DE3441631A1

DE3441631A1 - Umrichter

Info

Publication number: DE3441631A1
Application number: DE19843441631
Authority: DE
Inventors: Kiyoharu Musashina Tokio/Tokyo Inou; Hitoshi Mitaka Tokio/Tokyo Saito
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1985-05-23
Also published as: US4685039A; CA1217810A; GB2152770B; DE3441631C2; GB2152770A; GB8427797D0

Description

jnkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig Patentanwälte

European Patent Attorneys

L L 1 R ^ 1 Zugelassene Vertreter vor dem

ο t ·+ luo ι Europaischen Patentamt

Dr. phil G Henkel, München Dip! -Ing. J. Pfenning. Berlin Dr rer. nat L. Feiler, München Dipl.-lng. W. Hänzel, München Dipl.-Phys- K. H. Meinig, Berlin Dr. Ing. A. Butenschön, Berlin Dipl.-lng. D. Kottrrtann, München

Mohistraße 37
D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex. 0529802 hnki d Telegramm ellipsoid Telefax (Gr. 2+3);
089/981426

FA 84 276

YOKOGAWA HOKUSHIN ELECTRIC CORPORATION,
Tokio, Japan

Umrichter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umrichter bzw. Wandler (im folgenden einfach als "Umrichter" bezeichnet), der für die Verwendung mit einer Stromversorgung hoher Kapazität zweckmäßig ist, und betrifft insbesondere einen verbesserten, in Reihe geschalteten Einpunkt-(ON/ON bzw. EIN/EIN)- oder Zweipunkt- (ON/OPF bzw. EIN/AUS)-Umrichter, bei dem zwei Eintransistor-Einpunkt- oder -Zweipunkt-Wandler mit ihren Primärklemmen in Reihe geschaltet und mit ihren Sekundärklemmen parallelgeschaltet sind, um die Ausgangsleistung zu erhöhen und die Durchbruchspannung anzuheben.

In den Fig. 1 und 2 sind als Beispiele bisherige Eintransistor-Einpunkt-Umrichter dargestellt. Beim Umrichter gemäß Fig. 1 wird eine Eingangsspannung E_1n durch einen als Schalt(er)element wirkenden Transistor Q1 ein- und ausgeschaltet und an die Primärwicklung N11 eines Transformators T1 angelegt, so daß eine bei durchgeschaltetem Transistor Q1 an der Sekundärwicklung N12 induzierte Spannung durch Dioden D11 und D12, eine Drossel Li und einen Glättungskondensator C12 gleichgerichtet und geglättet wird, wobei eine Gleichspannung V_Q zu einer Last RL geliefert wird. Beim Eintransistor-Einpunkt-Umrichter wird zudem eine hohe Nachschwingspannung zwischen den beiden Klemmen des

Schaltelements Q1 durch die Anregungsspannung erzeugt, die bei sperrendem Schaltelement Q1 im Transformator T1 gespeichert ist. Zum Schütze des Schaltelements Q1 ist es daher üblich, den Transformator T1 mit einer Rückstell- oder Rückführ-Wicklung N13 auszustatten, die im Sperrzustand mit einer Diode D13 verbunden ist, so daß ihre Spannung an die Eingangsspannung E__N festgehalten bzw. angeklammert ist, um die an der Primärwicklung N11 des Transformators T1 induzierte Spannung zu unterdrücken. Wahlweise kann dabei ein Schaltkreis (snubber circuit) S1 aus dem Widerstand R1, einem Kondensator C13 und einer Diode D14 zur Durchführung des Anklammeroperation vorgesehen sein. Die mit der Rückführwicklung N13 versehene Anlage besitzt dabei einen geringen Verlust, weil die Anregungsenergie zur Eingangsspannung E_n zurückgeführt wird. Wenn jedoch die Kopplung zwischen Rückführwicklung N13 und Primärwicklung N11 unzureichend ist, kann die Nachschwingspannung nicht genügend festgehalten bzw. angeklammert (clamped) werden. Andererseits kann bei der den Schaltkreis verwendenden Anlage die Nachschwxngspannung auf einem niedrigen Pegel festgehalten bzw. angeklammert werden, wenn die CR-Zeitkonstante vergrößert wird. Diese letztere Anlage besitzt allerdings einen großen (Leistungs-)Verlust, weil der Widerstand R1 Strom verbraucht. Bei einer praktisch einsetzbaren Schaltung werden daher häufig beide Systeme angewandt, wie in Fig. 1 dargestellt.

