DE4243943C2

DE4243943C2 - Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer

Info

Publication number: DE4243943C2
Application number: DE4243943A
Authority: DE
Inventors: Koji Arakawa
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: US5502628A; DE4243943A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, der derart aus gelegt ist, daß er einen verbesserten Leistungsfaktor realisiert und dadurch die Erzeugung einer Spannungsverzerrung sowie höherer Oberwellen in einer Stromversorgungsleitung minimiert.

Ein herkömmlicher Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer verwendet als Eingangsschaltung normalerweise eine Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, einen Gleichrichter 1, der an eine kommerzielle Energieversorgungsleitung angeschlossen ist, einen Glättungskondensator C₁, der an dem Ausgangsanschluß des Gleichrichters 1 angeschlossen ist, einen Konverter- Transformator 2, sowie einen Schalttransistor Q₁ aufweist, der in Serie mit dem Ausgangsan schluß des Gleichrichters 1 und einer Primärspüle L₁ des Konverter-Transformators 2 ge schaltet ist. An eine Sekundärspule L₂ des Transformators 2 ist eine Gleichrichtungs- Glättungsschaltung angeschlossen, die eine Gleichrichterdiode D₁, eine Freilaufdiode D₂, eine Drosselspule L₃ und einen Glättungskondensator C₂ aufweist. Ein derartiger Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ist beispiels weise bekannt aus R. Blöckl, Schaltnetzteil . . ., in: Elektronik 7/1991, Seiten 122-126.

Durch einen derartigen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer wird ein Signal, das von einer Pulsbreitenmodulationsschaltung (nicht dargestellt) zugeführt wird, an die Basis des Schalt transistors Q₁ angelegt, um die "Ein"-Zeitdauer des Schalttransistors derart zu steuern, daß man ein stabilisiertes Gleichstromausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen 4A und 4B er hält. 3A und 3B bezeichnen die Eingangsanschlüsse des Gleichrichters 1, die an die kommerzielle Stromversorgungsleistung angeschlossen sind.

Fig. 2 stellt die Spannungs- und Stromwellenformen des in Fig. 1 dargestellten Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers dar, wobei v₁ die Ausgangswellenform des Gleich richters 1 und i₁ die Stromwellenform des Gleichrichters 1 darstellt, die nur aus den positiven Komponenten der Eingangsstromwellenform des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers besteht, wobei die Eingangsstromwellenform aus sich abwechselnden positiven und negativen Komponenten besteht. Die in der Fig. 2 durch gestrichelte Linien dargestellte Wellenform ist die Ausgangsspannungswellenform des Gleichrichtets 1, die bei einem Fehlen des Glättungs kondensators C₁ auftritt.

Durch den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, der die Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator aufweist, nimmt der Ausgangsstrom i₁ des Gleichrichters 1 eine derartige Wellenform an, daß ein Hauptteil davon für eine kurze Zeitspanne durch den Kon densator C₁ fließt, wodurch sein Fließwinkel (flow angle) sehr klein ist.

Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß der genannte herkömmliche Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer dahingehend nachteilig ist, daß er einen niedrigen Leistungsfaktor liefert und eine Spannungsverzerrung sowie höhere Oberschwingungen erzeugt, die in der Stromversorgungsleitung auftreten. Eine solche Spannungsverzerrung und derartige höhere Oberschwingungen haben über die kommerzielle Stromversorgungsleitung eine nachteilige Auswirkung auf andere elektronische Einrichtungen oder dergleichen. Daraus können sich soziale Probleme ergeben, da elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Roboter oder dergleichen, bei denen eine fehlerhafte Betriebsweise in jedem Fall vermieden werden muß, zahlenmäßig zunehmen.

