DE4408009A1

DE4408009A1 - Gleichspannungs-Netzgerät für einen weiten Eingangsspannungsbereich

Info

Publication number: DE4408009A1
Application number: DE19944408009
Authority: DE
Inventors: Andreas Stiedl
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-06-01

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Netzgeräte, insbesondere auf dasjenige der Schaltnetzgeräte.

Sie geht aus von einem Gleichspannungs-Netzgerät nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Der Aufbau eines solchen Netzgerätes ist allgemein be kannt und wird beispielsweise im Lehrbuch "Halbleiter- Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 4. Auf lage, Springer-Verlag, auf den Seiten 395 ff. beschrie ben. Weitere Beispiele sind dem "Power Applications Ma nual" von Motorola, First Edition, 1990, Seiten 415 ff. oder dein Unitrode "Linear Integrated Circuits Data and Applications Handbook", April 1990, Seiten 9-13 ff. zu entnehmen.

Diesen Netzgeräten ist gemeinsam, daß die Netzspannung zunächst einmal angepaßt, d. h. eventuell gleichgerichtet und gefiltert wird. Diese angepaßte Spannung wird einem Energiespeicher, normalerweise einem relativ großen Stützkondensator, insbesondere einem Elektrolytkondensa tor zugeführt (siehe Fig. 1). Eine nachgeschaltete Wand lungsstufe bezieht aus diesem Energiespeicher die notwen dige Energie zur galvanischen Trennung und spannungsniveaumäßigen Wandlung der Netzspannung in eine Ausgangs spannung. Dies geschieht üblicherweise mittels eines DC- DC-Wandler Blocks. Dessen Funktionsweise wird hier als bekannt vorausgesetzt und nicht mehr weiter erläutert. Der Wandlungsstufe ist zudem noch eine Ausgangsstufe nachgeschaltet, welche die Ausgangsspannung glättet.

Bei Anwendungen z. B. für schutzenergietechnische Einrich tungen weist die Netzspannung oder Versorgungsspannung einen weiten Eingangsbereich auf. Dadurch ist die Ener gie, welche im Energiespeicher gespeichert wird nach W=(C/2)U² vom Quadrat der Versorgungsspannung abhängig. Bei kleinen Versorgungsspannungen steht also viel weniger Energie zur Verfügung als bei großen. Um einen kurzzei tigen Netzausfall z. B. von 50 ms zu überbrücken, muß ent weder der Energiespeicher sowie die ganze Anordnung weit überdimensioniert werden, damit auch im Falle von kleinen Versorgungsspannungen genügende Energie zur Verfügung steht, oder es müssen für verschiedene Versorgungsspan nungen verschiedene Netzgeräte zur Verfügung gestellt werden. Beide Maßnahmen bringen jedoch ökonomische Nach teile mit sich.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Netzgerät anzugeben, welches für einen großen Netz- oder Versorgungsspannungsbereich eingesetzt werden kann und dessen gespeicherte und für die Erzeugung der Ausgangs spannung benötigte Energie für den gesamten Versorgungs spannungsbereich im wesentlichen konstant ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Netzgerät der eingangs ge nannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs ge löst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Energiespeiche rung erst nach der galvanischen Trennung und spannungsni veaumäßigen Wandlung der Versorgungsspannung erfolgt. Die Wandlungsstufe erzeugt somit eine im wesentlichen konstante Zwischenspannung auf, und die im Energiespei cher gespeicherte Energie ist damit auch ungefähr kon stant. Aus dieser Energie kann nun mittels einer Ausgangsstufe eine beliebige Ausgangsspannung erzeugt werden, wobei bei Ausfällen der Versorgungsspannung zur Überbrückung eine im wesentlichen versorgungsspannungsunabhängige Energie zur Verfügung steht.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent sprechenden Unteransprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß im Energiespeicher eine im wesentlichen von der Ver sorgungsspannung unabhängige Energie gespeichert wird. Aus diesem Grund ist es möglich eine versorgungsspan nungsunabhängige Netzausfall-Zeit zu überbrücken und das erfindungsgemäße Netzgerät kann ohne Anpassungen für einen weiten Versorgungsspannungsbereich eingesetzt wer den.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschema eines Netzgerätes nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 Ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Netz gerätes; sowie

Fig. 3 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzgerätes.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Blockschema des allgemein bekannten, prinzipiellen Aufbaus eines Netzgerätes und wurde bereits eingangs erläutert.