Auch bei dem in Reihe geschalteten Einpunkt-ümrichter unter Verwendung dieser beiden Eintransistortyp-Einpunkt-Wandler, deren Primärklemmen in Reihe geschaltet und deren Sekundärklemmen parallelgeschaltet sind, um die Ausgangsleistung zu erhöhen und die Durchbruchspannung des Schaltelements zu senken, sind daher auf

die in Fig. 2 gezeigte Weise zwei Eintransistor-Einpunkt-Wandler CV1 und CV2 mit den bisherigen Rückführwicklungen N13 und N23 sowie den Schaltkreisen S1 und S2 versehen. Infolgedessen werden der Aufbau komplex und ein Verlust in den Schaltkreisen o.dgl. hervorgerufen .

Bei der Konstruktion nach Fig. 2 müssen zudem die Schalt(er)elemente Q1 und Q2 der betreffenden Umrichter oder Wandler CV1 und CV2 Durchbruchspannungen besitzen, die doppelt so groß sind wie die geteilten Eingangsspannungen E1 (d.h. Spannung zwischen den beiden Klemmen eines Kondensators C11) und E2 (d.h. Spannung zwischen den beiden Klemmen eines Kondensators C21). Falls die äquivalenten Eingangsimpedanzen der betreffenden Umrichter gleich sind, können die Schaltelemente eine Durchbruchspannung von E_1n besitzen, weil die Bedingungen E1 = E2 = E_IN/2 erfüllt sind. Wenn die äquivalenten Impedanzen jedoch verschieden sind, müssen die Schaltelemente eine Durchbruchspannung von nicht weniger als E_n besitzen, weil E1 = E2 gilt, so daß eine der geteilten Eingangsspannungen größer ist als die andere. Mit anderen Worten: der Schaltungsaufbau nach Fig. 2 besitzt eine geringe Wirksamkeit bezüglich der Verringerung der Durchbruchspannung, und die Schaltelemente müssen unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen eine Durchbruchspannung besitzen, die doppelt so groß ist wie E_1n.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines in Reihe geschalteten und einfach aufgebauten Einpunkt(ON/ ON)- oder Zweipunkt(ON/OFF)-Umrichters mit einer Einrichtung zum Anklammern bzw. Festhalten der Nachschwingspannung mit geringem Verlust, aber mit großer Zuverlässigkeit.

-Jt- AO

Dieser Umrichter soll auch eine Einrichtung zur Feststellung eines Spitzenstroms an den Primärklemmen aufweisen, die ohne Verschlechterung des Ansprechverhaltens einen einfachen Aufbau besitzt und einen sicheren Schutz vor überströmen gewährleistet.

Dieser Umrichter soll auch in der Lage sein, die gemeinsamen (shared) Ausgangsströme von zwei Wandlern praktisch zu egalisieren.
10

Die genannte Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein GIeichstrom/Gleichstrom-Umrichter mit ersten und zweiten Eintransistor-Umrichtern oder -Wandlern mit Transformatoren, Schalt(er)elementen, um die Primärwicklungen der Transformatoren mit einer Wechselstromquelle in Reihe zu schalten, und über diese Schaltelemente mit den Primärwicklungen in Reihe geschalteten Kondensatoren, wobei die Primärwicklungen der Transformatoren von erstem und zweitem Wandler miteinander in Reihe geschaltet sind, mit einer ersten Diode zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises mit dem Transformator des ersten Wandlers und dem Kondensator des zweiten Wandlers, wenn das Schaltelement des ersten Wandlers sperrt oder offen ist, und mit einer zweiten Diode zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises zusammen mit dem Transformator des zweiten Wandlers und dem Kondensator des ersten Wandlers, wenn das Schaltelement des zweiten Wandlers sperrt oder offen ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Schaltbilder beispielhafter bisheriger Umrichter ,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Umrichters gemäß der Erfindung,

Fig. 4 graphische Darstellungen der Ansteuerwellenformen der (für die) Schalt(er)elemente,

fig. 5 Schaltbilder von Schaltbeispielen für eine Sekundärwicklung ,

Fig. 6 bis 8 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der

Erfindung,
15

Fig. 9 ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung

eines Betriebsbeispiels,

Fig. 10 und 11 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 12 Wellenformdiagramme für ein Betriebsbeispiel bei der Anordnung nach Fig. 11,

2fc Ficj. 13 und 14 Schaltbilder noch weiterer Ausführungsforiöen der Erfindung und