Fig. 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines anderen herkömmlichen Wechselstrom- Gleichstrom-Umformers, wobei die Komponenten, die denen aus Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern oder Symbolen bezeichnet sind. Dieser Wechselstrom-Gleichstrom- Umformer weist einen aktiven Filter 5 auf, der an den Ausgangsanschluß des Gleichrichters 1 angeschlossen ist. Der aktive Filter 5 weist eine Diode D₃ und eine Drosselspule L₄ auf, die in Serie miteinander zwischen dem Ausgangsanschluß an der (+)-Seite des Gleichrichters 1 und der Primärspule L₁ des Konverter-Transformators 2 angeschlossen sind. Ein Transistor Q₂ ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule L₄ und der Diode D₃ und den Ausgangsanschluß an der (-)-Seite des Gleichrichters 1 geschaltet. Ein Ausgangskondensator C₃ (output capacitor) ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Diode D₃ und der Primärspule L₁ und den Ausgangsanschluß an der (-)-Seite des Gleichrichters 1 geschaltet. Außerdem ist eine Steuerschaltung 6 für den Transistor Q₂ vorgesehen. Ein derartiger Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ist beispielsweise bekannt aus Patents Abstracts of Japan, E-905, 19. 03. 1990, Vol. 14/Nr. 145; 2-7870(A).

Der aktive Filter 5 bewirkt, daß ein der Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 proportionaler Strom durch die Drosselspule L₄ fließt, indem die Spannung an dem Ausgangskondensator C₃ und die Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 aufgenommen werden, und indem der Transistor Q₂ durch die Steuerschaltung 6 gesteuert wird, die mit der aufgenommenen Spannung arbeitet.

Fig. 4 zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen des in Fig. 3 dargestellten Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers, wobei die Ausgangsspannung und der Ausgangs strom des Gleichrichters 1 mit v₂ bzw. i₂ bezeichnet. Der Ausgangsstrom i₂ ist als Mittelwert dargestellt.

Durch den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer der Fig. 3 wird der Fließwinkel des Aus gangsstroms i₂ des Gleichrichters derart vergrößert, daß der Leistungsfaktor verbessert und die Erzeugung der Spannungsverzerrung sowie höherer Oberschwingungen in der Stromver sorgungsleitung verringert wird. Der in Fig. 3 dargestellte Wechselstrom-Gleichstrom- Umformer ist jedoch dahingehend nachteilig, daß seine gesamte Schaltungsanordnung auf grund der Tatsache kompliziert wird, daß der aktive Filter 5 die sperrige Drosselspule L₄ und eine Multiplizierschaltung (die in der Steuerschaltung 6 enthalten ist) benötigt. Die Drossel spule L₄ wird umso größer, je größer die zu bewältigtende Leistung wird.

Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer zu schaffen, der so gebildet ist, daß der Leistungsfaktor verbessert und die Erzeugung einer Spannungsverzerrung und höherer Oberschwingungen in der Stromversorgungsleitung reduziert werden kann, ohne daß die Schaltungsanordnung kompliziert und sperrig wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach wird ein Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer geschaffen, bei dem eine Primärspule eines Transformators und ein Schalttransistor zwischen Ausgangsanschlüssen eines Gleichrichters in Serie miteinander geschaltet sind, dessen Eingangsanschlüsse an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen sind, und wobei durch die Steuerung der "Ein"-Zeitdauer des Schalttransistors ein stabilisiertes Gleichstromausgangssignal durch eine Gleichrichtungs- Glättungs-Schaltung gewonnen wird, die an eine Sekundärspule des Transformators angeschlossen ist. Der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ist dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungserniedrigender Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter zwischen einen ersten Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß an der (+)-Seite des Gleichrichters und der Primärspule und einen Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß an der (-)-Seite des Gleichrichters und der negativen Seite des Schalttransistors geschaltet ist; der eine Reihenschaltung eines Transistors, einer Drosselspule und eines Ausgangskondensators zwischen den beiden Verbindungspunkten enthält; der parallel zu der Reihenschaltung von Drosselspule und Ausgangskondensator eine Freilaufdiode aufweist; dessen Transistor von einer Pulsbreitenmodulatorschaltung so gesteuert wird, daß der Ausgangskondensator aus dem Gleichrichter bis zu einer vorgegebenen Referenzspannung aufgeladen wird, die kleiner als die Spitzenspannung des Gleichrichters ist; und der eine Diode aufweist, die eine Entladung des Ausgangskondensators auf die Reihenschaltung von Primärspule und Schalttransistor ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 4.

