strom, der durch die Schalteinrichtung 2 fließt, den Wert 0 A annimmt. Der elektrische Strom nimmt die folgenden zwei Pfade während des Zeitraums von der Zeit t4 bis zur Zeit t6.
    • Strompfad 5 : (DC-Energiequelle 1) → (Schalteinrichtung 2) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (DC-Energiequelle 1)
    • Strompfad 6 : (zweiter Resonanzkondensator 14) → (Schalteinrichtung 2) → (Resonanzdrossel 10) → (erster Resonanzkondensator 8) → (zweite Gleichrichtungseinrichtung 16) → (zweiter Resonanzkondensator 14)
  • In der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 gilt Folgendes: Wie in dem Graphen für den Strom und in dem Graphen für die Spannung gezeigt, werden das ZVS und das ZCS zum Zeitpunkt t5 duchgeführt. Während dieses Zeitraums fließt der Resonanzstrom durch den Strompfad 6. Der zweite Resonanzkondensator 14 befindet sich in der Entladung, und der erste Resonanzkondensator 8 befindet sich in der Ladung.
  • Hierbei wird eine dahingehende Annahme gemacht, dass die Kapazität des zweiten Resonanzkondensators 14 gleich C1 ist, und dass die Kapazität des ersten Resonanzkondensators 8 gleich C2 ist. Die Ausgangsspannung des ersten Resonanzkondensators 8 wird wie folgt ausgedrückt: √ (C1/C2) x Vin. Zum Zeitpunkt t6 nimmt die Spannung der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 folgenden Ausdruck an: (1 + √ (C1/C2)) x Vin.
  • Um die Stehspannung der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 zu verringern, ist es möglich, ein Verfahren zu verwenden, bei welchem die Kapazität des ersten Resonanzkondensators 8 (C2) größer als die Kapazität des zweiten Resonanzkondensators 14 (C1) gemacht wird. Eine Veränderung des Strompfades findet statt, wenn die Spannung des zweiten Resonanzkondensators 14 einen Wert von 0 V annimmt. Der elektrische Strom nimmt den folgenden Strompfad während des Zeitraums von der Zeit t6 bis zur Zeit t1. Strompfad 5 : (DC-Energiequelle 1) → (Schalteinrichtung 2) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (DC-Energiequelle 1)
    Die Resonanzdrossel 10 ist mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung 2 und der Ausgangs-Drosselspule 4 verbunden, und auch mit der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3. Das eine Ende (die Kathode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 ist mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung 2 und der Resonanzdrossel 10 verbunden. Was die erste Gleichrichtungseinrichtung 12 anbelangt, ist deren Kathode mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden, und deren Anode ist mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Das andere Ende des ersten Resonanzkondensators 8 ist mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden. Der zweite Resonanzkondensator 14 ist mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 und auch mit dem einen Ende (dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Was die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16 anbelangt, ist deren Kathode mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden, und deren Anode ist mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden.
  • Bei der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 1 befindet sich der erste Resonanzkondensator 8 in der Entladung, und außerdem befindet sich der zweite Resonanzkondensator 14 in der Ladung, während sich die Schalteinrichtung 2 in einem Ausschaltzustand befindet. Wenn sich wiederum die Schalteinrichtung 2 in einem Einschaltzustand befindet, dann wird der zweite Resonanzkondensator 14 entladen.
  • Außerdem nehmen der erste Resonanzkondensator 8, der zweite Resonanzkondensator 14 und die Resonanzdrossel 10 den Resonanzzustand an, und der Resonanzstrom fließt durch die Schalteinrichtung 2. Auf die Weise, die oben beschrieben ist, behält die Energieversorgungseinheit 100 die Schaltungsmerkmale des DC-DC-Umsetzers vom Zerhackertyp bei.
  • Der elektrische Strom, der von dem zweiten Resonanzkondensator 14 aus fließt, fließt in die Resonanzdrossel 10, wenn die Schalteinrichtung 2 in den Einschaltzustand geschaltet wird. Bei der Energieversorgungseinheit 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform fließt der elektrische Strom, der von der DC-Energiequelle 1 aus fließt, nicht in die Resonanzdrossel 10 hinein. Dadurch wird der Scheitelstrom der Resonanzdrossel 10 verringert, und es kann eine kompakte Drosselspule als Resonanzdrossel 10 verwendet werden.
  • Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, aus der Schaltung die Komponenten von großem Ausmaß und großem Gewicht zu beseitigen, wie z. B. eine strombegrenzende Drosselspule und andere. Außerdem wird die Anzahl von Komponenten in der Schaltung verringert, und die Schaltverluste und die Störungen werden verringert.
