DE19826895A1 - Voltage regulation method for regulated voltage supply for sensitive electrical load e.g. audio amplifier - Google Patents

Voltage regulation method for regulated voltage supply for sensitive electrical load e.g. audio amplifier

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DE19826895A1
DE19826895A1 DE1998126895 DE19826895A DE19826895A1 DE 19826895 A1 DE19826895 A1 DE 19826895A1 DE 1998126895 DE1998126895 DE 1998126895 DE 19826895 A DE19826895 A DE 19826895A DE 19826895 A1 DE19826895 A1 DE 19826895A1
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Eckhardt Gruensch
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4225Arrangements for improving power factor of AC input using a non-isolated boost converter
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion
    • Y02B70/12Power factor correction technologies for power supplies
    • Y02B70/126Active technologies

Abstract

The voltage regulation method uses an electronic switch (5) with a switching frequency which is double that of the AC input voltage (1), coupled to the voltage input via a rectifier bridge (2) and a storage coil (3) with an inductance value which provides a sinusiodal input current (i1) in phase with the input voltage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung eines störungsarmen Hochsetzstellers zur geregelten Spannungsversorgung eines elektrischen Verbrauchers, bei gleichzeitiger Begrenzung des Oberschwingungsgehaltes des Eingangsstromes durch Korrektur des Leistungsfaktors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie zwei Schaltungsbeispiele zum Durchführen dieses Verfahrens. The invention relates to a process for the realization of a low noise boost converter for the regulated power supply of an electrical load, while limiting the harmonic content of the input current by correcting the power factor, according to the preamble of patent claim 1, as well as two circuit examples for performing this method.

Aus der Zeitschrift "Elektronik Information" Nr. 7-1995, sowie der Zeitschrift "PCIM Europe" - Juli/August 1995 sind Verfahren zur Korrektur des Leistungsfaktors bekannt, mit denen eine Begrenzung des Ober schwingungsgehaltes des Eingangsstromes erreicht wird. A method for correcting the power factor are known in July / August 1995, which is a limitation of the upper vibration content of the input current is achieved - from the magazine "Electronic Information" No. 7-1995, as well as the "PCIM Europe" magazine.. Von Nachteil bei diesen Verfahren ist, daß der geschaltete dreieckförmige Strom doppelt so groß wie der Eingangswechselstrom ist und die Schaltfrequenz ein Vielfaches der Frequenz der Eingangswechselspannung beträgt. A disadvantage in these methods that the connected triangular current as large as the AC input current and is twice the switching frequency is a multiple of the frequency of the input AC voltage. Derartige Leistungs faktor-Schaltregler (PFC) schalten hohe Ströme mit steilen Flanken bei hoher Schaltfreqenz und besitzen prinzipbedingt keine großen Kapazitäten zur Glättung der gleichgerichteten Eingangswechselspannung und sind deshalb, insbesondere bei höheren Leistungen, nur schwer und mit hohem Aufwand und hohen Kosten zu entstören. Such power factor switching controller (PFC) switch high currents with steep slopes at high Switching frequency and do not have great capacity for smoothing the rectified AC input voltage of principle and are therefore particularly at higher powers, to be suppressed only with difficulty and with great effort and high costs. Zur Spannungsversorgung von hochwertigen analogen Leistungsverstärkern, zum Beispiel von Audioverstärkern, die sich durch sehr geringe Klirrfaktoren und Fremdspannungen auszeichnen, sind diese PFC-Schaltregler nicht geeignet. To power supply of high performance analog power amplifiers, such as audio amplifiers, which are characterized by very low distortion factors and external voltages, these PFC switching regulators are not suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur geregelten Spannungsversorgung eines empfindlichen elektrischen Verbrauchers anzugeben, das ein relativ langsames Schalten des elektronischen Schalters ermöglicht und trotzdem einen hohen Wirkungsgrad aufweist, nur geringe Störspannungen und Störströme erzeugt, kostengünstig zu realisieren ist und seine Energie aus einer oder mehreren Wechselspannungen in der Weise entnimmt, daß der Leistungsfaktor korrigiert wird. The invention is based on the object of specifying a method for the regulated voltage power to a sensitive electrical load which allows relatively slow switching of the electronic switch and nevertheless has a high efficiency, produces only small interference voltages and interference currents, is inexpensive to implement and its energy from one or more AC voltages takes out in such a way that the power factor is corrected.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. The object is solved by the characterizing features of claim 1.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. In the dependent claims advantageous embodiments of the invention are given.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. The invention will now be explained with reference to the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens. Fig. 1 is a schematic diagram of a circuit arrangement for performing the method.

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines über einen Transformator gespeisten Hochsetzstellers gemäß dem Patentanspruch 5. Fig. 2 is a schematic diagram of a powered via a transformer step-up converter according to the patent claim 5.