Der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer der Erfindung weist einen spannungserniedrigenden Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter auf, der an eine an seinem Eingangsabschnitt vorgesehene Gleichrichterschaltung angeschlossen ist. Er ist derart angeordnet, daß der Aus gangsstrom des Gleichrichters, d. h. der Eingangsstrom des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters, nur fließen kann, wenn die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung größer ist als die Spannung an dem Ausgangskondensator des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters. Verglichen mit dem herkömmlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer wird ein größerer Fließwinkel des Eingangsstroms des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters er zielt, ohne einen aktiven Filter zu verwenden. Darüberhinaus wird ein verbesserter Leistungs faktor erzielt und die Erzeugung einer Spannungsverzerrung und höherer Oberschwingungen in der kommerziellen Stromversorgungsleitung reduziert. Die Schaltungsanordnung der Er findung wird dadurch vervielfacht, daß sie im Vergleich zu dem Fall, in dem ein aktiver Filter eingesetzt wird, keine Multiplizierschaltung enthält. Außerdem kann die in der Eingangs schaltung, d. h. in dem spannungserniedrigenden Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter, vor gesehene Drosselspule klein dimensioniert sein. Somit können im Vergleich zu dem Fall, in dem ein aktiver Filter verwendet wird, die Größe und die Kosten vorteilhaft reduziert werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen Wechselstrom-Gleichstrom- Umformers.

Fig. 2 zeigt Spannungs- und Stromwellenformen, die in dem Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer der Fig. 1 auftreten.

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines anderen herkömmlichen Wechselstrom- Gleichstrom-Umformers.

Fig. 4 zeigt Spannungs- und Stromwellenformen, die in dem Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer der Fig. 3 auftreten.

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Fig. 6 zeigt Spannungs- und Stromwellenformen, die in dem Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer der Fig. 5 auftreten.

Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ge mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird jetzt der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei Komponenten, die denen aus den Fig. 1 und 3 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern oder Symbolen bezeichnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind Ausgangsanschlüsse eines Gleichrichters 1, eine Primär spule L₁ eines Konverter-Transformators 2 und ein Schalttransistor Q₁ in Serie miteinander verbunden. Eine Gleichrichtungs-Glättungs-Schaltung, die eine Gleichrichterdiode D₁, eine Freilaufdiode D₂, eine Drosselspule L₃ und einen Glättungskondensator C₂ aufweist, ist an eine Sekundärspule L₂ des Transformators 2 angeschlossen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Ein von einer Pulsbreitenmodulationsschaltung (nicht dargestellt) gewonnenes Signal wird an die Basis des Schalttransistors Q₁ angelegt, um die "Ein"-Zeit des Schalttransistors so zu steuern, daß ein stabilisiertes Gleichstromausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen 4A und 4B vorhanden ist. Eine solche Anordnung und ein derartiger Steuerungsvorgang sind in Fachkreisen bekannt, und daher kann auf deren weitere Erläuterung verzichtet werden.

Der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist weiterhin einen spannungserniedrigenden Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 auf, der zwischen einen ersten Verbindungspunkt 7 zwischen dem Ausgangsanschluß an der (+)-Seite des Gleichrichtes 1 und der Primärspule L₁ des Transformators 2 und einen zweiten Verbindungspunkt 8 zwischen dem Ausgangsanschluß an der (-)-Seite des Gleichrichters 1 und dem Schalttransistors Q₁ geschaltet ist, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 weist einen Transistor Q₃, eine Drosselspule L₅, einen Ausgangskondensator C₄, eine Freilaufdiode D₄, eine einen Rückswärtsstrom ver hindernde Diode D₅, eine Pulsbreitenmodulatorschaltung 10 und eine Referenzspannungs quelle 11 auf.

Der Emitter des Transistors Q₃ ist an den ersten Verbindungspunkt 7 angeschlossen, und der Kollektor des Transistors Q₃ ist an eine Filterschaltung gekoppelt, die durch die Drosselspule L₅ und den Ausgangskondensator C₄ gebildet wird. Die Freilaufdiode D₄ ist zwischen den Kollektor des Transistors Q₃ und den zweiten Verbindungspunkt 8 geschaltet, und die Diode D₅ ist zwischen den Ausgangspunkt C₄ und den ersten Verbindungspunkt 7 ge schaltet.

Der Gleichstrom-Gleichstrom-Kondensator 9 ist derart angeordnet, daß die Ausgangsspannung des Gleichsrichters 1 mit Hilfe des Transistors Q₃ mit einer hohen Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet wird, so daß die Spannung v₄ an den Ausgangskondensator C₄ gleich einem vorgegebenen Wert kV_R wird, wobei k eine Konstante und V_R die Spannung der Referenz spannungsquelle 11 ist.

