DE2624106A1

DE2624106A1 - Impulsdauermodulations-steueranrodnung fuer die verwendung in einem spannungswandler

Info

Publication number: DE2624106A1
Application number: DE19762624106
Authority: DE
Inventors: Patrick L Hunter
Original assignee: North Electric Co
Current assignee: North Electric Co
Priority date: 1975-05-29
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1976-12-16
Also published as: US4002963A; GB1537754A; CA1038928A

Description

Unser Zeichen: N 644 24.Mai 1976

NORTH ELECTRIC COMPANY
553 South Market Street
Galion, Ohio 44833 V.St.A,

Impulsdauermodulations-Steueranordnung für die Verwendung in einem Spannungswandler.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsgleichspannungswandler und Leistungs-Gleich/ weohselspantiungswandler und insbesondere auf Wandler, bei denen durch Verwendung der Impulsdauermodulation der Stromimpulse im Wechselrichterabschnitt des Wandlers von einer Regelung Gebrauch gemacht wird.

In Gleich/Wecheelspannungswandlern und in Gleichspannungswandlern herkömmlicher Art besteht ein gemeinsames Problem darin, eine schnell ansprechende Strombegrenzung zu erzielen, die die Bauelemente des Waidlers, insbesondere Halbleiterbauelemente vor den Einflüssen statischer und vorübergehender Überlastungen an den Wandlerausgängen schützen. Ein zweites, bei bekannten Wandlern häufig auftretendes Problem besteht darin, einen statischen und vorübergehenden Stromausgleich

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zwischen den abwechselnd geschalteten Bauelementen aufrecht zu erhalten, die die Eingangsgleichspannung in eine Energie mit Wechselverlauf umwandeln. Solche Schaltelemente sind die Hauptbauelemente des Abschnitts,der allgemein als die Wechselrichterstufe des Wandlers bezeichnet wird. Ein drittes Problem herkömmlicher Wandler tritt dann auf, wenn mehrere Leistungswandlerstufen zur Abgabe einer höheren Energie an eine gemeinsame Last parallelgeschaltet werden. In diesem Fall war es nicht einfach, den Stromausgleich zwischen den Wandlerstufen ohne Verwendung komplizierter und langsam ansprechender Ausgleichsschaltungen zu erzielen.

In Wandlern, in denen von Transistoren als Schaltvorrichtungen in den Wechselri.chterstufen Gebrauch gemacht wird, können die oben angesprochenen Probleme schwerwiegende Ausfälle im Gerät verursachen oder zu einer reduzierten Langzeit-Betriebszuverlässigkeit des Wandlers führen.

Viele typische herkömmliche Wandler arbeiten nach einem Prinzip, bei dem der Strom am Wandlerausgang abgetastet wird, der Stromabtastwert gleichgerichtet und gefiltert wird und das resultierende Signal mit einem Gleichspannungsbezugswert verglichen wird. Das resultierende Fehlersignal wird verstärkt und zur Steuerung der Impulsdauer des Ansteuersignals an der Basis des Wechselrichter-Schalttransistors verwendet. Diese Verfahren sind bekannt, und Abwandlungen dieser Lösung sind in den USA-Patentschriften 3 297 936, 3 660 749 und 3 701 9 37 beschrieben.

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Damit die dynamische Rückkopplungsstabilität im Strombegrenzungsbetrieb bisher bekannter Wandler aufrechterhalten wird, muß die Ansprechzeit des Rückkopplungsfehlerverstärkers verlangsamt werden, oder die Filter im Rückkopplungsweg müssen mit niedrigen Grenzfrequenzen ausgelegt werden. Die resultierenden Verzögerungen im Rückkopplungsweg ergeben eine langsam ansprechende Strombegrenzungswirkung. Außerdem tragen die bekannten Schaltungen nicht zur Aufrechterhaltung eines Stromausgleichs zwischen den Kollektorströmen der Wechselrichterschaltvorrichtungen bei.

Es ist bekannt, daß in Wandlern, bei denen von Leistungsschalttransistoren zum abwechselnden Ansteuern eines Transformators Gebrauch gemacht wird, sehr kleine Unterschiede in den Verzögerungen und Schaltzeiten in der Impulsdauersteuerschaltung oder in den Schaltkennlinien der Wechselrichterschaltvorrichtungen beträchtliche Unterschiede in den Spitzenkollektorströmen der Wechselrichterschalttransistoren erzeugen können. Eine eolche Unausgeglichenheit des Spitzenkollektor stroms hat zwei Auswirkungen. Erstens werden die Belastungen der Schaltelemente unausgeglichen. Zweitens führt der Differenzstrom zu einer reinen Gleichstrommagnetisierung im Kern des Wandlerausgangstransformators, der seinerseits die Sättigung des Kerns zur Folge haben kann«. Eine solche Kernsättigung kann wiederum zum höchst instabilen Zustand mit einer noch stärkeren Ungleichheit des Kollektorstroms führen.