  • Eine Energieversorgungseinheit mit geringen Schaltverlusten und geringen Störungen ist mit einer kompakten Größe, einem geringen Gewicht und niedrigen Kosten verfügbar. Ferner nimmt die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 eine herkömmliche Gleichrichterdiode an, welche eine lange Sperrverzögerungszeit hat. Demzufolge ist es nicht notwendig, eine erste Recovery-Diode (Erholungsdiode, FRD) zu verwendet, deren Sperrverzögerungszeit kurz ist.
  • Während die Energieversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine dahingehende vorteilhafte Wirkung beibehält, dass sie die Begrenzung von elektrischen Komponenten für die Verwendung ausschließt, nimmt die Resonanzdrossel 10 nur den Resonanzstrom durch den ersten Resonanzkondensator 8, den zweiten Resonanzkondensator 14 und die Resonanzdrossel 10 an, wenn sich die Schalteinrichtung 2 in einem Einschaltzustand befindet. Der elektrische Strom, der von der DC-Energiequelle 1 aus fließt, fließt nicht in die Resonanzdrossel 10. Dadurch ist eine kompakte Drosselspule für die Resonanzdrossel 10 geeignet.
  • Ausführungsform 2.
  • Das Schaltungsdiagramm, dessen Beschreibung bei der Ausführungsform 2 erfolgt, ist in 3 gezeigt. Das eine Ende der Resonanzdrossel 10 ist mit dem zweiten Hauptanschluss 2b der Schalteinrichtung 2, dem einen Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 und der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden. Was die erste Gleichrichtungseinrichtung 12 anbelangt, ist deren Kathode mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden, und deren Anode ist mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
    Das andere Ende der Resonanzdrossel 10 ist mit dem anderen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 und auch mit der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden. Die dritte Gleichrichtungseinrichtung 11 hat ein Ende (die Kathode), welches mit dem Verbindungspunkt der Schalteinrichtung 2 und der Resonanzdrossel 10 verbunden ist.
  • Das andere Ende des ersten Resonanzkondensators 8 ist mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden. Der zweite Resonanzkondensator 14 ist mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 und auch mit dem einen Ende (dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Was die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16 anbelangt, ist deren Kathode mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden, und deren Anode ist mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden. Was die vierte Gleichrichtungseinrichtung 15 anbelangt, ist deren Anode mit dem einen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden, und deren Kathode ist mit der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden. Demzufolge nimmt der elektrische Strom gemäß Ausführungsform 2 den folgenden Strompfad 3A, und zwar anstelle des Strompfades 3 gemäß Ausführungsform 1.
    • Strompfad 3A: (Vierte Gleichrichtungseinrichtung 15) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (Vierte Gleichrichtungseinrichtung 15)
  • Das grundsätzliche Verhalten der Schaltung gemäß Ausführungsform 2 ist das Gleiche wie das bei der Ausführungsform 1. Die Schaltung gemäß Ausführungsform 2 unterscheidet sich von derjenigen bei der Ausführungsform 1 dadurch, dass die vierte Gleichrichtungseinrichtung 15 mit der Reihenschaltung parallel zueinander verbunden ist, welche aus der Resonanzdrossel 10 und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 gebildet ist. Gemäß der Energieversorgungseinheit der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl von Gleichrichtungseinrichtungen, die den Strompfad 3A nimmt, geringer als diejenige bei der Ausführungsform 1 (Strompfad 3), da die vierte Gleichrichtungseinrichtung 15 in der Schaltung verwendet wird.
    Dadurch hat die Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 2 die Wirkungen von Ausführungsform 1, und außerdem werden die Schaltverluste weiter verringert. Es sei angemerkt, dass die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der positiven Seite der Last 6 bei der Ausführungsform 2 angeordnet ist. Es zeigen sich auch ähnliche Wirkungen in der Energieversorgungseinheit, selbst wenn die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der negativen Seite der Last 6 angeordnet ist.
  • Ausführungsform 3.
  • Das Schaltungsdiagramm, dessen Beschreibung bei der Ausführungsform 3 erfolgt, ist in 4 gezeigt. Das grundsätzliche Verhalten der Schaltung gemäß Ausführungsform 3 ist das Gleiche wie das bei der Ausführungsform 1. Die Schaltung gemäß Ausführungsform 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Ausführungsform 1 dadurch, dass die Schalteinrichtung 9 verwendet wird, und zwar als ein Ersatz für die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3.