Fig. 3a den Spannungsverlauf der Eingangswechselspannungsquelle ( 1 ). Fig. 3a shows the voltage waveform of the input alternating voltage source (1).

Fig. 3b den leistungsfaktorkorrigierten Eingangswechselstrom (i1). FIG. 3b, the power factor corrected AC input current (i1).

Fig. 3c den in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangs wechselspannung ( 1 ) erzeugten Impuls. Fig. 3c the AC voltage in the vicinity of the zero crossing of the input (1) generated pulse.

Fig. 3d den im geschlossenen elektronischen Schalter ( 5 ) fließenden Energieaufnahmestrom (i3) der Speicherdrossel ( 3 ). Fig. 3d the current flowing in the closed electronic switch (5) energy consumption current (i3) of the storage inductor (3).

Fig. 3e den Energieabgabestrom (i4) der Speicherdrossel ( 3 ). Fig. 3e the energy delivery current (i4) of the storage inductor (3).

Fig. 3f den Stromfluß in der Speicherdrossel ( 3 ), der sich zusammensetzt aus dem Energieaufnahmestrom (i3) und dem Energieabgabe strom (i4). Fig. 3f the flow of current in the storage inductor (3), which is composed of the energy absorption current (i3) and the energy delivery current (i4).

In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens angegeben. In Fig. 1 an example of a circuit arrangement is provided for performing the method.

Die Eingangswechselspannung Ue der Eingangswechselspannungsquelle ( 1 ) wird mit Hilfe eines Brückengleichrichters ( 2 ) gleichgerichtet und liegt an einer Seite der Speicherdrossel ( 3 ) und der Impulserzeugung ( 7 ) an. The AC input voltage Vin of the input alternating voltage source (1) is rectified using a bridge rectifier (2) and rests against one side of the storage choke (3) and the pulse generator (7). Die andere Seite der Speicherdrossel ( 3 ) ist verbunden mit der Anode der Diode ( 8 ) und dem elektronischen Schalter ( 5 ), der von dem Flip-Flop ( 9 ) gesteuert wird. The other side of the storage inductor (3) is connected to the anode of the diode (8) and the electronic switch (5), which is controlled by the flip-flop (9). Die Kathode der Diode ( 8 ) ist verbunden mit dem Pluspol des Ausgangskondensators ( 13 ), an dem die geregelte Ausgangsspannung Ua ansteht. The cathode of the diode (8) is connected to the positive terminal of the output capacitor (13) at which the regulated output voltage Vout is present. Parallel zum Kondensator ( 13 ) liegt der Lastwiderstand ( 14 ). Parallel with the capacitor (13), the load resistor (14). Der Minuspol des Ausgangskondensators ( 13 ) ist mit dem Meßwiderstand ( 6 ), der in Serie zum elektronischen Schalter ( 5 ) geschaltet ist, mit dem Minusanschluß des Brückengleichrichters ( 2 ) verbunden. The negative terminal of the output capacitor (13) is connected to the measuring resistor (6) connected in series with the electronic switch (5), to the minus terminal of the bridge rectifier (2).

Im folgenden wird die Funktionsweise der Prinzipschaltung nach Fig. 1 näher erläutert. The operation principle of the circuit of FIG. Is described in detail. 1