Bekannte Lösungsversuche, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 870 943 beschrieben sind, befaßten sich mit dem Problem des Stromausgleichs, doch zeigten sie immer

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noch eine relativ niedrige Ansprechgeschwindigkeit und enthielten eine komplizierte Impulsdauersteuerschaltung.

Ein weiterer Lösungsversuch für das Problem des Stromausgleichs besteht darin, die Leistungsschaltvorrichtungen in angepaßten Paaren zu kaufen. Auf Grund der höheren Kosten, der Lagerprobleme und der damit verbundenen Austausch Schwierigkeiten an Ort und Stelle ist dieser Lösungsweg gewöhnlich uninteresseant. Außerdem kann auch bei Verwendung angepaßter Wechselrichterschaltvorrichtungen das Problem der Ungleichheit ihrer Basisansteuerungs-Steuerschaltungen immer noch vorhanden sein

Mit Hilfe der Erfindung soll ein Wandler geschaffen werden, der mit Einrichtungen zum automatischen Korrigieren einer Ungleichheit der Kollektorströme der Wechselrichtertransistoren versehen ist, und der eine schnelle Ansprechzeit aufweist, die typischerweise weniger als eine halbe Zykluszeit des Wandlerbetriebs beträgt. Der mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Wandler soll Einrichtungen aufweisen, die eine schnell ansprechende Strombegrenzungswirkung des Wandlerausgangsstroms mit einer Ansprechzeit von typisoherweise weniger als einem Halbzyklus des Wandlerbetriebs ergeben. Der zu schaffende Wandler mit den angestrebten Eigenschaften soll relativ einfach aufgebaut, kostengünstig herzustellen und zuverlässig im Betrieb sein. Ferner soll ein Verfahren zur Erzielung eines solchen schnellen Stromausgleichs und derartiger Strombegrenzungseigenschaften in einem Spannungswandler geschaffen werden.

Es wird ein geregelter Spannungswandler beschrieben, bei dem von einem verbesserten Verfahren zur Impulsdauermodulation

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Gebrauch gemacht wird. Stromimpulse aus der Wechselrichterstufe des V/andlers werden proportional über einen Stromtransformator zu einer Rückkopplungssleuerschaltung gekoppelt.Der proportional gekoppelte Strom wird gleichgerichtet und in einer Wellenformerschaltung verarbeitet, die eine nichtlineare,monoton ansteigende Übertragungsfunktion aufweist. Der resultierende Rückkopplungsstrom am Ausgang der Wellenformerschaltung wird dann einmal pro Halbzyklus des Wechselrichters integriert, damit eine Rückkopplungsspannung erzeugt wird, die mit einem Gleichspannungsbezugswert verglichen wird. Wenn die erzeugte Rückkopplungsspannung den Bezugswert überschreitet, wird ein Signal zur Beendigung des in der Wechselrichterstufe vorhandenen Stromimpulses erzeugt. Der Rückkopplungsvorgang ermöglicht auf diese Weise eine schnelle Impulsdauermodulations steuerung des Wandlers mit einer dabei enthaltenen Strombegrenzungsfähigkeit.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Wandler geschaffen, der eine breite Schwankung der Schaltzeiten der Schaltungselemente insbesondere der Schalteigenschaften der Leistungsschaltelemente in der Wechselrichterstufe zuläßt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung arbeitet der Wandler auf eine solche Weise, daß eine Kernsättigung des Ausgangsleistungstransformators des Wandlers verhindert wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Wandler geschaffen wird, der leicht mit weiteren

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Wandlern des gleichen Aufbaus parallelgeschaltet werden kann, wobei die Parallelschaltung einen schnell ansprechenden Stromausgleich unter den verschiedenen Wandlerstuf en zeigt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Funktionsschaltbild eines Gleichspannungswandlers nach der Erfindung,

Fig.2 ein Zeitdiagramm, das die Beziehung zwischen Strom- und SpannungsSignalen an ßchlüsselstellen des Wandlers von Fig.1 zeigt,

Fig.3 den allgemeinen Verlauf der Übertragungskennlinie, die von der Wellenformerschaltung des Rückkopplungssteuerwegs des Wandlers erzielt wird,

Wig»4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Funktionszusammen« hangs der Durchschaltzeiten ?* und τ^ der Wechselrichterschaltvorrichtungen für verschiedene Größen des Gleichspannungsbezugswert E_f, wenn die Übertragungskennlinie von Fig.3 in der Rückkopplungsschleife des Wandlers angewendet wird,

Fig.5 eine genauere Darstellung der Wellenformerschaltung, des Pegeldetektors und des Integrators von Fig.1 für die Verwendung gemäß den Grundsätzen der Erfindung,

Fig.6 eine genauere Darstellung der Lastschaltung von Fig.1 zur Vervrendung gemäß den Grundsätzen der Erfindung,

Fig.7 eine genauere Darstellung eines Beispiels des Basisansteuerungsirnpulsgebers von Fig.1 für die Verwendung

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gemäß den Grundsätzen der Erfindung und

Fig.8 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen Signalen an Schlüsselstellen der Impulsgeberschaltung von Fig.7.

