DE4105464A1 - Getakteter umrichter mit steuerung von folgefrequenz und einschaltdauer - Google Patents
Getakteter umrichter mit steuerung von folgefrequenz und einschaltdauerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen wie im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Umrichter mit Steuerung von Folgefrequenz
und Einschaltdauer. Ein derartiger Umrichter wurde
bereits in der nicht vorveröffentlichten älteren Europäischen
Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 8 91 11 982.8 vorgeschlagen.
Der Umschalter gemäß dem älteren Vorschlag enthält einen durch
Einschaltimpulse leitend steuerbaren elektronischen Schalter
und eine Schaltungsanordnung zur Strom-Istwertbildung. Die
Steuerschaltung liegt mit einem Eingang am Ausgang der Schaltungsanordnung
zur Strom-Istwertbildung und steuert die Folgefrequenz
und/oder die Dauer der an ihrem Steuerausgang abgegebenen
Steuerimpulse in Abhängigkeit vom Strom-Istwert.
Fig. 1 zeigt einen üblichen getakteten Durchflußumrichter mit
konstanter Schaltfrequenz und Pulsbreitenmodulation.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Eintakt-Durchflußumrichter liegt
die Eingangsspannung UE am Kondensator 1 und die Ausgangsspannung
UA am Kondensator 9. Parallel zum Kondensator 1 liegt
eine aus der Primärwicklung 51 des Transformators 5, der
Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 4 und dem
Meßwiderstand 2 gebildete Serienschaltung. Parallel zur
Serienschaltung aus Meßwiderstand 2 und Drain-Source-Strecke
des Feldeffekttransistors 4 liegt die Anordnung 3 zur RCD-
Beschaltung. Zwischen der Sekundärwicklung 52 des Transformators
5 und dem Kondensator 9 liegt die Gleichrichterdiode 6.
In einem auf die Gleichrichterdiode 6 folgenden Querzweig ist
die Freilaufdiode 7 angeordnet. In einem Längszweig zwischen
Freilaufdiode 7 und Kondensator 9 liegt die Drossel 8.
Die Steuerelektrode des Feldeffekttranistors 4 ist an den
Treiber 11 angeschlossen, der durch die Logikschaltung 12
gesteuert wird. Am Meßwiderstand 2 liegt der Stromregler 10, am
Ausgang des Umrichters der Spannungsregler 15. Beide Regler
sind über je eine Diode 16 bzw. 17 an den Eingang des
Pulsweitenmodulators 13 geführt, so daß sich eine sogenannte
Ablöseregelung ergibt. Der Pulsweitenmodulator 13 ist durch
Taktgeber 14 gesteuert. Am Ausgang des Pulsweitenmodulators
13 liegt die Logikschaltung 12, die außerdem an den Ausgang des
Stromreglers 10 angeschlossen sein kann.
Derartige Umrichter stoßen bei höheren Frequenzen an ihre Anwendbarkeitsgrenzen,
die durch das Steuerprinzip selbst gegeben
sind. Dabei spielen die Totzeiten bzw. Laufzeiten die dominierende
Rolle. Die Steuerung mit Pulsweitenmodulation (PWM)
benötigt einen möglichst großen stetigen Stellbereich, um alle
vorkommenden Betriebszustände zu beherrschen. Zum Beispiel wird für den
wirksamen Tastgrad γ=tEIN/T ein kontinuierlicher Stellbereich
Δt benötigt, der etwa dem Faktor 10 entspricht.
Dieser Sachverhalt wird in dem folgenden Beispiel deutlich:
Bei einer üblichen Taktfrequenz von 100 kHz und einem maximalen
Tastgrad γ=0,5 soll der minimale stetig steuerbare Tastgrad
von γ=0,05 eingestellt werden können. Dies entspricht einer
Einschaltzeit von 0,5 µs.
Eine solche Einschaltzeit liegt andererseits in der Größenordnung
der Summe aller Totzeiten der Schaltkette, die aus Pulsbreitenmodulator,
Logik, Treiber, Schalttransistor und RCD-
Schutzbeschaltung gebildet wird. Die Diagramme a und b in Fig. 2
zeigen den prinzipiellen Verlauf der Pulsspannung UDF an der
Freilaufdiode 7 mit dem kontinuierlichen Stellbereich Δt. Das
Diagramm a zeigt eine Folge von Spannungsimpulsen mit der
Periodendauer T. Zwischen den Einschaltzeitpunkten t1 und dem
Ausschaltzeitpunkt t2 liegt die maximale Einschaltzeit tEmax.