Fig. 15 ein Schaltbild eines wesentlichen Teils eines anderen Beispiels für den Ansteuerkreis des Schaltelements.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Umrichters gemäß der Erfindung unter Verwendung von Einpunkt-Wandlern (ON/ON

converters). Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der bisherigen Anordnung gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Transformator T1 an der Seite des Wandlers CV1 in Emitterschaltung des Schalt(er)elements Q1 angesteuert ist, während an der Seite des Wandlers CV2 ein Transformator T2 am Kollektor des Schaltelements Q2 liegt, daß eine Klemme b der Primärwicklung N11 des Transformators T1 und eine Klemme c der Primärwicklung N21 des Transformators T2 mit einem Knotenpunkt e von Kondensatoren C11 und C21 zusammengeschaltet sind, daß eine Diode D15 zwischen die andere Klemme a der Primärwicklung N11 und die Minusklemme (-) der Eingangsgleichspannung E__N geschaltet ist, daß eine Diode D25 zwischen die andere Klemme d der Primärwicklung N21 und die Plusklemme (+) der Eingangsgleichspannung E__N geschaltet ist und daß die Rückführwicklungen (reset windings) N13, N23 sowie die Schaltkreise S1, S2 weggelassen sind.

Die Arbeitsweise dieses Umrichters gemäß der Erfindung ist im folgenden erläutert. Wenn zunächst das Schaltelement Q1 durchgeschaltet ist, fließt aufgrund der Eingangsgleichspannung ein Strom über die Elemente Q1, T1 , C21, so daß der Transformator T1 an seiner Klemme a positiv und an seiner Klemme b negativ wird. Wenn dann das Schaltelement Q1 sperrt, kehrt sich die Polarität des Transformators T1 um, so daß seine Klemme a negativ und seine Klemme b positiv wird. Infolgedessen fließt ein Rückstell- oder Rückstrom (reset current) über die Diode D15 zum Transformator T1 über die Strecke aus den Elementen N11, C21, D15, N11_; und. die beiden Klemmen des Transformators T1 werden an die Klemmenspannung E2 des Kondensators C21 angeklammert, so daß ihre Spannung nicht mehr (weiter) ansteigt. Dabei wird der Kondensator C21 durch den Rückstrom aufgeladen, und die Anregungs-

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energie (excited energy) des Transformators T1 geht nicht verloren, weil sie als Eingangsspannung zum anderen Wandler CV2 zurückgeführt wird. Bezüglich der an das Schaltelement Q1 anzulegenden Spannung kann dieses Element Q1 andererseits eine Spannung entsprechend E__N oder höher besitzen, weil es keine Spannung von E1 + E2 = EIN oder höher empfängt. Selbst wenn nämlich die Eingangsspannung die höhere der Spannungen E1 = E2 wird, empfängt das Schaltelement im wesentlichen nicht die Spannung von E1 + E2 = EIN oder höher, weil in der Rückstell- oder Rückstromperiode die Anklammerung an die Spannung E2 erfolgt.

Die Arbeitsweise des Schaltelements Q2 ist ähnlich wie die des Schaltelements Q1. Wenn ersteres durchgeschaltet ist, fließt Strom aufgrund der Eingangsspannung E über die Strecke aus den Elementen C11, T2, Q2, so daß der Transformator T2 an seiner Klemme c positiv und an seiner Klemme d negativ wird. Wenn dann das Schaltelement Q2 sperrt, kehrt sich die Polarität des Transformators T2 um, so daß seine Klemme c negativ und seine Klemme d positiv wird. Infolgedessen fließt der Rückstrom des Transformators T2 über die Diode D25 auf der Strecke aus den Elementen N21, D25, C11, N21, und die beiden Klemmen des Transformators T2 werden an die Klemmenspannung E1 des Kondensators C11 angeklammert, so daß ihre Spannung nicht mehr ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kondensator C1 ebenfalls durch den Rückstrom aufgeladen, und die Anregungsenergie des Transformators T2 geht nicht verloren, weil sie zur Eingangsspannung des anderen Wandlers CV1 zurückgeführt wird.

Nebenbei bemerkt, können die Schaltelemente Q-1 und Q2 entweder gemäß Fig. 4A gleichzeitig oder gemäß Fig. 4B

abwechselnd angesteuert werden. Insbesondere im Fall der abwechselnden Ansteuerung gemäß Fig. 4B ist es möglich, den Wert des Kondensators C12 an der Sekundärseite auf die Hälfte oder weniger zu verkleinern. Andererseits können die Stromkreise an der Sekundärseite die Drossel L1 und die Diode D12 auf die in Fig. 5A gezeigte Weise gemeinsam benutzen. In diesem Fall kann gemäß Fig. 5B die Diode D12 weggelassen werden.