Wie in der Technik bekannt ist, enthalten die grundlegenden Gleichspannungswandler und Gleich/WechselspannungBwandler eine Wechselrichterstufe zur Erzeugung eines Wechselsignals aus einer Eingangsgleichsspannung, eine Impulsgeberschaltung zur entsprechenden Ansteuerung der Wechselrichterstufe und einen den Ausgangsstrom der Wechselrichterstufe an eine Last ankoppelnden Ausgangstransformator. Wenn beispielsweise der spezielle Anwendungsfall eine Gleichspannungswandlung erfordert, dann kann eine Gleichrichteranordnung als Teil der Lastschaltung vorgesehen sein.

Der Wandler von Fig.1 enthält die oben angegebenen Standard-Baueinheiten. Die umzuwandelnde Gleichspannungsquelle ist mit ihrem positiven Pol an die Klemme 113 und mit ihrem negativen Pol an die Klemme 112 angeschlossen. Der Impulsgeber 101 steuert Wechselrichter-Leistungsschalttransistoren Q1 und Q2 abwechselnd über Basisansteuerleitungen 140 bzw. 142 an.

Während eines Halbzyklus des Betriebs fließt im leitenden Zustand des Schalttransistors Q1 Wechselrichterstrom von der Klemme 113 zur Mittelanzapfung der Primärwicklung 107 eines Ausgangsleistungstransformators T1, und er fließt über den oberen Abschnitt der Wicklung 107, über die Leitung 124, über die Primärwicklung 109 des Stromtransformators CT1, über die zum Kollektor des Transistors Q1

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führende Leitung 122 und aus dem Emitter dieses Transistors Q1 zur Klemme 112. Während des anderen Halbzyklus des Betriebs fließt Wechselrichterstrom im leitenden Zustand des Schalttransistors Q2 von der Klemme 113 zur Mittelanzapfung der Wicklung 107, und der Strom fließt dann über die untere Hälfte der Wicklung 107, über die Leitung 125, über die Primärwicklung 110 des Stromtransformators CT1, über die zum Kollektor des Schalttransistors Q2 führende Leitung 123 und aus dem Emitter des Schalttransistors Q2 zur Klemme 112. Die Sekundärwicklung 108 des Ausgangstransformators T1 ist gemäß der Darstellung mit ihren Enden über die Leitungen 126 und 128 an die Lastschaltung 103 angeschlossen, während eine Mittelanzapfung der Wicklung 108 bei Bedarf über eine Leitung 127 ebenfalls an die Lastschaltung 103 angeschlossen ist.

Die Sekundärwicklung 111 des Stromtränsformators CT1 ist über Leitungen 129 und 130 an eine Wellenformerschaltung (ViS) angeschlossen. Die Wellenformerschaltung 104 ist ihrerseits über die Leitung 134 an den Integrator 105 (INT) angeschlossen. Der Ausgang des Integrators 105 ist über die Leitung 132 mit einem Pegeldetektor 106 (LD) verbunden. Der Ausgang des Pegeldetektors 106 ist über die Leitung 133 am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R101 und R102 angeschlossen. Der Widerstand R101 ist seinerseits an die Basisleitung eines Transistors Q3 angeschlossen, dessen Kollektorleitung mit der Basisleitung des Schalttransistors Q1 verbunden ist und dessen Emitterleitung an die Leitung angeschlossen ist. DerWiderstand R102 ist seinerseits an die Basisleitung eines Transistors 0.4 angeschlossen, dessen Kollektorleitung mit der Basisleitung des Schalttransistors Q1 verbunden ist und dessen Emitterleitung an die Leitung

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angeschlossen ist.

Der Impulsgeber 101 ist über die Leitung 134 auch an den Integrator 105 angeschlossen. Über die Leitung 135 wird dem Pegeldetektor 106 eine Bezugsgleichspannung e^ zugeführt. Genauere Beschreibungen des Impulsgebers 101, der Lastschaltung 103, der Wellenformerschaltung 104, des Integrators 105 und des Pegeldetektors 106 sind in nachfolgenden Abschnitten der Beschreibung ausgeführt.

Der allgemeine Vorgang des Stromausgleichs und der Strombegrenzung der hier zu beschreibenden Anordnung ist am deutlichsten im Zusammenhang mit dem Schaltbild von Fig.1 und mit den zugehörigen Signalverlaufsinformationen von Fig.2 ersichtlich.

Die auszugleichenden und/oder zu begrenzenden Wechselrichter-' stromkomponenten sind in Fig.1 mit i * und i « angegeben; sie fließen längs der Leitung 122 im Kollektorkreis des Transistors Q1 bzw. in der Leitung 123 im Kollektörkreis des Transistors Q2. Die Stromkomponenten i^ und i_c2 werden festgestellt und in proportionaler Weise über den Stromtransformator CT1 in die Rückkopplungssteuerschleife des Wandlers eingegeben. Der Stromtransformator CT1 sollte eine sehr schmale Hysteresekennlinie mit einer hohen Restflußdichte aufweisen, damit die im Magnetfeld bei gesperrten Transistoren Q1 oder Q2 gespeicherte Energie klein im Vergleich zu der pro Wandlerhalbzyklus von der Last des Stromtransformators aufgenommene Energie ist.