Die Impulserzeugung erzeugt in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangswechselspannung Ue den in Fig. 3b dargestellten Impuls, der das Abtast-Halte-Glied ( 12 ) steuert und das Flip-Flop ( 9 ) setzt wodurch der elektronische Schalter ( 5 ) leitend geschaltet wird und die Drossel ( 3 ) Energie aufnimmt. Is the pulse generation generated in the vicinity of the zero crossing of the AC input voltage Ue of the pulse shown in Fig. 3b that controls the sample and hold member (12) and the flip-flop (9) sets whereby the electronic switch (5) conductively connected and the throttle (3) absorbs energy. Fig. 3d zeigt den im elektronischen Schalter ( 5 ) fließenden Energieaufnahmestrom (i3). Fig. 3d shows in the electronic switch (5) flowing energy pick-up current (i3). Dieser Strom wird mit Hilfe des Meßwiderstandes ( 6 ) gemessen und dem vom Regelverstärker ( 11 ) gesteuerten Pulsweitenmodulator ( 10 ) zugeführt, der bei Erreichen des vom Regelverstärker ( 11 ) vorgegebenen Energieaufnahmespitzenstromes das Flip-Flop ( 9 ) zurücksetzt und den elektronischen Schalter ( 5 ) sperrt. This current is measured with the aid of the measuring resistor (6) and controlled to the control amplifier (11) pulse width modulator (10) supplied to the predetermined upon reaching by the control amplifier (11) energy absorption peak current resets the flip-flop (9) and the electronic switch (5 ) blocks. Danach gibt die Speicherdrossel ( 3 ) ihre Energie über die Diode ( 8 ) auf den Ausgangskondensator ( 13 ) und den Lastwiderstand ( 14 ) ab. Thereafter, the storage inductor (3) releases its energy through the diode (8) to the output capacitor (13) and the load resistor (14). Der Energieabgabestrom (i4) der Speicherdrossel ( 3 ) ist in Fig. 3e dargestellt. The energy delivery current (i4) of the storage inductor (3) is shown in FIG. 3e. Fig. 3f zeigt den Strom (i2) in der Speicherdrossel ( 3 ), der sich aus dem Energieaufnahmestrom (i3) und dem Energieabgabestrom (i4) zusammensetzt. Fig. 3f shows the current (i2) in the storage inductor (3), which is composed of the energy absorption current (i3) and the energy delivery current (i4). Da die Energieaufnahme und Energieabgabe der Speicherdrossel ( 3 ) bei jeder Eingangsspannungshalbwelle einmal stattfindet, ergibt sich ein Eingangswechselstrom (i1), dessen Verlauf durch die erfindungsgemäße Dimensionierung und Ausgestaltung der Speicherdrossel ( 3 ) einen sinusähnlichen Verlauf hat und in Phase zur Eingangswechselspannung Ue ist (siehe Fig. 3b und Fig. 3a). Since the energy intake and energy output of the storage inductor (3) takes place once for each input voltage half-wave, an AC input current (i1) whose profile has a sinusoidal course of the inventive dimensioning and configuration of the storage inductor (3) and in phase with the AC input voltage Ue is (results see FIG. 3b and FIG. 3a). Da das Abtast- Halte-Glied die Ausgangsspannung während der Dauer des erzeugten Impulses immer zur gleichen Phasenlage der Eingangswechselspannung Ue mißt und dem Regelverstärker ( 11 ) zuführt, ist keine Integration der ausgangsseitigen überlagerten Wechselspannung erforderlich, wodurch eine schnelle Regelung und ein sehr gutes dynamisches Verhalten erreicht wird. Since the sample-and-hold element always measures the output voltage during the duration of the pulse generated at the same phase angle of the AC input voltage Ue and the control amplifier (11) supplies, no integration of the output side superimposed alternating voltage is required, whereby a rapid control and a very good dynamic behavior is achieved. Durch den sinusähnlichen Verlauf des Eingangswechselstromes (i1) wird ein Leistungsfaktor erzielt, mit dem die entsprechenden Vorschriften erfüllt werden können. Due to the sinusoidal waveform of the input alternating current (i1), a power factor is achieved with the appropriate regulations can be met.

Die Prinzipschaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Prinzipschaltung nach Fig. 1 dadurch, daß die Speicherdrossel ( 3 ) zur Erzeugung einer geregelten positiven Ausgangsspannung (+Ua) und einer negativen Ausgangsspannung (-Ua) zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen ( 3 und 3 ') besitzt, die Eingangswechselspannung (Ue) über einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen an den Brückengleichrichter ( 2 ) geführt und der Lastwiderstand ( 14 ) an der Summe der beiden Ausgangsspannungen (+Ua und -Ua) angeschlossen ist. 1, the basic circuit of Fig. 2 differs from the basic circuit of FIG. Characterized in that the storage inductor (3) for generating a regulated positive output voltage (+ Vout) and a negative output voltage (-Ua) comprises two magnetically coupled windings (3 and 3 ' ) which the AC input voltage (Ue) via a transformer with two secondary windings on the bridge rectifier (2) out and the load resistor (14) to the sum of the two output voltages Vout (+ and -Ua) is connected. Die Steuerung funktioniert wie die in Fig. 1 beschriebene Steuerschaltung. The control functions as the control circuit described in FIG. 1. Bei geschlossenem elektronischen Schalter ( 5 ) nimmt die Speicherdrossel ( 3 ) über die in Serie geschalteten Wicklungen ( 3 und 3 ') Energie auf, die sie bei geöffnetem Schalter ( 5 ) über die Wicklung ( 3 ) und der Diode ( 8 ) auf den positiven Ausgang (+Ua) und über die Wicklung ( 3 ') und der Diode ( 8 ') auf den negativen Ausgang (-Ua) abgibt. Closed electronic switch (5) refers to the storage inductor (3) via the series-connected windings (3 and 3 ') energy that when the switch (5) on the winding (3) and the diode (8) to the positive output (+ Ua) and the winding (3 ') and the diode (8') to the negative output (-Ua) outputs.