Sollte ein Betriebspunkt eine kürzere Einschaltzeit erfordern
als die minimale Einschaltzeit tE min, wie im Leerlauf- oder
Kurzschlußbetrieb, so treten Unstetigkeiten auf. Daher müssen
Einschaltpulse ganz ausgelassen werden. Dies führt zu einem unkontinuierlichen
Betrieb mit Bildung von Subharmonischen, wie
im Diagramm C von Fig. 2 angedeutet. Im Grunde ist dies eine
spezielle Art der Instabilität. Die praktischen Folgen sind
insbesondere eine erhöhte Welligkeit am Eingang und Ausgang und
ein störender Geräuschpegel.
Diese Effekte treten bei höheren Frequenzen zunehmend in Erscheinung,
da sich die Totzeiten einzelner Funktionsblöcke mit
vertretbarem Aufwand nicht wesentlich reduzieren lassen. Eine
praktisch recht kurze Gesamtlaufzeit tE min von 250 ns führt
bei einer Taktfrequenz von 1 MHz schon sehr frühzeitig zu unkontinuierlichem
Betrieb, da sie 50% der maximalen Einschaltzeit
beträgt. Die Diagramme a und b von Fig. 3 zeigen diesen
Sachverhalt. Eine solche Schaltung ist wegen des stark eingeengten
stetigen Steuerbereichs nur bedingt brauchbar. Andererseits
ist eine Frequenzerhöhung im Hinblick auf eine Volumenreduzierung
von getakteten Stromversorgungsgeräten von Vorteil.
Hochfrequenzumrichter mit Frequenzen über 500 kHz werden insbesondere
als Resonanz- oder Quasiresonanzumrichter ausgeführt.
Derartige Umrichter erfordern jedoch vergleichsweise große
Ströme in den Leitungshalbleitern. Dies erfordert zusätzliche
hochwertige Komponenten im Resonanzkreis und ist auch im Hinblick
auf den Wirkungsgrad von Nachteil.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen getakteten Umrichter der
im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart
auszubilden, daß sich eine möglichst hohe Arbeitsfrequenz
realisieren läßt.
Gemäß der Erfindung wird der Umrichter zur Lösung dieser Aufgabe
in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Weise ausgebildet. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
ergibt sich der Vorteil, daß die maximale Arbeitsfrequenz
gegenüber einem pulsbreitenmodulierten Umrichter gleicher
Schaltungstechnologie erheblich erhöht werden kann. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die Frequenz in einem
weiten Lastbereich nur wenig ändert und auch bei extremen Betriebszuständen
kontinuierlich ohne störende Unstetigkeiten
und Sprünge verstellt wird.
Zur Veränderung der Einschaltdauer wird vorzugsweise die im betreffenden
Anwendungsfall dominierende Störgröße herangezogen.
Diese kann z. B. die Umgebungstemperatur des Umrichters sein.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindun ergeben sich
aus den Ansprüchen 2-4.
Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 4 und 6 gezeigten
Ausführungsbeispiele sowie anhand der in den Fig. 5 und 7
gezeigten Impulsdiagramme näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Umrichter üblicher Art,
Fig. 2 und 3 Impulsdiagramme für den Umrichter nach Fig. 1,
Fig. 4 einen getakteten Umrichter nach der Erfindung,
Fig. 5 in Impulsdiagramm für den Umrichter nach Fig. 4,
Fig. 6 einen Pulsgenerator für den Umrichter nach Fig. 4
und
Fig. 7 ein Impulsdiagramm für den Pulsgenerator nach
Fig. 6.
In Fig. 4 ist ein Durchflußumrichter nach der Erfindung dargestellt.
Dieser Umrichter erlaubt es, die Vorteile eines Durchflußumrichters
bekannter Art mit den Vorteilen der Hochfrequenztechnik
zu verbinden.