Die Pulsbreitenmodulatorschaltung 10, die an die Basis des Transistors Q₃ angeschlossen ist, vergleicht die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄ mit der Spannung V_R der Referenz spannungsquelle 11 und steuert den Transistor Q₃ so, daß die Spannung v₄ gleich dem vorgegebenen Wert kV_R wird, der proportional zu der Spannung V_R ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6, die die Spannungs- und Stromwellenformen des in Fig. 5 dar gestellten Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers zeigt, werden jetzt die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des Gleichrichters 1 erläutert, die als Durchschnittswert dargestellt sind.

Während der Zeitspanne t₁, in der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 größer ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wird der Kondensator C₄ des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters aufgeladen, so daß sich die Spannung v₄ zu dem vor gegebenen Wert kV_R hin aufbaut.

Während der Zeitspanne t₂, in der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 niedriger ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wie es durch gestrichelte Linien dar gestellt ist, wird das Aufladen des Kondensators C₄ unterbrochen, und die Spannung v₃ an den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters 1 oder die Eingangsspannung des Konverter- Transformators 2 wird durch die Diode D₅ an die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄ geheftet.

Die Spannung v₄ an dem Kondensator C₄ ist während der Zeitspanne t₂ größer als die Aus gangsspannung v₃. Wenn die Differenz zwischen der Spannung v₄ und der Ausgangsspannung v₃ die Schwellenspannung V_F der einen Rückwärtsstrom verhindernden Diode D₅ übersteigt, fließt die Ladung an dem Kondensator C₄ zu der Primärspule L₁ durch die Diode D₅. Das bedeutet, daß die Gleichstromausgangsleistung des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters 9 als Energie des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers zu dem ersten Verbindungs punkt zurückgeführt wird, und die Spannung v₄ nimmt schrittweise auf einen gegebenen Spannungswert (kV_R-α) ab, wobei α ein Spannungswert ist, um den die Spannung v₄ an dem Kondensator C₄ von dem vorgegebenen Wert kV_R als ein Ergebnis der Entladung des Kondensators C₄ abfällt.

Die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 wechselt inzwischen von einer Abnahme zu einer Erhöhung, und sobald sie größer wird als der Wert (kV_R-α) der Spannung v₄ an dem Kondensator C₄, wird der während der Zeitspannung t₁ durchgeführte Vorgang wiederholt.

Auf diese Weise führt der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 eine zyklische Betriebs weise derart durch, daß der Ausgangskondensator C₄ während der Zeitspanne t₁ geladen wird, wenn die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 größer ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wohingegen der Ausgangskondensator C₄ während der Zeitspanne t₂ entladen wird, wenn die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 kleiner ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄. Dadurch wird dem Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer Energie zugeführt, der als Hauptkonverter dient.

In den oben beschriebenen Zyklen kann der Ausgangsstrom i₃ des Gleichrichters 1 nur während der Zeitspanne t₁ fließen, in der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 größer ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wodurch die Energie des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers und die Energie zur Aufladung des Kondensators C₄ geliefert wird. In Fig. 6 ist der Teil des Ausgangsstroms i₃, der durch den Kondensator C₄ fließt, mit i₃₁, und der Teil, der in dem Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer fließt, mit i₃₂ bezeichnet.

Während der Zeitspanne t₂, in der die Spannung v₃ an den Ausgangsanschlüssen des Gleich richters 1 kleiner ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wird die von dem Kondensator C₄ abgegebene Energie dazu verwendet, ein Gleichstromausgangssignal des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers zu bilden, so daß der Strom i₃ nicht fließt.

Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Komponenten, die denen aus den Fig. 1, 3 und 5 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern oder Symbolen bezeichnet sind.