Die Fig. 6A und 6B veranschaulichen eine andere Ausführungsform des Umrichters. Die Ausführungsform nach Fig. 6A und 6B unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß die Primärwicklungen N11 und N21 der Transformatoren T1 bzw. T2 mit Mittelanzapfungen versehen sind. Gemäß Fig. 6A kann zudem die Nachschwingspannung im Verhältnis der Mittelanzapfungen verringert werden, wenn die Ansteuerung der Transformatoren T1 und T2 von den Anzapfungen aus beginnt und die Dioden D15 und D25 mit den führenden (leading) Enden der Wicklungen verbunden sind. Wenn dagegen die Ansteuerung der Transformatoren T1 und T2 von den Wicklungsenden aus beginnt und die Dioden D15 und D25 an die Anzapfungen angeschlossen sind, kann die Rückstromperiode (reset period) verkürzt werden, obgleich sich dabei die Nachschwingspannung erhöht.

Eine höhere Ausgangsleistung läßt sich zudem erreichen, wenn mehrere Umrichter gemäß der Erfindung entweder gemäß Fig. 7A mit der Eingangsgleichspannung E in Reihe geschaltet oder gemäß Fig. 7B zu ihr parallelgeschaltet werden.

Fig. 8 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der Zweipunkt-Wandler (ON/OFF converters) verwendet werden. Diese Ausführungsform unterscheidet

sich von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß die Sekundärwicklungen N12 und N22 der Transformatoren T1 bzw. T2 umgekehrt geschaltet (reversed) sind und daß die Dioden D12, D22 sowie die Drosseln L1, L2 gemäß Fig. 3 weggelassen sind.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Umrichters erläutert. Wenn zunächst das Schaltelement Q1 an der Seite des Wandlers CV1 durchschaltet, wird die Klemmenspannung El des Kondensators C11, die von der Eingangsspannung EIN abgezweigt (divided) ist, an den Transformator T1 angelegt. Wenn das Schaltelement Q1 sperrt, wird die Änklammerdiode Di3 leitend, so daß die an der Primärwicklung N11 des Transistors T1 erzeugte Nachschwingspannung an die Klemmenspannung E2 des Kondensators C21 angeklammert wird. Wenn zudem die als Streuinduktivität gespeicherte Restenergie freigegeben (released) wird, wird eine durch Multiplikation der Spannung V_Q mit dem Wicklungs-

verhältnis N12/N11 bestimmte Spannung zwischen die beiden Klemmen der Primärwicklung N11 angelegt. Diese Beziehung ist im Wellenformdiagramm von Fig. 9 verdeut-. licht. Wenn dagegen das Schaltelement Q2 durchschaltet, wird die von der Eingangsspannung EIN abgezeigte Klemmenspannung E2 des Kondensators C21 an den Transformator T2 angelegt. Wenn das Schaltelement Q2 sperrt, wird die Anklammerdiode D23 leitend, so daß die an der Primär wicklung N21 des Transformators T2 erzeugte Nachschwingspannung an die Klemmenspannung E1 des Kondensators C11 angeklammert wird. Wenn zudem die als Streuinduktivität gespeicherte Restenergie freigegeben wird, wird die durch Multiplikation des Windungsverhältnisses (mit) der Spannung V_ bestimmte Spannung zwischen die beiden Klemmen der Wicklung N21 angelegt. Die Nach-Schwingspannung geht daher nicht verloren, weil sie zur Eingangsspannung des anderen Wandlers zurückgeführt

wird.

Die Fig. 1OA und 10B veranschaulichen ein Schaltbild noch einer anderen Ausführungsform des Umrichters nach Fig.8. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 8 dadurch, daß die Primärwicklungen N11 und N21 der Transformatoren T1 bzw. T2 jeweils mit Mittelanzapfungen versehen sind. Gemäß Fig. 1OA beginnt weiterhin die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 von den

LO Anzapfungen her, und die Dioden D13, D23 sind an die Wicklungsenden angeschlossen. Gemäß Fig. 10B beginnt die Ansteuerung der Transistoren T1, T2 dagegen von den Wicklungsenden her, und die Dioden D13, D23 sind mit den Anzapfungen verbunden. Insbesondere bei der Anordnung nach Fig. 1OA kann die an die Schaltelemente Q1, Q2 anzulegende Nachschwingspannung im Verhältnis der Mittelanzapfungen verringert werden, so daß die Durchbruchspannungen der Schaltelemente gesenkt (dropped) werden können.