Der in die Sekundärwicklung 111 des Stromtransformators CT1 übertragene Strom ist in Fig.1 mit i angegeben. Der Strom i ,

c c

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der den Strömen i_c1 und i_c2 proportional ist, wird gleichgerichtet und von der Wellenformerschaltung 104 weiter verarbeitet, die eine nichtlineare, monoton ansteigende Übertragungsfunktion aufweist. Das Ausgangssignal der Wellenformerschaltung 104 ist ein Strom i _, der längs der Leitung 131 von Fig.1

CO

fließt.Der Strom i wird im Integrator 105 integriert,

CO

so daß sich die an der Leitung 132 von Fig.1 erscheinende Spannung E„. ergibt. Das integrierte Spannungssignal e__

CO " CO

wird vom Pegeldetektor 106 mit dem Bezugsspannungswert e~ verglichen.

Wenn das Spannungssignal e den Bezugsspannungswert e^ übersteigt, wird an der Leitung 133 von Fig.1 ein Signal e_ erzeugt, das über die Widerstände R101 und R102 einen Ansteuerstrom erzeugt, der zur Sättigung der Transistoren Q3 und 0.4 ausreicht. Wenn die Transistoren Q3 und 0.4 in den Sättigungsbereich übergehen, werden die Basisansteuerströme i^-i oder die vom Impulsgeber 101 über die Leitung 140 bzw. über die Leitung 142 geliefert werden, von den jeweiligen Basiselektroden der Schalttransistoren Q1 und Q2 abgeleitet, so daß die Basisansteuerung nicht mehr vorhanden ist und der entsprechende Leistungstransistorschalter gesperrt wird.

In Fig.2 sind typische, auf die Zeit bezogene Signalverläufe dargestellt. Die maximale Durchschaltzeit der Wechselrichter transistoren Q1 und Q2 hat den Wert τ ; sie wird vom Impulsgeber 101 bestimmt. Die Basisausgangsströme des Impulsgebers 101, also die Ströme i,. und i-u?» sind jeweils mit der Impulsdauer τ angegeben. Wie Fig.2 ebenfalls zeigt, hat der Kollektorstrom I^ des Transistors Q1 die Impulsdauer τ ^, während der Kollektorstrom i ₂ des Transistors Q2 die Impulsdauer T₂ hat. Die Kollektorströme i ., und i_c2

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werden von den jeweiligen Basisströmen i-^ und i^p hervorgerufen. Die Kollektorströme i_c1 und i_c2 werden jedoch gemäß dem Pulsdauersteuersignal e- beendet. Der Rückkopplungssteuerstrom i , der von den beiden Kollektor strömen i >, und i λ abhängt, ist der Ausgangsstrom der Wellenformerschaltung 104 und der Eingangsstrom des Integrators 105. Das Ausgangssignal des Integrators 105 ist in Fig.2 mit e_.

angegeben. Es sei bemerkt, daß das Steuersignal e~ erzeugt wird, wenn das Signal e_CQ den Wert e_f erreicht. In Fig.1 und in Fig.2 ist auch zu erkennen, daß der Integrator 105 einmal pro Halbzyklus über die Leitung 134 vom Impulsgeber 101 mittels der Spannung e_r zurückgestellt wird. Die Spannung e_r wird immer dann erzeugt, wenn die Ausgangsströme i·^ und i^ ^des Impulsgebers 101 beide nahezu den Wert Null haben.

Die von der Wellenformerschaltung 104 bewirkte Übertragungsfunktion ist in Fig.3 dargestellt. Es ist erwünscht, einen minimalen Strom ί_ΛΛ zu liefern, wenn der Strom i_ den Wert hat. Dies ermöglicht einen besseren Steuerungsgrad, wenn der durch den Strom i_ proportional dargestellte Wechsel-

richterstrom gegen 0 geht. Wie in Fig.3 zu erkennen ist, zeigt der Ausgangsstrom i der Wellenformerschaltung 104 eine relativ langsame Änderungsgeschwindigkeit für alle Eingangsstromwerte, die kleiner als der Strom I sind, während eine hohe Änderungsgeschwindigkeit für alle Eingangsstromwerte vorliegt, die größer als I_ sind. Der Ausdruck ⁿ langsame Änderungsgeschwindigkeit " bezieht sich hier auf die in Fig.3 dargestellte Steigung bei Eingangsgrößen kleiner als I . Der Ausdruck "hohe Änderungsgeschwindigkeit" bezieht sich hier auf eine Steigung,

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die beträchtlich größer als die langsame Änderungsgeschwindigkeit ist, wie Wenfalls in Fig.3 dargestellt ist.