Der getaktete Umrichter nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem
nach Fig. 1 dadurch, daß anstelle der Logikschaltung 12, des
Pulsweitenmodulators 13 und des Taktgebers 14 der Pulsgenerator
18 mit vorgeschaltetem spannungsgesteuerten Oszillator 19 vorgesehen
ist. Der Pulsgenerator 18 liegt mit einem Eingang am
Eingang des Umrichters, d. h. an der Eingangsspannung UE. Ein
weiterer Eingang ist an den spannungsgesteuerten Oszillator 19
angeschlossen und erhält vom Oszillator 19 eine Taktspannung UT
variabler Frequenz.
Der Pulsgenerator 18 erzeugt eine Folge von Impulsen UP, deren
Folgefrequenz durch den spannungsgesteuerten Oszillator 19
vorgegeben ist und deren Einschaltdauer umgekehrt proportional
der Eingangsspannung ist.
Im allgemeinen liefert der Pulsgenerator 18 Pulse UP bestimmter
Einschaltdauer tE. Die Wiederholfrequenz wird von dem
spannungsgesteuerten Oszillator VCO bzw. 19 entsprechend dem
Arbeitspunkt des I-Reglers 10 oder U-Reglers 15 eingestellt.
Damit entfällt die Notwendigkeit, einen Puls weiter stark verkürzen
zu müssen. Im Grenzfall kann die der minimalen Periodendauer
Tmin entsprechende maximale Frequenz durch die minimal
realisierbare Einschaltdauer und den gewünschten Tastgrad bestimmt
werden, und zwar nach der Beziehung:
Dabei ist f die Wiederholfrequenz der Einschaltimpuls, der
Tastgrad und tE die Dauer der Einschaltpulse.
Bei einem Einschaltpuls mit einer Dauer tE=0,5 µs und dem
Tastgrad γ=0,5 ergibt sich danach eine Frequenz von 1 MHz.
Die Dauer des Einschaltpulses hängt von der Eingangsspannung
UE ab. Sie ist umgekeht proportional der Eingangsspannung
Die Änderung der Eingangsspannung UE ist bei dem Durchflußumrichter
die dominante Störgröße.
Beim idealisierten verlustlosen Umrichter gilt die Beziehung:
Bleibt nach Einführung der Beziehung (2) das Produkt UE · tE
konstant, so braucht bei einer Eingangsspannungsänderung die
Frequenz nicht geändert zu werden, um die Ausgangsspannung UA
konstant zu halten.
Die Steuerung der Einschaltzeit in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
allein ist eine einfach realisierbare Steuerung
und weist daher auch bei hohen Frequenzen keine schaltungstechnischen
Probleme auf. Dies bedeutet, daß der Umrichter nach
Fig. 4 im wesentlichen ohne größere Frequenzverschiebungen arbeitet.
Die Pulsdiagramme in Fig. 5 zeigen das prinzipielle Verhalten
des Umrichters bei verschiedenen Betriebszuständen:
- a) In der Anlaufphase bzw. bei zu geringer Ausgangsspannung stellt der spannungsgesteuerte Oszillator (19) die maximale Frequenz ein. Dies entspricht der minimalen Periodendauer Tmin der Taktpulse UT.
- b) Bei der minimalen Eingangsspannung liefert der Pulsgenerator 18 den Einschaltpuls UP mit maximaler Dauer tE max.
- c) Eine Erhöhung der Eingangsspannung hat eine Verkürzung der Einschaltzeit auf einen neuen Wert tEX zur Folge, ohne daß sich dabei die Frequenz verändert.
- d/e) Die beiden Diagramme zeigen die Frequenzreduzierung bei starker Entlastung oder bei Überlast und unveränderter Eingangsspannung UE. Es stellt sich die längere Periodendauer TY bei gleichbleibender Einschaltzeit tE x ein.
Die Leistung des Umrichters kann z. B. 15 W bei einer maximalen
Frequenz von 1,2 MHz betragen.
Bei Ausbildung des getakteten Umrichters als Sperrumrichter
wird die Steuerung der Einschaltzeit in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung zweckmäßigerweise seiner Steuerkennlinie angepaßt,
die durch die Beziehung
gegeben ist.
Fig. 6 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform für den Pulsgenerator
18 des Umrichters nach Fig. 4. Am Eingang des Umrichters,
d. h. an der Eingangsspannung UE liegt die aus dem Widerstand
20 und dem Kondensator 22 bestehende Serienschaltung.