Fig. 11 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Stromtransformator CT zwischen den Knotenpunkt b einer Reihenschaltung aus der Primärwicklung N11 des Transistors T1 und dem Schaltelement Q1 des ersten Wandlers CV1 sowie einer Reihenschaltung aus der Primärwicklung N21 des Transistors T2 und dem Schaltelement Q2 des zweiten Wandlers CV2 und den Knotenpunkt e der Kondensatoren C11 und C21 geschaltet ist, wobei der Ausgang des Stromtransformators CT an einem überstrom-Meß- oder-Detektorkreis CS liegt, der ein Signal e_nn zum Schutz vor überstrom zu liefern vermag.

Wenn nun die Schalt(er)elemente Q1 und Q2 von erstem bzw. zweitem Wandler CV1 bzw. CV2 gemäß Fig. 12A und

12B mit einer Phasendifferenz von 180° angesteuert werden, fließt der Strom über den Stromtransformator CT in Vorwärtsrichtung (d.h. vom Knotenpunkt b zum Knotenpunkt e), wenn das Schaltelement Q1 durchgeschaltet ist und das Schaltelement Q2 sperrt, und in Rückwärtsrichtung (d.h. vom Knotenpunkt e zum Knotenpunkt b) bei sperrendem Schaltelement Q1 und durchgeschaltetem Schaltelement Q2. Der Strom fließt somit in beiden Richtungen über den Stromtransformator CT, so daß der Spitzen- oder Scheitelwert auch ohne die spannungsverdoppelnden Gleichrichtungs- und Glättungsvorgänge reproduziert werden kann. Infolgedessen kann das Ausgangssignal des Stromtransformators CT unmittelbar dem Überstrom-Meßkreis CS eingespeist werden, wobei das Signal e _ für überstromschutz mit ausgezeichnetem Ansprechverhalten geliefert werden kann, ohne daß ein spannungsverdoppelnder Gleichrichter- und Glättungskreis erforderlich wäre.

Die in Fig. 13 dargestellte noch weitere Ausführungsform entspricht dem Fall, in welchem eine Stromversorgung vorgesehen (constructed) ist. unterschiedlich bei dieser Ausführungsform ist, daß die Gleichspannung E , geglättet durch einen Glättungskondensator C10 nach der Gleichrichtung aus der Speisewechselspannung e durch eine Gleichrichterbrücke BR, an die beiden Eintransistor-Gleichstrom/Gleichstrom-ümrichter oder -Wandler CV1 und CV2, deren Primärklemmen in Reihe geschaltet sind, angelegt wird, und daß die Kondensatoren C1 und C2 zum Durchlassen von Hochfrequenzströmen zwischen die Eingangsklemmen der Wandler CVl bzw. CV2 geschaltet sind. Nebenbei bemerkt, steuert eine Steuerschaltung CON die Ansteuerperioden, d.h. die Tastverhältnisse D1 und D2 der Schaltelemente Q1 bzw. Q2, in der Weise, daß die Ausgangsspannung V_n eine Zielgröße annehmen kann.

-ye-

Bei der beschriebenen Anordnung fließt ein Strom I.- vom Eingang über eine Strecke aus den Elementen T1, Q1, C2, wenn das Schaltelement Q1 des Wandlers CV1 durchgeschaltet ist, und es fließt ein Strom 1^₂ ^vom Eingang über die Strecke aus den Elementen C1, T2, Q2, wenn das Schaltelement Q2 des Wandlers CV2 durchgeschaltet ist. Für die jeweiligen Wandler CV1 und CV2 - weil die Ströme oder Leistungen (powers) an Primär- und Sekundärseite gleich sind - gelten die nachstehend angegebenen Be-Ziehungen für den Fall, daß die Ausgangsspannungen und -ströme der betreffenden Wandler mit V_Q1 bzw. V_Q2 und I. bzw. I₂ bezeichnet, die Wicklungsverhältnxsse

Γ1 bzw. Τ2 mit ' vorausgesetzt und die Abfallspannungen (Spannungsabfälle) an den SekundärSeiten mit V_R1 bzw. V₂ und Klemmenspannungen der Kondensatoren C1 und C2 mit E bzw. E₂ bezeichnet werden.

<^voi

<^V02

Die Aus gangs spannungen V .. und V₂ der betreffenden Wandler CV1 und CV2 bestimmen sich andererseits nach folgenden Gleichungen:

^V01 ^{= E}l· ^Dl - ^VR1
^V02 ^{= E}2-^D2 - ^VR2

Wenn Gleichungen (1) und (2) in Gleichungen (3) bzw. (4) eingesetzt werden, ergeben sich folgende Gleichungen:

D₂I₀₂ * I₁₂ - - (6).