Für einen konstanten Wert der Bezugsspannimg e~ sind die Durchschaltzeiten der Transistoren Q1 und Q2 den jeweiligen Kollektorspitzenströmen der Transistoren Q1 und Q2 umgekehrt proportional. Fig.4 zeigt die allgemeinen Funktionszusammenhänge für verschiedene Werte der Bezugsspannung e~. Die Zeitperioden t^ und tp sind die Durchschaltzeiten der Transistoren Q1 bzw. Q2. Die Ströme i_c-j_m und i p_m sind die Kollektorstrombeträge der Transistoren Q1 bzw. Q2. Die Einführung der beschriebenen Nichtlinearität für die Übertragungskennlinie von Fig.3 wird eine Strombegrenzungskennlinie erzielt, die eine schnelle Abfallgeschwindigkeit der Durchschaltzeit τ der Wechselrichterschaltvorrichtung aufweist. Eine solche Strombegrenzungskennlinie ist in Fig.4 durch die Kurve CL angegeben.

Die Wellenformerschaltung 104, der Integrator 105 und der Pegeldetektor 106 können beispielsweise in Form der in Fig.5 angegebenen Schaltung ausgeführt sein. Wie Fig.5 zeigt, ist die Sekundärwicklung 111 des Stromtransformators CT1 über Leitungen 129 und 130 an einen Vollweggleichrichter aus den Dioden CR1, CR2, CR3 und CR4 angeschlossen, der sein Ausgangssignal an einen zwischen die Leitung 521 und das Massepotential an der Leitung 520 !Legenden Widerstand 501 abgibt.

Der Rest der WellenformerschäLtung 104 besteht aus einer Stromsteuerschaltung, die um den Transistor Q501 aufgebaut ist. Die Stromquelle enthält auch im Emitterkreis des Transistors Q501 eine Diode CR5, einen zwischen die Leitung

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und dem Kollektor des Transistors 501 eingeschalteten Widerstand R502 sowie einen zwischen den Kollektor des Transistors Q501 und die Vorspannungsversorgung +E eingeschalteten Widerstand R5O3. Die Stromquelle enthält außerdem ein Potentiometer R504, das mit einem Ende an der Vorspannungsvereorgung +E mit dem Schleifer an die Basisleitung des Transistors Q501 und mit dem anderen Anschluß an den Widerstand 505 angeschlossen ist, der seinerseits an Masse gelegt ist.

Der Integrator 105 enthält einen Kondensator C501, der zwischen der Leitung 522 und Masse liegt. Die Kollektorleitung eines Transistors Q502 ist über die Leitung 523 mit einer Seite des Kondensators C501 verbunden, seine Emitterleitung liegt an Masse und seine Basisleitung ist über einen Widerstand R5O6 mit-der Leitung 134 verbunden. An der Leitung 134 liegt das Spannungssignal e aus dem Impulsgeber 101, wie zuvor im Zusammenhang mit Fig.1 erwähnt wurde.

Der Pegeldetektor 106 erhält über den Widerstand R507 ein Eingangssignal aus dem Integrator 501; der Widerstand R507 ist an den nichtinvertierenden Eingang eines hochverstärkenden Verstärkers A1 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Verstärkers A1 ist über die Leitung 135 an die Bezugsspannung e~ gelegt. Die Batterievorspannung und Masse werden an den Verstärker A1 über Leitungen 524 bzw. 520 angelegt. Ein Mitkopplungsweg, der aus der Serienschaltung einer Diode CR6 und eines Widerstandes R508 besteht, verbindet den Verstärkerausgang 133 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers.

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Die Ausführungsbeispiele für die Wellenformerschaltung 104, den Integrator 105 und den Pegeldetektor 106 sind durch die folgende Arbeitsweise gekennzeichnet: Eine am Widerstand R501 entstehende Spannung ist dem gleichgerichteten Wert des Stroms i. proportional, der aus dem Stromtransformator CT1 abgeleitet wird. Diese Spannung am Widerstand R501 schickt einen Strom i₂ durch den Widerstand R502. Der Strom ±2 wird dazu verwendet, eine Ausgleichssteuerung über den gesamten Lastbereich des Wandlers zu erzielen. Der durch den Widerstand R503 fliessende Strom i^ ist vom Strom irelativ unabhängig, vorausgesetzt, daß die Vorspannung +E groß in Bezug auf die Ausgangsspannung e_on des Integrators

CO

gemacht wird. Der Strom i^ ergibt somit den in der Übertragungskennlinie von Fig.3 dargestellten Minimalstrom I _.

C O

Der nichtlineare Teil dieser Übertragungsfunktion wird von einer nichtliriearen Stromquelle mit dem Strom i·* geliefert, der nach Fig.5 aus dem Kollektor des Transistors Q501 fließt. Der Strom i, hat bei niedrigen Werten des Stroms i„ den Wert 0. Wenn der Betrag des Stroms i„ den voreingestellten

Wert überschreitet, der von einem von den Widerständen R504 und R 505 eingestellten Bezugswert bestimmt wird, beginnt über die Diode CR5 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q501 ein kleiner Strom zu fließen. Daher steigt der Ausgangsstrom i der Wellenformerschaltung 104 sehr schnell an, wenn der Strom i. über den Bezugswert ansteigt, wie oben im Zusammenhang mit Fig.3 gezeigt wurde.