Parallel zum Kondensator 22 liegt der gesteuerte Schalter 21,
der durch die Ausgangsspannung UT des spannungsgesteuerten
Oszillators 19 gesteuert wird. Der Komparator 23 ist mit seinem
nicht invertierenden Eingang über die Referenzspannungsquelle
24 mit dem Minuspol des Umrichtereinganges und mit seinem invertierenden
Eingang an den Verbindungspunkt von Widerstand 20
und Kondensator 22 geführt. Am Ausgang des Komparators 23 liegt
der Treiber 11.
Wie sich aus dem Impulsdiagramm nach Fig. 7 ergibt, hat der
Pulsgenerator 18 eine spannungsabhängige Eingangszeit. Der
spannungsgesteuerte Oszillator 19 gibt an seinem Ausgang die
Pulsfolge UT ab. Die Spannung UC am Kondensator 22 hat einen
sägezahnförmigen Verlauf, wobei die Steigung der Anstiegsflanke
des Impulses jeweils proportional der Eingangsspannung UE ist.
Am Ausgang des Komparators 23 entsteht die Spannung UK, die aus
einer Folge von Rechteckimpulsen besteht. Die Anstiegsflanke
der Rechteckimpulse entsprichtt dem Einschalten des Komparators
zum Zeitpunkt t1, die Abstiegsflanke dem Ausschalten des Komparators
zum Zeitpunkt t2. Die Dauer eines Rechteckimpulses entspricht
der Einschaltzeit des im Hauptstromkreis liegenden
elektronischen Schalters und ist mit tE bezeichnet. Die Ausgangsspannung
UK des Komparators 23 weist eine Verkürzung der
Einschaltzeit tE bei Erhöhung der Eingangsspannung vom Wert
UE auf den Wert UE′ auf.
Gegebenenfalls kann die Dauer der Einschaltimpulse zusätzlich
oder allein in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des
Umrichters verändert werden.
Claims (4)
1. Schaltender Umrichter mit einem in einem Hauptstromkreis des
Umrichters angeordneten elektronischen Schalter (4), wobei der
elektronische Schalter (4) mit seinem Steuereingang an einen
Steuerausgang einer Steuerschaltung angeschlossen ist, die die
Folgefrequenz und/oder der Dauer der an ihrem Steuerausgang
angegebenen Einschaltimpulse steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Einschaltimpulse in vorgegebener Abhängigkeit von wenigstens einer Störgröße veränderbar ist und
daß die Folgefrequenz durch eine wenigstens einen Regler enthaltende Regelvorrichtung einstellbar ist.
daß die Dauer der Einschaltimpulse in vorgegebener Abhängigkeit von wenigstens einer Störgröße veränderbar ist und
daß die Folgefrequenz durch eine wenigstens einen Regler enthaltende Regelvorrichtung einstellbar ist.
2. Umrichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Einschaltimpulse in vorgegebener Abhängigkeit von der Eingangsspannung (UE) veränderbar ist und
daß die Folgefrequenz durch eine wenigstens einen Regler (10, 15) enthaltende Regelvorrichtung einstellbar ist.
daß die Dauer der Einschaltimpulse in vorgegebener Abhängigkeit von der Eingangsspannung (UE) veränderbar ist und
daß die Folgefrequenz durch eine wenigstens einen Regler (10, 15) enthaltende Regelvorrichtung einstellbar ist.
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Ausbildung des Umrichters als Durchflußumrichter
die Dauer der Einschaltimpulse umgekehrt proportional der Eingangsspannung
(UE) ist.
4. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Ausbildung des Umrichters als Sperrumrichter die Dauer der Einschaltimpulse in derartiger Abhängigkeit von der Eingangsspannung steuerbar (UE) ist,
daß der Quotient aus dem Tastverhältnis (γ) und der Differenz aus dem Wert 1 und dem Tastverhältnis (γ) umgekehrt proportional der Eingangsspannung (UE) ist.
daß bei Ausbildung des Umrichters als Sperrumrichter die Dauer der Einschaltimpulse in derartiger Abhängigkeit von der Eingangsspannung steuerbar (UE) ist,
daß der Quotient aus dem Tastverhältnis (γ) und der Differenz aus dem Wert 1 und dem Tastverhältnis (γ) umgekehrt proportional der Eingangsspannung (UE) ist.
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