  • Die Schalteinrichtung 9 hat einen ersten Hauptanschluss 9a, einen zweiten Hauptanschluss 9b und einen Steuerungsanschluss 9c. Das eine Ende des ersten Resonanzkondensators 8 ist mit der Kathode der ersten Gleichrichtungseinrichtung 12 verbunden. Was die Schalteinrichtung 9 anbelangt, ist deren erster Hauptanschluss 9a mit dem anderen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden, und deren zweiter Hauptanschluss 9b ist mit dem einen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Demzufolge nimmt der elektrische Strom den folgenden Strompfad 4A, und zwar anstelle des Strompfades 4 gemäß Ausführungsform 1. Die Graphen für die Spannung und den Strom, welche die Schalteinrichtung 9 betreffen, sind die gleichen wie die Graphen für die Spannung und den Strom, welche die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 betreffen, die in 2 gezeigt ist.
  • Es sei angemerkt, dass die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der positiven Seite der Last 6 bei der Ausführungsform 3 angeordnet ist. Es zeigen sich auch ähnliche Wirkungen in der Energieversorgungseinheit, selbst wenn die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der negativen Seite der Last 6 angeordnet ist.
    • Strompfad 4A : (Schalteinrichtung 9) → (Resonanzdrossel 10) → (Ausgangs-Drosselspule 4) → (Ausgangskondensator 5 oder Last 6) → (Schalteinrichtung 9)
  • 5 zeigt die Schaltungs-Wellenformen der Gate-Signale, welche an die Schalteinrichtung 2 (die erste Schalteinrichtung) und auch die Schalteinrichtung 9 (die zweite Schalteinrichtung) gesendet werden. Eine Steuerungsschaltung 7 überträgt ein erstes Gate-Signal an den Steuerungsanschluss 2c der Schalteinrichtung 2. Auf ähnliche Weise überträgt die Steuerungsschaltung 7 ein zweites Gate-Signal an den Steuerungsanschluss 9c der Schalteinrichtung 9. Das erste Gate-Signal und das zweite Gate-Signal stehen in komplementärer Beziehung.
  • Die Schalteinrichtung 9 wird eingeschaltet, und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn der erste Resonanzkondensator 8 vollständig entladen ist und der Strom beginnt, in die Schalteinrichtung 9 zu fließen. Es sei jedoch angemerkt, dass eine Totzeit td1 notwendig ist. Die Schalteinrichtung 9 wird ausgeschaltet, und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn die Schalteinrichtung 2 eingeschaltet wird. Es sei jedoch angemerkt, dass eine Totzeit td2 notwendig ist. Die Steuerungsschaltung 7 bewirkt, dass die Schalteinrichtung 9 in einen Einschaltzustand wechselt, während dessen der elektrische Strom durch den Strompfad 4A fließt.
  • Im Ergebnis wird eine synchrone Gleichrichtung erzielt. Demzufolge hat die Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 3 die Wirkungen von Ausführungsform 1, und außerdem werden die Schaltverluste weiter verringert, als in dem Fall, in welchem die Gleichrichtungseinrichtung verwendet wird.
  • Ausführungsform 4.
  • Das Schaltungsdiagramm, dessen Beschreibung bei der Ausführungsform 4 erfolgt, ist in 6 gezeigt. Die Schaltung gemäß Ausführungsform 4 ist eine Schaltung, bei welcher die vierte Gleichrichtungseinrichtung 15, die bei der Ausführungsform 2 gezeigt ist, und die Schalteinrichtung 9, die bei der Ausführungsform 3 gezeigt ist, beide verwendet werden. Das erste Gate-Signal wird zum Steuerungsanschluss 2c der Schalteinrichtung 2 gesendet (siehe 5 als Bezug). Das zweite Gate-Signal wird auf ähnliche Weise zum Steuerungsanschluss 9c der Schalteinrichtung 9 gesendet (siehe 5 als Bezug). Was die vierte Gleichrichtungseinrichtung 15 anbelangt, ist deren Anode mit dem einen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden, und deren Kathode ist mit der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden.
  • Demzufolge hat die Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 4 beide Wirkungen der Ausführungsform 2 und der Ausführungsform 3. Es sei angemerkt, dass die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der positiven Seite der Last 6 bei der Ausführungsform 4 angeordnet ist. Es zeigen sich auch ähnliche Wirkungen in der Energieversorgungseinheit, selbst wenn die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der negativen Seite der Last 6 angeordnet ist.
  • Ausführungsform 5.