Der Integrator 105 enthält einen Kondensator C501. Die der Durchschaltzeit der Wechselrichtertransistoren Q1 und Q2 von Fig.1 entsprechenden Impulsdauergrößen τ. und τ^ werden vom Ladestrom i und von der Zeit bestimmt, die

C O

die integrierte Spannung e._ zum Erreichen des Bezugs-

CO

Spannungswerts e^. benötigt. Da der Strom i fast momentan

X CO

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auf Änderungen des Stroms i anspricht (was seinerseits Änderungen der Ströme i^ oder i_c2 von Fig.1 wiedergibt), werden die Impulsdauergrößen τ,- und τ ρ automatisch während jedes Wechselrichterhalbzyklus so eingestellt, daß ein konstanter Viert für das Strom-Zeit-Integral des Stroms i erhalten wird.

Am Ende jedes Wechselrichterhalbzykluswird der Transistor Q502 von einem positiven Spannungssignal e an der Leitung 134 in den leitenden Zustand ausgesteuert,wodurch an den Kondensator C501 Massepotential angelegt wird, damit die Ausgangsspannung des Integrators auf den Wert 0 zurückgestellt wird.

Das Ausgangssignal e~ des Pegeldetektors 106 nimmt einen hohen Viert an, wenn die Spannung e den Bezugsspannungs-

ι CO

wert e überschreitet. Wenn der Bezugsspannungswert e~ positiver gemacht wird, wird die Impulsdauer τ ^ oder τ ρ langer.

Es sei beispielsweise angenommen, daß in der Schaltung von Pig.1 ein Zustand vorliegt, &r den Transistorstrom i . erhöht und den Transistorstrom i ₂ erniedrigt. Eine solche Ungleichheit kann möglicherweise durch einen Unterschied in den Speicherzeiten der Leistungsschalttransistoren verursacht werden, wenn der Transistor Q1 eine größere Speicherzeit als der Transistor Q2 aufweist. Bei einem solchen Zustand lädt sich der Kondensator C501 schneller auf, wenn der Transistor Q1 leitet,als dann, wenn der Transistor Q2 leitete Die Impulsdauer τ. nimmt daher ab, und die Impulsdauer Tp nimmt zu. Die resultierende differentielle Änderung .der Durchschaltzeiten erfolgt dabei in einer Richtung, die die Ungleichheit korrigierte Da zur Verursachung relativ großer Unterschiede der Kollektorströme der Wechselrichtertransistoren ein sehr kleiner Zeitunterschied erforderlich ist,

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können die Kollektorströme i_c1 und i_c2 leicht in den Ausgleichszustand gezogen werden. Es treten praktisch keine Zeitverzögerungen beimFeststellen des Wechselrichterstroms auf. Die einzige Zeitverzögerung ergibt sich bei der Integration des Stroms i auf den Bezugsspannungswert e« über den Kondensator C501.

Die in Fig.1 und in Fig.5 dargestellte Bezugsgleichspannung e~ kann als Rückkopplungseingangssignal verwendet werden, das die Ausgangsspannung des Wandlers regelt und im wesentlichen konstant hält. Die Lastschaltung von Fig.1 könnte beispielsweise die in Fig.6 angegebene bekannte Ausführung haben. Eine Last 605 wird vom Wandlerausgangstransformator T1 über einen Vollweggleichrichter aus Dioden 601 und 602 und über ein Filter aus einer Serienspule 603 und einem Parallelkondensator 604 gespeist¹.¹ Die Wandlerausgangsspannung wird über die Leitung auch an den negierenden Eingang eines Verstärkers A2 angelegt, damit sie mit einer-Bezugsgleichspannung verglichen wird, die über eine· Leitung 611 an den nichtnegierenden Eingang des Verstärkers A2 angelegt wird. Das Fehlersignal e^ ist das verstärkte Ausgangssignal an der Leitung 135. Wenn also die Wandlerausgangsspannung ansteigt,dann nimmt die Spannung e^ dem Betrag nach ab, so daß auf diese Weise die Wechselrichterdurchschaltimpulsdauer herabgesetzt wird.

Zur Vervollständigung der genauen Beschreibung des Wandlers von Fig.1 wird nun im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 ein Ausführungsbeispiel des Impulsgebers angegeben.

Wie Fig.7 zeigt,besteht der Impulsgeber 101 aus einem Impulsgenerator 700 zur Erzeugung eines im wesentlichen

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rechteckigen Ausgangssignals, wobei der Ausgang 754 an den Eingang eines Negators G712 und an jeweils einen Eingang von Verknüpfungsschaltungen G713 und G714 angeschlossen ist, die NAND-Schaltungen mit zwei Eingängen sind. Der Impulsgenerator 700 könnte beispielsweise ein einfacher astabiler Multivibrator sein, dessen zeitbestimmende Schaltungselemente für die Erzeugung des in Fig.8 bei 754 dargestellten Signalverlaufs geeignet sind, wobei ein Ausgangssignal dargestellt ist, das für eine Zeitperiode T^ einen hohen Wert und für eine Zeitperiode ·ν einen niedrigen Wert hat.