Infolgedessen lassen sich die Eingangsimpedanzen Z. und Z_ der Wandler CVI und CV2 durch folgende Gleichungen ausdrücken:

m,

⁼ ίγϊ (β). ^!

Die Eingangsimpedanz Z- (oder Z₃) verringert sich mithin mit einer Vergrößerung des Ausgangsstroms I- (oder I₀₂) und vergrößert sich mit einer Verkleinerung desselben.

Da die Eingangsspannung E eine Gleichspannung ist, werden (einerseits) die Klemmenspannungen E1 und E2 der betreffenden Kondensatoren C1 bzw. C2 durch deren Kapazitäten nicht beeinflußt, vielmehr nehmen sie die Größen an, die durch Teilen der Eingangsspannung E_„ durch die Eingangsimpedanzen Z- und Z₂ erhalten werden, wie dies durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt ist:

Z₁
^El - ^EIN <⁹>:

^E2 - ^EIN - - - <¹⁰>-

Anhand der Gleichungen (9) und (1O) wird zudem die folgende Beziehung erhalten:

E₁ E₂ E
"²I ⁼ "²I ^{= 2}I ^{+ Z}2 ^{11)·

Die den betreffenden Wandlern zugewiesenen Eingangsspannungen werden mithin durch die Eingangsimpedanzen wiedergegeben. Wenn sich der zugewiesene Ausgangsstrom I₀₁ aus irgendeinem Grund vergrößert, verringert sich somit die Eingangsimpedanz Z₁ des Wandlers CV1 unter Änderung des Spannungsteilungsverhältnisses der Eingangsspannung E_IN· Als Ergebnis wird die zugewiesene Eingangsspannung E1 des Wandlers CV1 verringert, während sich die zugewiesene Eingangsspannung E2 des Wandlers

.0 CV2 erhöht, so daß sich die Ausgangsspannung V₁ des ersteren verringert und sich die Ausgangsspannung V_ndes letzteren vergrößert. Mit anderen Worten: die Wandler CV1 und CV2 besitzen negative Rückkopplungswirkungen in Abhängigkeit vom Anstieg der jeweiligen Ausgangsströme, wobei aus Gleichungen (7), (8) und (9) die nachstehend angegebene Beziehung abgeleitet wird, so daß die beiden Wandler auf den Punkten arbeiten, auf denen ihre jeweiligen oder zugewiesenen Ausgangsströme I-.^ und I-~ sowie Tastverhältnisse D₁ und D-egalisiert sind:

Wenn insbesondere die Tastverhältnisse D₁ und D₂ gleich sind, arbeiten die beiden Wandler auf Punkten, an denen die zugewiesenen Ausgangsströme gleich groß werden. Außerdem hat die Differenz zwischen den Impedanzen R1 und R2 der Stromwege keinen Einfluß auf die zugewiesenen Ausgangsströme. Wie sich weiterhin aus Gleichung (12) ergibt, spiegelt sich die Differenz zwischen den Tastverhältnissen, wie sie ist, an den zugewiesenen Ausgangsströmen J_Q1 und J₀₂ wider, ohne sich zu vergrößern.

Fig. 14 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Umschalter SW zwischen den Mit-

telpunkt der in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren CH und C21 zum Glätten des Ausgangssignals des Gleichrichterkreises BR und eine gemeinsame oder Sammelleitung COM an der Bezugsseite der Speisewechselspannung so geschaltet ist, daß er zur Durchführung der spannungsvervielfachenden Gleichrichtung schließt, wenn die Speisewechselspannung e z.B. 11OV beträgt, und zur Durchführung der Brückengleichrichtung öffnet, wenn die Speisewechselspannung e z.B. 220 V beträgt, so daß der Umrichter gemäß dieser Ausführungsform für beide Systeme oder Anlagen mit Speisewechselspannungen von 100 V und 2OO V benutzt werden kann. Weiterhin sind die jeweiligen Basiskreise der als Schaltelemente wirkenden Transistoren Q1 und Q2 mit einer Obersteuerstromstrecke versehen, die aus einem Kondensator C und den Dioden Dl und D2 besteht, und zwar zusätzlich zu einem Basis-Konstantstromspeisekreis eines Widerstands R, so daß der Übersteuerstrom über den Kondensator geliefert werden kann, wenn die Schaltelemente durchgeschaltet sind. Im Dauer- oder Einschwingzustand wird insbesondere der Basisstrom über den Widerstand R zu den Transistoren Q1 und Q2 geliefert, so daß letztere ausreichend gesättigt sein können, weil die Überbrückungsstrecke über die Dioden D 3 und D2 nicht wirksam ist. Im Fall einer leichten Last sind oder werden die Transistoren Q1 und Q2 so gesättigt, daß der OberSteuerstrom zur Diode D₂ geshuntet wird, wenn die Kollektorspannung weit genug abgefallen ist. Während sich beim Durchschaltvorgang entsprechend der Größe der Last die Übersteuerung selbst abgleicht oder ausgleicht, ändert sich beim Sperrvorgang die Speicherzeit nicht so stark entsprechend der Last. Zusätzlich kann gemäß Fig. 15 zu dieser Schaltung zwischen Basis und Emitter des als Schaltelement wirkenden Transistors Q1 (oder QZ) ein Transistor Q_Q hinzugefügt werden, der mit dem Knoten-