  • Das Schaltungsdiagramm der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 5 ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schaltungsdiagramm (siehe 4 als Bezug) gemäß Ausführungsform 3 7 zeigt die Konfiguration einer Steuerungsschaltung 7, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Die Steuerungsschaltung 7 erzeugt ein erstes Gate-Signal, das zu der Schalteinrichtung 2 (der ersten Schalteinrichtung) gesendet wird, und ein zweites Gate-Signal, das zu der Schalteinrichtung 9 (der zweiten Schalteinrichtung) gesendet wird.
  • Die Steuerungsschaltung 7 weist eine Totzeit-Berechnungseinheit 17, eine Gatesignal-Erzeugungseinheit 18 und eine Tastverhältnis-Berechnungseinheit 19 auf. Die Steuerungsschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen bei der Ausführungsform 3 dahingehend, dass die Steuerungsschaltung 7 die Totzeit-Berechnungseinheit 17 aufweist, welche eine Totzeit td3 (eine erste Totzeit) und eine Totzeit td4 (eine zweite Totzeit) berechnet.
  • 8 zeigt die Schaltungs-Wellenformen eines ersten Gate-Signals, welches zu der Schalteinrichtung 2 gesendet wird, und eines zweiten Gate-Signals, welches zu der Schalteinrichtung 9 gesendet wird. Die Totzeit ist definiert als ein Zeitraum, wenn sich eine erste Schalteinrichtung (die Schalteinrichtung 2) und eine zweite Schalteinrichtung (die Schalteinrichtung 9) beide im Ausschaltzustand befinden. Die Totzeit dt3 muss zwischen der Zeit t1 (der Abklingzeit des ersten Gate-Signals) und der Zeit t3 (der Anstiegszeit des zweiten Gate-Signals) vorgesehen werden.
  • Die Totzeit dt4 muss zwischen der Zeit t4 (der Abklingzeit des zweiten Gate-Signals) und der Zeit t5 (der Anstiegszeit des ersten Gate-Signals) vorgesehen werden. Die Totzeit td3 und die Totzeit td4 behalten minimale Zeiträume zum Verlassen der gleichzeitigen Einschaltvorgänge der Schalteinrichtung 2 und der Schalteinrichtung 9 bei. Wenn die Schalteinrichtung 2 und die Schalteinrichtung 9 gleichzeitig eingeschaltet werden, dann wird die DC-Energiequelle 1 in einen Kurzschlusszustand überführt.
  • Die Totzeit td3 ist so eingestellt, dass sie die Bedingungen erfüllt, dass der zweite Resonanzkondensator 14 geladen wird, so dass er die Spannung der DC-Energiequelle 1 hat, dass der erste Resonanzkondensator 8 entladen wird, so dass er 0 V annimmt, und ferner dass die Schalteinrichtung 9 zu dem Zeitpunkt eingeschaltet wird, zu welchem der elektrische Strom in die Schalteinrichtung 9 hinein zu fließen beginnt. Die Länge der Totzeit td3 muss verändert werden, unter Berücksichtigung der Spannung der DC-Energiequelle 1, der Potentialdifferenz, die zwischen den Anschlüssen der Last 6 erzeugt wird, und des Stroms der Ausgangs-Drosselspule 4.
  • Die Totzeit-Berechnungseinheit 17 nimmt als ihren Eingang Folgendes entgegen: Die Spannung (Vin) der DC-Energiequelle 1, die Potentialdifferenz (Vout), die zwischen den Anschlüssen der Last 6 erzeugt wird, und den Laststrom (Iout). Sie bestimmt die Totzeit td3.
  • Die Tastverhältnis-Berechnungseinheit 19 nimmt als ihren Eingang Folgendes entgegen: Die Spannung (Vin) der DC-Energiequelle 1 und die Potentialdifferenz (Vout), die zwischen den Anschlüssen der Last 6 erzeugt wird. Sie bestimmt das Tastverhältnis der Gleichrichtungseinrichtung 2. Die Totzeit td3 und die Totzeit td4 neigen dazu, kürzer zu sein, wenn der elektrische Strom, der durch die Ausgangs-Drosselspule 4 fließt, größer wird, und wenn die Spannung, die zwischen den beiden Enden der Last 6 (oder dem Ausgangskondensator 5) erzeugt wird, kleiner wird oder die Spannung der DC-Energiequelle 1 kleiner wird.