Das Ausgangssignal des Negators G712 ist über die Leitung an den Wechseleingang t eines Flipflops 720 und an die Leitung 134 angeschlossen, die dem Integrator 105 von Fig.1 das Signal e zuführt. Die anderen Eingänge der NAND-Schaltungen G713 und G714 sind über die Leitung 755 bzw.756 an die komplementären Ausgänge Q und DT des Flipflops 720 angeschlossen« Der Ausgang 75 des Negators G713 ist an die Basisleitung des Transistors Q701 über den Widerstand R703 angeschlossen, während der Ausgang 753 der NAND-Schaltung G714 über den Widerstand R704 an die Basisleitung des Transüors Q702 angeschlossen ist. Eine positive Versorgungsspannung E ist über den Widerstand R7O5 an die Kollektorleitung des Transistors Q701 und über den Widerstand R706 an die Kollektorleitung des Transistors Q702 angeschlossen. Die Ausgänge 14O, 141 und 142 des Impulsgebers sind mit der Wechselrichterstufe verbunden, wie in i dargestellt ist.

Wenn das Ausgangssignal 754 des Impulsgenerators den in Fig.8 angegebenen Verlauf hat, ergeben die auf die Zeit bezogenen, ebenfalls in Fig.8 dargestellten Impulsgebersignale schließlich die Ausgangs ströme i, ,, und i-^? sowie die Ausgangsspannung e

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Die Ströme i, * und i, ^ sowie die Ausgangsspannung e sind auch im Zeitdiagramm des Wandler von Fig.2 dargestellt. Die Ausgänge der zugehörigen Leitungen sind in Fig.7 mit Kennzeichnungen versehen, die mit den Kennzeichnungen der entsprechenden Signalverlaufe von Fig.8 übereinstimmen. Ohne jede Impulsdauermodulation hat die Stromimpulsdauer der ¥echselrichterstufe den Viert τ wobei zwischen den abwechselnden Impulsen eine Totzeit mit dem Wert t_q vorliegt.

Bei schweren Überlastungen am Ausgang des Wandlers wird die Geschwindigkeit, mit der der Wechselrichterstrom i ^ oder i 2 zunimmt, von der Ausgangsfilterspule, beispielsweise der Spule 603 von Fig.6 bestimmt.Normalerweise wären bei konstanter Impulsdauer einige Wechselrichterzyklen erforderlich, bis sich der Kollektorstrom auf die übergroßen Werte aufbauen kann. Da die Impulsdauer des hier beschriebenen Wandlers automatisch innerhalb eines einzigen Wechselrichterhalbzyklus eingestellt wird, kann der in Fig.1 dargestellte Wandler eine Überlaststrombeanspruchung schnell auf vernachlässigbare Werte begrenzen·?

Der Fachmann kann erkennen, daß Wandler mit dem hier angegebenen Aufbau Eigenschaften haben, die sie für Anwendungsfälle geeignet machen, die eine Parallelschaltung mehrerer Wandlerstufen zur Erzielung höherer Ausgangsenergiewerte erfordern. Die Stromausgleichs- und Begrenzungseigenschaften des hier beschriebenen Wandlers, der so ausgelegt ist, daß Wechselrichterschalttransistoren zwangsweise ausgeglichen werden, führt auch zu einem zwangsweisen Ausgleich der Ausgangsströme von zwei oder mehr solcher Wandlerstufen. Die Ausgangsregeleigenschaften einer solchen Parallelschaltung aus Wandlern haben das gleiche Aussehen wie die für eine einzige Wandlerstufe, die in Fig.3 und 4 angegeben sind.

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Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch ist für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen, daß im Rahmen der Erfindung auch weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

1JImpulsdauermodulations-Steueranordnung zur Verwendung in einem Spannungswandler mit einer Wechselrichtervorrichtung einer Impulsgebervorrichtung zur Ansteuerung der Viechseirichtervorrichtung und einer an diese ange~: schlossenen Last zur Erzielung einer schnell ansprechenden Strombegrenzung und eines schnell ansprechenden Stromausgleichs, gekennzeichnet durch

(a) eine Fühlervorrichtung zur Überwachung des in der Wechselrichtervorrichtung fliessenden Momentanstroms und zur Erzeugung eines dem Momentanstrom direkt proportionalen ersten Signals,

(b) eine Wellenformervorrichtung, die eine nichtlineare, monoton ansteigende Übertragungskennlinie aufweist und auf das erste Signal so anspricht, daß sie ein über diese Kennlinie mit dem ersten Signal in Beziehung stehendes zweites Ausgangssignal erzeugt,

(c) eine Integratorvorrichtung, die an die Wellenformervorrichtung und an die Impulsgebervorrichtung angeschlossen ist und abhängig von dem zweiten Signal ein Rückkopplungssignal während jedes Halbzyklus der Wechselrichtervorrichtung erzeugt und außerdem abhängig von einem Rückstellsignal aus der Impulsgebervorrichtung das Rückkopplungssignal auf einen vorbestimmten Rückstellwert am Ende jedes Halbzyklus des Betriebs der Viechseirichtervorrichtung zurückstellt,