Durch die in Fig. 5 dargestellte Schaltungsanordnung wird die von einem Ausgangskondensator C₄ durch Entladung abgegebene Energie über eine Diode D₅ zu einem ersten Verbin dungspunkt 7 zurückgeführt, die zwischen den Ausgangskondensator C₄ und den ersten Ver bindungspunkt 7b geschaltet ist. Im Gegensatz dazu ist die Diode D₅ bei der Schaltungsanordnung der Fig. 7 zwischen den ersten Verbindungspunkt 7 und das Ende einer Drosselspule L₅ auf der Seite eines Transistors Q₃ geschaltet, wobei die Drosselspule L₅ an dem Eingangs ende einer Filterschaltung vorgesehen ist, die durch den Ausgangskondensator C₄ und die Drossel spule L₅ gebildet wird. Somit wird die von dem Ausgangskondensator C₄ durch Entladung abgegebene Energie über die Drosselspule L₅ und die Diode D₅ zu dem ersten Verbindungs punkt 7 zurückgeführt.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 7 ist also der der Fig. 5 ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Diode D₅ an einer anderen Stelle angeschlossen ist.

In Fig. 8 ist der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß einem dritten Ausführungs beispiel der Erfindung dargestellt, wobei Komponenten, die denen der Fig. 1, 3, 5 und 7 ent sprechen, mit gleichen Bezugsziffern oder Symbolen bezeichnet sind. Der Wechselstrom- Gleichstrom-Umformer gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist den in den Fig. 5 und 7 dar gestellten ähnlich, abgesehen von der Schaltungsanordnung des spannungserniedrigenden Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters 9.

In diesem Ausführungsbeispiel weist der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 einen MOS-Feldeffekttransistor Q₄, eine Drosselspule L₅, einen Ausgangskondensator C₄, eine Freilaufdiode D₄, ein Pulsbreitenmodulatorschaltung 10 sowie eine Referenzspannungs quelle 11 auf.

Die Anode (drain) des Transistors Q₄ ist an einen ersten Verbindungspunkt 7 angeschlossen und die Kathode (source) des Transistors ist an eine Filterschaltung gekoppelt, die durch die Drosselspule L₅ und den Ausgangskondensator C₄ gebildet wird. Eine Freilaufdiode D₄ ist zwischen die Kathode des Transistors Q₄ und einen zweiten Verbindungspunkt 8 geschaltet. Eine Parasitärdiode D₆ befindet sich in dem Transistor Q₄, wobei die Vorwärtsrichtung der Diode D₆ in der Richtung von der Kathode des Transistors Q₄ zu dem ersten Verbin dungspunkt 7 verläuft.

Der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 ist derart angeordnet, daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 mit Hilfe des Transistors Q₄ mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausge schaltet wird, so daß die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄ gleich einem vorge gegebenen Wert kV_R wird, wobei k eine Konstante und V_R die Spannung der Referenzspannungs quelle 11 ist.

Die Pulsbreitenmodulatorschaltung 10 ist an die Steuerelektrode (gate) des Transistors Q₄ angeschlossen. Sie vergleicht die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄ mit der Spannung V_R der Referenzspannungsquelle 11 und steuert den Transistor Q₄ so, daß die Spannung v₄ gleich dem vorgegebenen Wert kV_R wird, der proportional zu der Spannung V_R ist.

Im Folgenden wird die Betriebsweise des in Fig. 8 dargestellten Wechselstrom- Gleichstrom-Umformers beschrieben. Die Betriebsweise dieser Schaltungsanordnung ist die gleiche wie die in der in Fig. 5 und 7 dargestellten Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer. Somit sind die an verschiedenen Punkten auftretenden Spannungs- und Stromwellenformen in Fig. 6 dargestellt.

Während der Zeitspanne, in der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 größer ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, wird der Kondensator C₄ des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters aufgeladen, so daß sich die Spannung v₄ zu dem vor gegebenen Wert kV_R hin aufbaut. Während der Zeitspanne, in der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 niedriger wird als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄, ist das Aufladen des Kondensators C₄ unterbrochen und die Spannung an dem Ausgangsende des Gleichrichters 1 oder die Eingangsspannung des Konverter-Transformators 2 ist durch die Drosselspule L₅ und die Parasitärdiode D₆ an die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensator C₄ geheftet.