punkt f zwischen Kondensator C und Diode D1 verbunden ist, um den Sperrvorgang zu beschleunigen.

Gemäß Fig. 14 werden weiterhin die Ausgangsspannungen V₀, und Vq2 unabhängig voneinander von den betreffenden Wandlern CV1 bzw. CV2 abgenommen. Hierbei nimmt die Steuerschaltung CON die Ausgangsspannung V₀₁ des Wandlers CV1 ab und steuert die Tastverhältnisse der Schaltelemente Q1 und Q2 über die Transformatoren CT2

LO bzw. CT3, so daß die Ausgangsspannung V_Q1 eine Zieloder Sollgröße erreichen kann. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung V₀₂ an der Seite des Wandlers CV2 zum Ausgangsstrom I_n1 proportional. Außerdem nimmt die Steuerschaltung CON das Signal entsprechend dem Gesamtstrom an der Primärseite über einen Stromtransformator CT1 und einen Überstrom-Meßkreis CS1 sowie Signale entsprechend den über die Lasten RL1 und RL2 fließenden Lastströmen I₀₁ bzw. I_o~ über Stromtransformatoren CT4 und CT5 sowie Überstrom-Meßkreise CS2 und CS3 ab. In Abhängigkeit von dem von einem oder jedem der Überstrom-Meßkreise CSI bis CS3 (die gemeinsam benutzt werden können) erfaßten oder gelieferten (detected) überstromsignal werden z.B. die Schaltelemente Q1 und Q2 zum Schutz der Stromversorgung insgesamt zum Sperren gebracht.

Die Ausführungsform nach Fig. 14 ist aus mehreren Arten von Schaltungen oder Stromkreisen mit Kennlinien zusammengesetzt, die mit einer anderen Schaltung (Stromkreis) kombiniert oder von denen eine oder mehrere Schaltungen (Stromkreise) weggelassen werden können.

Wie vorstehend beschrieben; kann mit der Erfindung somit ein Umrichter realisiert werden, welcher trotz seines einfachen Aufbaus die Nachschwingspannung (zwar) mit

einem geringen Verlust, aber zuverlässig anzuklaimaern vermag. Zudem kann ein Umrichter realisiert werden, welcher die zugewiesenen Ausgangsströme von erstem und zweitem Wandler, die miteinander in Reihe geschaltet sind, praktisch zu egalisieren oder gleich groß einzustellen vermag.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1.jGleichstrom/Gleichstrom-Umrichter, gekennzeichnet durch erste und zweite umrichter oder Wandler mit Transformatoren, mit deren Primärwicklungen in Reihe geschalteten Schalt(er)elementen und mit den Primärwicklungen über die Schaltelemente in Reihe ge-schalteten Kondensatoren zur Erzeugung von Gleichspannungen, durch eine erste, die Primärwicklungen der Transformatoren von erstem und zweitem Wandler miteinander in Reihe schaltende Diode, um einen geschlossenen Stromkreis zusammen mit dem Transformator des ersten Wandlers und dem Kondensator des zweiten Wandlers, wenn das Schaltelement des ersten Wandlers sperrt oder offen ist, zu bilden, durch eine zweite Diode zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises zusammen mit dem Transformator des zweiten Wandlers und dem Kondensator des ersten Wandlers, wenn das Schaltelement des zweiten Wandlers