  • Die Gatesignal-Erzeugungseinheit 18 nimmt die Totzeit td3, die Totzeit td4 und das Tastverhältnis der Schalteinrichtung 2 als ihre Eingabe entgegen, und sie erzeugt ein erstes Gate-Signal und ein zweites Gate-Signal als ihre Ausgabe. Die Steuerungsschaltung 7 berechnet die am besten geeignete Totzeit td3 sofort und bestimmt ein Gate-Signal, und zwar selbst für den Fall, dass irgendeine oder alle von Spannung der DC-Energiequelle 1, zwischen der Last 6 erzeugter Potentialdifferenz und Strom der Ausgangs-Drosselspule 4 großen Schwankungen unterliegen.
  • Es wird dafür gesorgt, dass die Body-Diode des Schaltelements 9 keine Zeitdauer hat, bei welcher sich die Body-Diode im leitenden Zustand befindet. Demzufolge können Wirkungen, dass die Schaltverluste durch die synchrone Gleichrichtung weiter verbessert werden, in einem Fall, in welchem eine Body-Diode, welche einen längeren Einschaltzustand-Widerstand im Vergleich zu dem Widerstand der Schalteinrichtung 9 hat, als Einrichtung in der Schalteinrichtung 9 verwendet wird.
  • Ausführungsform 6.
  • Das Schaltungsdiagramm der Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 6 ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schaltungsdiagramm (siehe 4 als Bezug) gemäß Ausführungsform 5. Die Konfiguration einer Steuerungsschaltung 7, welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist in 9 gezeigt. Die Steuerungsschaltung 7 beinhaltet eine Kondensator-Entladungs-Detektoreinheit 20, eine Gatesignal-Erzeugungseinheit 18 und eine Einlauf-Verarbeitung 21. Die Steuerungsschaltung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Schaltung bei der Ausführungsform 5 dadurch, dass die Totzeit-Berechnungseinheit nicht in der Schaltung vorhanden ist.
  • Die Steuerungsschaltung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektiert die Spannung des ersten Resonanzkondensators 8 und bestimmt den Zeitpunkt, um zu veranlassen, dass die zweite Schalteinrichtung eingeschaltet wird. Beispielsweise detektiert die Kondensator-Entladungs-Detektoreinheit 20 einen Zeitpunkt, wenn die Detektionsspannung (Vc8) des ersten Resonanzkondensators 8 von einem positiven Wert auf 0 V verändert wird, und die Einlauf-Verarbeitung 21 fügt das zweite Gate-Signal mit einer Einschalt-Anweisung ein.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist jedes von dem ersten Gate-Signal, das zu der ersten Schalteinrichtung gesendet wird, und dem zweiten Gate-Signal, das zu der zweiten Schalteinrichtung gesendet wird, so begrenzt, dass es eine Totzeit hat, die größer ist als die minimale Totzeit, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern. Wie bei der Ausführungsform 5 wird dadurch dafür gesorgt, dass die Body-Diode des Schaltelements 9 keine Zeitdauer hat, bei welcher sich die Body-Diode im leitenden Zustand befindet. Demzufolge werden die Wirkungen, dass die Schaltverluste verringert werden, am weitesten verbessert, und zwar infolge der synchronen Gleichrichtung.
  • Ausführungsform 7.
  • Das Schaltungsdiagramm einer Energieversorgungseinheit gemäß Ausführungsform 7 ist in 10 gezeigt. Die Energieversorgungseinheit 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist Folgendes auf: eine DC-Energiequelle 1, eine Schalteinrichtung 2, eine Ausgangs-Drosselspule 4, einen Ausgangskondensator 5, eine Steuerungsschaltung 7, eine Resonanzdrossel 10, einen ersten Resonanzkondensator 8, einen zweiten Resonanzkondensator 14, eine erste Gleichrichtungseinrichtung 12, eine zweite Gleichrichtungseinrichtung 16, eine dritte Gleichrichtungseinrichtung 11 und eine Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3.
  • Die DC-Energiequelle 1 ist so konfiguriert, dass sie eine Gleichrichtungsschaltung hat, welche die AC-Spannung einer AC-Energiequelle in die DC-Spannung (Vin) umwandelt, und sie hat einen positiven Anschluss 1a und einen negativen Anschluss 1b.
  • Die Schalteinrichtung (die erste Schalteinrichtung) 2 weist einen ersten Hauptanschluss 2a, einen zweiten Hauptanschluss 2b und einen Steuerungsanschluss 2c auf. Die Schalteinrichtung (die zweite Schalteinrichtung) 22 weist einen ersten Hauptanschluss 22a, einen zweiten Hauptanschluss 22b und einen Steuerungsanschluss 22c auf. Die erste Gleichrichtungseinrichtung 12, die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16, die dritte Gleichrichtungseinrichtung 11 und die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 haben sämtlich jeweils eine Anode (A) und eine Kathode (K). Die Ausgangs-Drosselspule 4 ist hier auf der positiven Seite einer Last 6 angeordnet.