Claims (5)

  1. 1. Verfahren zur Realisierung eines störungsarmen Hochsetzstellers mit Wechselspannungseingang und Korrektur des Leistungsfaktors, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltfrequenz des elektronischen Schalters ( 5 ) doppelt so hoch wie die Frequenz der Eingangswechselspannung ( 1 ) ist und die Induktivität der Speicherdrossel ( 3 ) so dimensioniert ist, daß sich bei einmaligem Schalten des elektronischen Schalters ( 5 ) pro Eingangs wechselspannungshalbwelle der Energieaufnahme- und Energieabgabe strom der Speicherdrossel ( 3 ) so ausbildet, daß er weitgehend dem Verlauf einer Sinusstromhalbwelle entspricht und der Eingangswechselstrom (i1) dadurch nahezu sinusförmig und in Phase zur Eingangswechselspannung ( 1 ) verläuft. 1. A method for implementing a low noise boost converter with AC input and power factor correction, characterized in that the switching frequency of the electronic switch (5) (1) is twice as high as the frequency of the input AC voltage and the inductance of the storage inductor (3) so dimensioned that during a single switching of the electronic switch (5) by receipt of the energy absorbing and energy output AC voltage half-wave current of the storage inductor (3) so formed that it substantially corresponds to the profile of a sinusoidal current half-wave, and the AC input current (i1), characterized nearly sinusoidal and in phase with the AC input voltage (1).
  2. 2. Hochsetzsteller nach Anspruch 1, der eine Steuerschaltung enthält, welche die Leitezeit des einmal pro Eingangswechselpannungsspannungshalb welle schaltenden elektronischen Schalters ( 5 ) und damit die Energie aufnahme der Speicherdrossel ( 3 ) so steuert, daß die Ausgangsspannung (Ua) konstant geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangswechselspannung ( 1 ) ein Impuls erzeugt wird, der ein Flip-Flop ( 9 ) setzt, welches den elektronischen Schalter ( 5 ) leitend steuert und ein Pulsweitenmodulator ( 10 ), der in Abhängigkeit der Ausgangsspannung (Ua) und des Energieaufnahmestromes (i3) der Speicherdrossel ( 3 ) das Flip-Flop ( 9 ) zurückstellt und damit den elektronischen Schalter ( 5 ) sperrt. 2. boost converter according to claim 1, which contains a control circuit which receiving the Leite time of once per Eingangswechselpannungsspannungshalb wave switching the electronic switch (5) and thus the energy of the storage inductor (3) so that the output voltage (Ua) is controlled to be constant, characterized in that in the vicinity of the zero crossing of the input AC voltage (1), a pulse is produced which sets a flip-flop (9) which controls the electronic switch (5) conductive, and a pulse width modulator (10) (in dependence of the output voltage Ua) and the energy pick-up current (i3) of the storage inductor (3) resets the flip-flop (9) and thus blocks the electronic switch (5).
  3. 3. Hochsetzsteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangswechselspannung erzeugte Impuls ein Abtast-Halte-Glied ( 12 ) steuert, welches die Ausgangsspannung (Ua) immer zur gleichen Phasenlage der Eingangswechselspannung Ue abtastet, so daß die der Ausgangsspannung überlagerte Wechselspannung nicht integriert werden muß, wodurch ein schnelle Regelung erreicht wird. 3. boost converter according to claim 2, characterized in that the pulse generated in the vicinity of the zero crossing of the AC input voltage controls a sample-and-hold element (12) which (Ua) always senses the output voltage at the same phase angle of the AC input voltage Vin, so that the the output voltage superimposed need not be integrated, whereby a quick control is achieved AC voltage.
  4. 4. Hochsetzsteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeit des in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangswechsel spannung ( 1 ) erzeugten Impulses, der elektronische Schalter ( 5 ) gesperrt gehalten wird. 4. boost converter according to claim 3, characterized in that generated during the time of the voltage in the vicinity of the zero crossing of the AC input (1) pulse, the electronic switch (5) is held locked.
  5. 5. Hochsetzsteller nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherdrossel zur Erzeugung einer geregelten positiven und einer negativen Ausgangsspannung zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen ( 3 und 3 ') besitzt, die bei leitendem elektronischen Schalter ( 5 ) zur Energieaufnahme in Serie an die gleichgerichtete Eingangs wechselspannung ( 1 ) geschaltet sind und die ihre Energie bei gesperrtem elektronischen Schalter ( 5 ) jeweils über einen Gleichrichter ( 8 und 8 ') auf die positive bzw. negative Ausgangsspannung abgeben. 5. boost converter according to claims 1 to 4, characterized in that the storage inductor for generating a regulated positive and a negative output voltage two magnetically coupled windings (3 and 3 ') which on at conductive electronic switch (5) for energy absorption in series the rectified AC voltage input (1) and are connected each via a rectifier (8 and 8 ') release their energy from a locked electronic switch (5) on the positive or negative output voltage.
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