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(d) eine Pegeldetektorvorrichtung, die abhängig von dem Rückkopplungssignal und bezüglich eines vorbestimmten Bezugswerts ein Steuersignal erzeugt, wenn das Rückkopplungssignal den vorbestimmten Bezugswert überschreitet , und

(e) eine Steuervorrichtung, die abhängig von dem Steuersignal das Fließen des Momentanstroms in der restlichen Dauer des momentanen Betriebshalbzyklus der Wechselrichtervorrichtung beendet, so daß innerhalb des momentanen Betriebshalbzyklus ein Ausgleich und eine Begrenzung des Wechselrichterstroms eintritt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangslast Gleichrichtervorrichtungen zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung enthält, gekennzeichnet durch eine an die Ausgangslast angeschlossen Differenzverstärkervorrichtung, die ein der Differenz zwischen der Ausgangsgleichspannung und einer Bezugsgleichspannung proportionales verstärktes Ausgangssignal erzeugt, das dem vorbestimmten Bezugswert entspricht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Fühlervorrichtung einen Stromtransformator mit getrennten Primärwicklungen enthält, daß jede Wicklung in Serie mit einem entsprechenden Wechselrichterstufen-Schaltelement zur Leitung des von diesem Schaltelement gelieferten Momentanstroms geschaltet ist und daß wenigstens eine Sekundärwicklung vorgesehen is*';, die magnetisch mit den Primärwicklungen gekoppelt ist und so angeschlossen ist, daß an die Wellenformervorrichtung das erste Signal angelegt wird.

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4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenformervorrichtung Gleichrichtereinrichtungen enthält, die abhängig von dem ersten Signal ein proportional mit dem Betrag des ersten Signals in Beziehung stehendes Signal erzeugen, und daß die Wellenformervorrichtung ferner eine nichtlineare Energiequelle enthält, deren Ausgang mit dem Ausgang der Wellenformervorrichtung verbunden ist und die abhängig von dem proportional mit dem Betrag des ersten Signals in Beziehung stehenden Signal das zweite Signal erzeugt, das für alle Werte des proportional in Beziehung stehenden Signals unter einem vorbestimmten Wert eine niedrige Änderungsgeschwindigkeit und für alle Werte des proportional in Beziehung stehenden Signals über dem vorbestimmten Wert eine hohe Änderungsgeschwindigkeit aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratorvorrichtung eine Kapazitätsvorrichtung mit einem ersten Anschluß zum Empfangen des zweiten Signals und mit einem zweiten, an den vorbestimmten Rückstellwert Anschluß enthält , wobei sich die Kondensatorvorrichtung auf ein Potential auflädt, das dem vom Betrag und der Dauer des zweiten Signals bestimmten Rückkopplungssignal entspricht, und daß die Integratorvorrichtung ferner ein Schaltelement enthält, das mit einer ersten, an die erste Klemme angeschlossenen Ausgangselektrode , einer zweiten, an den vorbestimmten Rückstellwert gelegten Ausgangselektrode und einer Steuerelektrode zum Empfangen des Rückstellsignals versehen ist, wobei das Schaltelement abhängig von dem Rückstellsignal die Kondensatorvorrichtung auf den vorbestimmten Rückstellwert entlädt.

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6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegeldetektorvorrichtung eine hochverstärkende Verstärkervorrichtung mit einem ersten Eingang zum Empfangen des Rückkopplungssignals aus der Integratorvorrichtung, einem zweiten, an den vorbestimmten Bezugswert gelegten Eingang und einem dem Steuersignal entsprechenden Ausgang enthält.
7. Impulsdauermodulaücns -Steuerverfahren zur Erzielung einer schnell ansprechenden Strombegrenzung und eines schnell ansprechenden Stromausgleichs in einem Spannungswandler, der eine Wechselrichtervorrichtung zur Erzeugung eines abwechselnden Impulsstroms während jedes Betriebshalbzyklus enthält, dadurch gekennzeichnet

(a) daß ein dem wechselnden Impulsstrom direkt proporr tionales erstes Signal erzeugt wird,

(b) daß ein eine nichtlineare, monoton ansteigendes Übertragungskennlinie bezüglich des ersten Signals aufweisendes zweites Signal erzeugt wird,

(c) daß das zweite Signal zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals integriert wird,

(d) daß das Rückkopplungssignal mit einem vorbestimmten Bezugswert verglichen wird,

(e) daß jedesmal ein Steuersignal erzeugt wird, wenn das Rückkopplungssignal einen vorbestimmten Bezugswert übersteigt,

(f) daß abhängig von der Erzeugung des Steuersignals der abwechselnde Impulsstrom für den Rest des

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momentanen Betriebshalbzyklus der Wechselrichtervorrichtung beendet wird und

(g) daß das Rückkopplungssignal in der Vorbereitung auf den nächstenEetriebshalbzyklus der Wechselrichtervorrichtung einen vorbestimmten Rucksteilwert zurückgestellt wird.

ORlQSNAL INSPECTED

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