  • Es zeigen sich jedoch die gleichen Wirkungen in der Energieversorgungseinheit, selbst wenn die Ausgangs-Drosselspule 4 auf der negativen Seite der Last 6 angeordnet ist. Der eine Hauptanschluss (der erste Hauptanschluss 2a) der ersten Schalteinrichtung 2 ist mit dem einen Ende (mit dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Ferner ist der andere Hauptanschluss (der zweite Hauptanschluss 2b) der Schalteinrichtung 2 mit dem einen Hauptanschluss (dem zweiten Hauptanschluss 22b) der Schalteinrichtung 22 verbunden. Was die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 anbelangt, ist deren Kathode mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und dem ersten Resonanzkondensator 8 verbunden, und deren Anode ist mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden.
  • Das eine Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 ist mit dem Verbindungspunkt des zweiten Hauptanschlusses 2b der Schalteinrichtung 2 und dem zweiten Hauptanschluss 22b der Schalteinrichtung 22 verbunden. Der Ausgangskondensator 5 ist mit dem anderen Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 und mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Die Last 6 ist mit dem Ausgangskondensator 5 verbunden, und zwar parallel zueinander.
  • Die Steuerungsschaltung 7 bewirkt die Öffnungs-/Schließsteuerung der Schalteinrichtung 2, und dadurch führt die Energieversorgungseinheit 100 die DC-Energieausgabe, welche eine niedrigere Spannung als die Spannung der DC-Energiequelle 1 hat, der Last 6 zu. Das eine Ende der Resonanzdrossel 10 ist mit dem Verbindungspunkt des zweiten Hauptanschlusses 2b der Schalteinrichtung 2, dem einen Ende der Ausgangs-Drosselspule 4 und dem zweiten Hauptanschluss 22b der Schalteinrichtung 22 verbunden.
  • Das andere Ende der Resonanzdrossel 10 ist mit dem Verbindungspunkt des anderen Endes des ersten Resonanzkondensators 8 und der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden. Die Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 ist mit dem anderen Hauptanschluss (dem ersten Hauptanschluss 22a) der Schalteinrichtung 22 verbunden.
  • Die Kathode der ersten Gleichrichtungsschaltung 12 ist mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden, und die Anode der Einrichtung ist mit dem anderen Ende (dem negativen Anschluss 1b) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Das andere Ende des ersten Resonanzkondensators 8 ist mit dem Verbindungspunkt der Resonanzdrossel 10 und der Kathode der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 verbunden.
  • Der zweite Resonanzkondensator 14 ist mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 und auch mit dem einen Ende (dem positiven Anschluss 1a) der DC-Energiequelle 1 verbunden. Was die zweite Gleichrichtungseinrichtung 16 anbelangt, sind deren Kathode und deren Anode mit dem anderen Ende (der Anode) der dritten Gleichrichtungseinrichtung 11 verbunden, und sie sind mit dem einen Ende des ersten Resonanzkondensators 8 verbunden.
  • Die Steuerungsschaltung 7 führt eine Messung der elektrischen Potentialdifferenz aus, welche zwischen den beiden Enden der Last 6 erzeugt wird. Die Steuerungsschaltung 7 führt Berechnungen auf der Basis der gemessenen elektrischen Potentialdifferenz aus und erzeugt ein erstes Gate-Signal, welches zu der Schalteinrichtung 2 gesendet wird, mit einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis. Ferner führt die Steuerungsschaltung 7 eine Messung bei beliebigen zugewiesenen Punkten der Energieversorgungseinheit 100 durch, um die Messung der Spannung der DC-Energiequelle 1, der elektrischen Potentialdifferenz der Last 6 und des Stroms der Ausgangs-Drosselspule 4 und dergleichen auszuführen.
  • Es ist denkbar, dass die Steuerungsschaltung 7 Berechnungen auf der Basis dieser gemessenen Signale durchführt und ein zweites Gate-Signal mit einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis an die Schalteinrichtung 22 sendet. Die Schalteinrichtung 22 empfängt das zweite Gate-Signal von der Steuerungsschaltung 7. Das zweite Gate-Signal bewirkt, dass die Schalteinrichtung 22 in einem ständigen Einschaltzustand ist, wenn der gemessene Strom der Ausgangs-Drosselspule 4 größer ist als eine vorbestimmte Größe des Stroms, während das zweite Gate-Signal bewirkt, dass die Schalteinrichtung 22 in einem ständigen Ausschaltzustand ist, wenn der gemessene Strom der Ausgangs-Drosselspule 4 niedriger ist als die vorbestimmte Größe des Stroms.