Wenn die Spannung v₄ an dem Kondensator C₄ größer ist als die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1, und wenn die Differenz zwischen diesen die Schwellenspannung V_F der Pa rasitärdiode D₆ übersteigt, dann fließt die Ladung an dem Kondensator C₄ durch die Drossel spule L₅ und die Parasitärdiode D₆ zu der Primärspule L₁. Das bedeutet, daß die Gleich stromausgangsleistung des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters 9 als Energie des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers zurückgeführt wird, und daß die Spannung v₄ schrittweise auf einen vorgegebenen Spannungswert (kV_R-α) abfällt, wobei α ein Spannungs wert ist, um den die Spannung v₄ an dem Kondensator C₄ von dem vorgegebenen Wert kV_R als ein Ergebnis der Entladung des Kondensators C₄ abfällt.

In der Zwischenzeit wechselt die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 von einer Ab nahme auf eine Steigerung. Wenn sie größer wird als der Wert (kV_R-α) der Spannung v₄ an dem Kondensator C₄, wird der Ausgangskondensator C₄ wieder aufgeladen, so daß sich die Spannung v₄ zu dem vorgegebenen Wert kV_R hin aufbaut.

Auf diese Weise führt der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter 9 derartige Zyklen aus, daß der Ausgangskondensator C₄ während der Zeitspanne aufgeladen wird, während der die Aus gangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 größer ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskon densator C₄, wohingegen während der Zeitspanne, während der die Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 niedriger ist als die Spannung v₄ an dem Ausgangskondensators C₄, der Aus gangskondensator C₄ entladen wird, so daß dem Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, der als der Hauptkonverter dient, Energie zugeführt wird.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 8 ist gegenüber den in den Fig. 5 und 7 dargestellten inso fern vorteilhaft, als daß ein Diodenelement weniger notwendig ist.

Unter der Annahme, daß die Spezifikationen für den Eingang und den Ausgang gleich sind, und durch Vergleich des in den Fig. 5, 7 und 8 dargestellten Wechselstrom-Gleichstrom- Umformers mit dem herkömmlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, der eine Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator verwendet und der in Fig. 1 dar gestellt ist, ergibt sich, daß der integrierte Wert des Stromes i₁, der während der kurzen Zeit intervalle in Fig. 2 fließt, und der integrierte Wert des Stromes i₃, der während der Zeitspanne t₁ in Fig. 6 fließt, die gleichen Werte haben. Somit nimmt der Strom i₃, der während der Zeit spanne t₁ in dem Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer der Erfinung fließt, eine abge schnittene breite Wellenform ein. Der Ausgangsstrom i₃ besteht nur aus den positiven Komponenten der Eingangsstromwellenform.

Das bedeutet, daß der Ausgangsstrom des Gleichrichters einen größeren Fließwinkel als in dem Fall des herkömmlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers hat, der eine Gleich richterschaltung mit Glättungskondensator verwendet. Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer zu schaffen, der einen wesentlich vergrößerten Leistungsfaktor hat und die Erzeugung einer Spannungsverzerrung sowie höherer Oberschwingungen in der Stromversorgungsleitung verringern kann.

Unter der Annahme, daß der Maximalwert der Ausgangsspannung v₃ des Gleichrichters 1 gleich V_p und daß eine Beziehung wie kV_R = V_p/2^1/2 zwischen dem Maximalwert V_p und dem vorgegebenen Wert kV_R für die Spannung v₄ an dem Kondensator C₄ zutrifft, gilt die Beziehung t₁ = t₂.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, der einen aktiven Filter verwendet, wird normalerweise eine Spannung von etwa 360 V für den Kondensator C₃ verwendet, da der aktive Filter eine spannungserhöhende (step-up type) Schaltung ist. Somit ergibt sich, daß die von der Drosselspule L₄ bewältigte Energie größer ist als ein Wert, der durch den folgenden Ausdruck (1) gegeben ist:

{(360-100·2^1/2)/360} X P₀ (1).

Bei der Schaltung der Erfindung ergibt sich andererseits, daß die von der Drosselspule L₅ bewältigte Energie niedriger ist als ein Wert, der durch den folgenden Wert (2) gegeben ist:

{(100·2^1/2 - kV_R)/(100 · 2^1/2)} (1)

wobei P₀ die von dem Eingangsende zu dem Ausgangsende des Wechselstrom- Gleichstrom-Umformers übertragene Leistung ist. In diesem Fall beträgt die eingespeiste kommerzielle Spannungsversorgung 100 V Wechselstrom; kV_R = 100 V Gleichstrom; der Wert des Ausdrucks (1) ist 0,6 P₀; und der Wert des Ausdrucks (2) ist 0,3 P₀. Somit ergibt sich, daß gemäß der Erfindung die Baugröße durch die Tatsache erheblich verringert werden kann, daß die von der Drosselspule zu bewältigende Energie im Vergleich zu dem Fall, in dem ein aktiver Filter verwendet wird, klein ist.