2fe Sperrt oder offen ist, und durch Ausgangskreise zum Gleichrichten und Glätten der an den jeweiligen Sekundärwicklungen der Transformatoren von erstem und zweitem Wandler erzeugten Signale zwecks Erzeugung von Ausgangsgleichspannungen.
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der* Primärwicklungen der Transformatoren von erstem und zweitem Wandler jeweils Mittelanzapfungen vorgesehen sind, wobei die Klemmen der einen Seite der Schaltelemente jeweils mit den Mit-

telanzapfungen verbunden sind.
3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelanzapfungen jeweils an den Primär-Wicklungen der Transformatoren von erstem und zweitem Wandler vorgesehen sind, derart, daß die eine Klemme der zweiten Diode und die eine Klemme der ersten Diode mit der Mittelanzapfung des Transformators des ersten Wandlers bzw. mit der Mittelanzapfung des Transformators des zweiten Wandlers verbunden sind.
4. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl erster und zweiter Wandler mit einer Gleichspannung-Eingangsstromversorgung in Reihe geschaltet sind.
5. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl erster und zweiter Wandler zu einer Gleichspannung-Eingangsstromversorgung parallelgeschaltet sind.
6. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einpunkt-Wandler (ON/ON converters) als erste und zweite Wandler vorgesehen sind.
7. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zweipunkt-Wandler (ON/OFF converters) als erste und zweite Wandler vorgesehen sind.
8. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Stromtransformator für Strommeßzwecke zwischen den Knotenpunkt der Reihenschaltung aus ersten und zweiten Wandlern und den Knotenpunkt der Kondensatoren der ersten und zweiten Wandler zum Messen

oder Abgreifen des Gesamtstromflusses an der Primärseite (ein)geschaltet ist, so daß die Schaltelemente der ersten und zweiten Wandler mit einer Phasendifferenz von 180° ansteuerbar sind.
9. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Treiber- oder Ansteuersignale zum Ansteuern von die ersten und zweiten Schaltelemente bildenden Transistoren an deren Basiselektroden über Widerstände anlegbar sind, daß die Reihenschaltungen aus den Kondensatoren und Dioden zu den Widerständen parallelgeschaltet sind und daß die Dioden zwischen die Knotenpunkte der Kondensatoren und Dioden sowie der Kollektoren der Transistoren geschaltet sind.
10. Gleichstrom/Gleichstrom-Umrichter, gekennzeichnet durch einen Gleichrichterkreis zum Gleichrichten einer Speisewechselspannung, durch einen Kreis zum Glätten des Ausgangssignals des Gleichrichterkreises mittels eines Glättungskondensators zwecks Erzeugung einer Eingangsgleichspannung, durch erste und zweite Umrichter oder Wandler (converters), deren Primärklemmen in Reihe geschaltet sind, durch eine Schaltung zum Anlegen der Eingangsgleichspannung an erste und zweite Wandler, durch erste und zweite, zwischen die jeweiligen Eingangsklemmen von ersten bzw. zweiten Wandlern geschaltete Hochfrequenzstrom-Durchlaßkondensatoren, durch Ausgangskreise zum Gleichrichten und Glätten der Signale, die an den Sekundärwicklungen der Transformatoren der ersten und zweiten Wandler erzeugt werden, zwecks Erzeugung von Ausgangsgleichspannungen und durch Steuerschaltungen zum Durchschalten und Sperren der jeweiligen Schalt(er)-elemente der ersten und zweiten Wandler.
11. Umrichter nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Gleichrichterkreis, durch eine erste Diode zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises zusammen mit dem Transformator des ersten Wandlers und dem zweiten Kondensator, wenn das Schaltelement des ersten Wandlers sperrt bzw. offen ist, und durch eine zweite Diode zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises zusammen mit dem Transformator des zweiten Wandlers und dem ersten Kondensator, wenn das Schaltelement des zweiten Wandlers sperrt oder geschlossen ist.
12. Umrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungen den Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Wandler zugeordnete Signale abnehmen zwecks Steuerung der Tastverhältnisse der betreffenden Schaltelemente der ersten und zweiten . Wandler, so daß die Ausgangsspannungen Zielgrößen darstellen können.
13. Umrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungen zumindest eines von Signalen entsprechend den Gesamtströmen an den betreffenden Primärklemmen der ersten und zweiten Wandler sowie von Signalen entsprechend den jeweiligen Ausgangsströmen der ersten und zweiten Wandler zwecks Gewährleistung eines Schutzes vor Überströmen abzunehmen vermögen.
14. Umrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterkreise zum Gleichrichten der Speisewechselspannung Gleichrichterbrücken sind, daß die Kreise zum Erzeugen der Eingangs-Gleichspannungen zwei in Reihe geschaltete Glättungskondensatoren sind und daß ein Umschalter zwischen den

Mittelpunkt der beiden Glättungskondensatoren und die Sammelleitung an der Bezugsseite der Wechselspannung-Stromversorgung geschaltet ist, um eine spannungsverdoppelnde Gleichrichtung durch Schließen des Umschalters und eine Brückengleichrichtung durch öffnen des Umschalters durchzuführen.