  • Die Energieversorgungseinheit führt die gleichen Schaltungsvorgänge wie diejenigen gemäß Ausführungsform 1 aus, wenn sich die Schalteinrichtung 22 in einem ständigen Einschaltzustand befindet. Die Energieversorgungseinheit hat jedoch keinen Strompfad, der den zweiten Resonanzkondensator 14 lädt, wenn sich die Schalteinrichtung 22 in einem ständigen Ausschaltzustand befindet. Demzufolge tritt keine Resonanzwirkung auf, wenn ein Strom in folgendem Strompfad fließt: (zweiter Resonanzkondensator 14) → (Schalteinrichtung 2) → (Resonanzdrossel 10) → (erster Resonanzkondensator 8) → (zweite Gleichrichtungseinrichtung 16) → (zweiter Resonanzkondensator 14).Obwohl sich Wirkungen zum Verringern der Schaltverluste nicht zeigen, können die Verluste zur Zeit von Resonanz-Vorgängen beseitigt werden.
  • Daher ist es ratsam, die Gesamtverluste zur Zeit des ständigen Einschaltzustands und die Gesamtverluste zur Zeit des ständigen Ausschaltzustands zu vergleichen, um einen Stromwert der Ausgangs-Drosselspule 4 zu finden, an welchem sich das Größenverhältnis der Verluste umkehrt. Eine vorbestimmte Größe des Stroms, welche von dem ständigen Einschaltzustand in den ständigen Ausschaltzustand der Schalteinrichtung 22 wechselt, ist vorzugsweise bei dem Umkehrstrom-Wert der Ausgangs-Drosselspule 4 eingestellt.
  • Dadurch sendet die Steuerungsschaltung 7 in einem ausgewählten Einschalt-Tastverhältnis ein erstes Gate-Signal an den Steuerungsanschluss 2c der Schalteinrichtung 2, und außerdem schaltet sie das Einschalten und Ausschalten durch das Senden eines zweiten Gate-Signals, das zu dem Steuerungsanschluss 22c der Schalteinrichtung 22 gesendet wird, in Antwort auf den Strom der Ausgangs-Drosselspule 4.
  • Demzufolge führt die Energieversorgungseinheit 100 eine konstante Spannung an die Last 6 zu. Erweiterte Wirkungen zum Verringern der Schaltverluste werden in der Energieversorgungseinheit erzeugt, und zwar selbst in einem Fall, in welchem der Strom der Ausgangs-Drosselspule 4 niedriger ist als derjenige bei der Ausführungsform 1.
  • Die Schalteinrichtung 2 und die Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3, durch welche der elektrische Strom der Ausgangs-Drosselspule fließt, müssen an einem Einbauort mit ausreichender Trennung angeordnet werden, wenn der Nennstrom der Ausgangs-Drosselspule 4 groß ist. Es ist zweckmäßig, dass die Resonanzdrossel 10 genügend Raum für die Anordnung hat. Ferner kann die Resonanzdrossel 10 durch eine parasitäre Induktivitätskomponente einer gestreckten Verdrahtung ersetzt werden. Dadurch kann die thermische Beeinträchtigung durch Wärme, die in der Schalteinrichtung 2 und der Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung 3 erzeugt wird, verhindert werden. Außerdem führt die Verwendung einer Verdrahtungs-Induktivität zu einer Verringerung der Anzahl von Komponenten.