Während in den dargestellten Ausführungsbeispielen für den spannungserniedrigenden Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter ein Zerhacker (chopper tpye one) verwendet wurde, ist es selbstverständlich, daß anstelle des Zerhackers auch ein anderer Schalttyp ver wendet werden kann.

Der vorgegebene Wert für die Spannung an dem Ausgangskondensator des Gleichstrom- Gleichstrom-Konverters muß nicht auf 100 V begrenzt sein, sondern er kann einen optimalen Wert gemäß der Spezifikation des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers annehmen.

Eine besondere Begrenzung der Frequenzbeziehung zwischen dem Impuls zur Steuerung des Transistors des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters und dem Impuls zur Steuerung des Schalttransistors des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers, der als Hauptkonverter dient, ist nicht erforderlich.

Während in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Fall beschrieben wurde, in dem der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ein Durchflußwandler ist, ist es klar, daß ein ähnlicher Effekt in dem Fall erzeugt werden kann, in dem der Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ein Sperrwandler ist.

Der Schalttransistor des Wechselstrom-Gleichstrom-Umformers kann ein MOS- Feldeffekttransistor anstelle eines bipolaren Transistors sein, wie er in den dargestellten Aus führungsbeispielen verwendet wird.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 7 kann der spannungserniedrigende Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter eine isolierte Ausführung (insulated type one) haben und einen Transformator verwenden. Der damit verwendete Transistor kann ein MOS- Feldeffekttransistor sein.

Claims

1. Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, bei dem eine Primärspule (L₁) eines Trans formators (2) und ein Schalttransistor (Q₁) zwischen Ausgangsanschlüssen eines Gleich richtewrs (1) in Serie miteinander geschaltet sind, dessen Eingangsanschlüsse an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen sind, und wobei durch die Steuerung der "Ein"- Zeitdauer des Schalttransistors (Q₁) ein stabilisiertes Gleichstromausgangssignal durch eine Gleichrichtungs-Glättungs-Schaltung (D₁, D₂, L₃, C₂) gewonnen wird, die an eine Sekundärspule (L₂) des Transformators (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungserniedrigender Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter (9) zwischen einen ersten Verbindungspunkt (7) zwischen dem Ausgangsanschluß (+)-Seite des Gleichrichters (1) und der Primärspule (L₁) und einen zweiten Verbindungspunkt (8) zwischen dem Ausgangsanschluß an der (-)-Seite des Gleichrichters (1) und der negativen Seite des Schalttransistors (Q₁) geschaltet ist,

- der eine Reihenschaltung eines Transistors (Q₃; Q₄), einer Drosselspule (L₅) und eines Ausgangskondensators (C₄) zwischen den beiden Verbindungspunkten (7, 8) enthält,
- der parallel zu der Reihenschaltung von Drosselspule (L₅) und Ausgangskondensator (C₄) eine Freilaufdiode (D₄) aufweist,
- dessen Transistor (Q₃; Q₄) von einer Pulsbreitenmodulatorschaltung (10) so gesteuert wird, daß der Ausgangskondensator (C₄) aus dem Gleichrichter (1) bis zu einer vorgegebenen Referenzspannung (kV_R) aufgeladen wird, die kleiner als die Spitzenspannung des Gleichrichters (1) ist,
- und der eine Diode (D₅; D₆) aufweist, die eine Entladung des Ausgangskondensators (C₄) auf die Reihenschaltung von Prinmärspule (L₁) und Schalttransistor (Q₁) ermöglicht.

2. Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D₅) antiparallel zu der Reihenschaltung von Transistor (Q₃) und Drosselspule (L₅) geschaltet ist (Fig. 5).

3. Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D₅) antiparallel zu dem Transistor (Q₃) geschaltet ist (Fig. 7).

4. Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q₄) ein Feldeffekttransistor ist, dessen parasitäre Diode (D₆) die Funktion der die Entladung des Ausgangskondensators (C₄) ermöglichende Diode über nimmt (Fig. 8).