  • Es sei angemerkt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung im Rahmen der Erfindung die Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können und dass die Ausführungsformen in geeigneter Weise modifiziert oder dabei Merkmale weggelassen werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    DC-Energiequelle
    1a
    positiver Anschluss
    1b
    negativer Anschluss
    2
    Schalteinrichtung
    2a
    erster Hauptanschluss
    2b
    zweiter Hauptanschluss
    2c
    Steuerungsanschluss
    3
    Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung
    4
    Ausgangs-Drosselspule
    5
    Ausgangskondensator
    6
    Last
    7
    Steuerungsschaltung
    8
    erster Resonanzkondensator
    9
    Schalteinrichtung
    9a
    erster Hauptanschluss
    9b
    zweiter Hauptanschluss
    9c
    Steuerungsanschluss
    10
    Resonanzdrossel
    11
    dritte Gleichrichtungseinrichtung
    12
    erste Gleichrichtungseinrichtung
    14
    zweiter Resonanzkondensator
    15
    vierte Gleichrichtungseinrichtung
    16
    zweite Gleichrichtungseinrichtung
    17
    Totzeit-Berechnungseinheit
    18
    Gatesignal-Erzeugungseinheit
    19
    Tastverhältnis-Berechnungseinheit
    20
    Kondensator-Entladungs-Detektoreinheit
    21
    Einlauf-Verarbeitung
    22
    Schalteinrichtung
    100
    Energieversorgungseinheit

Claims (5)

  1. Schaltung einer Energieversorgungseinheit (100), die Folgendes aufweist: - eine erste Gleichrichtungseinrichtung (12) mit einer Anode, die mit dem negativen Anschluss (1b) einer DC-Energiequelle (1) verbunden ist; - eine zweite Gleichrichtungseinrichtung (16) mit einer Anode, die mit einer Kathode der ersten Gleichrichtungseinrichtung (12) verbunden ist; - einen ersten Kondensator (8) mit einem Ende, das mit der Anode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist; - einen zweiten Kondensator (14), der mit einer Kathode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist und mit dem positiven Anschluss (1a) der DC-Energiequelle (1) verbunden ist; - eine dritte Gleichrichtungseinrichtung (11) mit einer Anode, die mit der Kathode der zweiten Gleichrichtungseinrichtung (16) verbunden ist; - eine Resonanzdrossel (10), die mit dem einen Ende mit dem anderen Ende des ersten Kondensators (8) verbunden ist, - eine erste Schalteinrichtung (2) mit einem ersten Hauptanschluss, der mit dem positiven Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist, und mit einem zweiten Hauptanschluss, der mit dem anderen Ende der Resonanzdrossel (10) verbunden ist, - eine zweite Schalteinrichtung (9) mit einem ersten Hauptanschluss, der mit einer Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung (11) verbunden ist, und mit einem zweiten Hauptanschluss, der mit einem zweiten Hauptanschluss der ersten Schalteinrichtung (2) verbunden ist, - eine Ausgangs-Gleichrichtungseinrichtung (3) mit einer Kathode, die mit dem anderen Ende des ersten Kondensators (8) verbunden ist, und mit einer Anode, die mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist; - eine Ausgangs-Drosselspule (4) mit einem Ende, das mit dem zweiten Hauptanschluss der zweiten Schalteinrichtung (9) verbunden ist, - einen Ausgangskondensator (5), der ein Ende und ein anderes Ende besitzt, wobei das eine Ende mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist und das andere Ende mit dem anderen Ende der Ausgangs-Drosselspule (4) verbunden ist, - eine Steuerungsschaltung (7), die ein erstes Gate-Signal an einen Steuerungsanschluss der ersten Schalteinrichtung (2) sendet und die ein zweites Gate-Signal an einen Steuerungsanschluss der zweiten Schalteinrichtung (9) sendet, wobei das zweite Gate-Signal die umgekehrte Phase der Phase des ersten Gate-Signals hat.
  2. Schaltung der Energieversorgungseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei die Schaltung ferner Folgendes aufweist: eine vierte Gleichrichtungseinrichtung (15) mit einer Anode, welche mit dem negativen Anschluss der DC-Energiequelle (1) verbunden ist, und mit einer Kathode, die mit der Kathode der dritten Gleichrichtungseinrichtung (11) verbunden ist.
  3. Schaltung einer Energieversorgungseinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine erste Totzeit (td1) zwischen einer Abklingzeit (t1) des ersten Gate-Signals und einer Anstiegszeit des zweiten Gate-Signals eingestellt wird, und wobei eine zweite Totzeit (td2) zwischen einer Abklingzeit des zweiten Gate-Signals und einer Anstiegszeit des ersten Gate-Signals eingestellt wird.
  4. Schaltung einer Energieversorgungseinheit (100) nach Anspruch 3, wobei die erste Totzeit (td1) und die zweite Totzeit (td2) längenmäßig kürzer sind, wenn der Strom, der durch die Ausgangs-Drosselspule (4) fließt, größer ist, die Spannung an beiden Enden des Ausgangskondensators (5) kleiner ist und die Spannung der DC-Energiequelle (1) kleiner ist.
  5. Schaltung einer Energieversorgungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Resonanzdrossel (10) aus einer parasitären Reaktanz gebildet ist.
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