Im Gegensatz zum Aufbau nach dem Stand der Technik ist der Energiespeicher 2 beim erfindungsgemäßen Aufbau, der schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, erst nach der Wandlungsstufe 3 angeordnet. Die Eingangsspannung Uin wird nach eventueller Filterung und/oder Gleichrichtung in der Eingangsstufe 1 mittels der Wandlungsstufe 3 in eine im wesentlichen konstante und von der Eingangsspan nung Uin unabhängige Zwischenspannung Uz umgewandelt. Aus dieser Zwischenspannung Uz wird anschließend in minde stens einer Ausgangsstufe 4 die Ausgangsspannung Uout er zeugt.

Da die Zwischenspannung Uz unabhängig von der Eingangs spannung Uin ist, wird im Energiespeicher 2 eine vom Ein gangsspannungsbereich unabhängige Energie gespeichert. Handelt es sich beim Energiespeicher 2 um einen Kondensa tor, so beträgt die gespeicherte Energie C/2_*Uz².

Beim Stand der Technik weist diese Energie einen Minimal wert C/2_*Uin_min² bzw. einen Maximalwert C/2_*Uin_max² bei einem Eingangsspannungsbereich von [Uin_min, Uin_max] auf.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung steht dagegen für die Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen immer dieselbe Energie zur Verfügung.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufbaus dargestellt. Die Eingangsstufe 1 umfaßt ein Filter 5 und einen Gleichrichter 6. Bei der Wand lungsstufe 3 handelt es sich um einen DC-DC-Wandler mit galvanischer Trennung (angedeutet durch den Doppel strich). Insbesondere kann ein primär oder sekundär ge takteter Schaltregler verwendet werden. Dieser DC-DC- Wandler formt die Eingangsspannung Uin in die Zwischen spannung Uz um. Als Energiespeicher 2 dient in diesem Ausführungsbeispiel ein Elektrolytkondensator. Außerdem sind mehrere, dargestellt sind 3, Ausgangsstufen 4 vorge sehen, welche aus der Zwischenspannung Uz Ausgangsspan nungen Uout_{1 . . 3} formen, wobei sie die dazu notwendige En ergie dem Energiespeicher 2 entnehmen. Auf eine galvani sche Trennung kann hier verzichtet werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen insbe sondere darin, daß es möglich ist, mit nur einer Vari ante eines Netzgerätes den vollen Eingangsspannungsbe reich von beispielhaften 36 bis 359 VDC abzudecken sowie eine eingangsspannungsunabhängige Netzüberbrückungszeit zu erhalten. Die zur Verfügung stehende Energie kann bei spielsweise dazu verwendet werden, eine sog. Power-Down Routine einzuleiten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ohne große Speicherkondensatoren am Eingang das Problem hoher Ein schaltströme und das damit verbundene unerwünschte Auslö sen von vorgeschalteten Sicherungen wegfällt.

Bezugszeichenliste

1 Eingangsstufe
2 Energiespeicher
3 Wandlungsstufe
4 Ausgangsstufe
5 Filter
6 Gleichrichter
Uin Eingangsspannung
Uout1 . . 3 Ausgangsspannungen
Uz Zwischenspannung.

Claims

1. Gleichspannungs-Netzgerät umfassend

a) eine Eingangsstufe (1) zur Anpassung einer Ver sorgungsspannung (Uin);
b) einen Energiespeicher (2) zur Bereitstellung von elektrischer Energie zur Umwandlung in eine beliebige Ausgangsspannung (Uout);
c) eine Wandlungsstufe (3) mit einer Vorrichtung zur galvanischen Trennung der Versorgungsspan nung (Uin) und einem Wandler zur spannungsniveaumäßigen Wandlung der Versorgungsspannung (Uin) sowie;
d) eine Ausgangsstufe (4) zur Glättung der Aus gangsspannung (Uout);

dadurch gekennzeichnet, daß

e) der Energiespeicher (2) nach der Wandlungsstufe (3) angeordnet ist und eine im wesentlichen konstante Zwischenspannung (Uz) zur Verfügung stellt, und
f) die Ausgangsstufe (4) einen weiteren Wandler umfaßt, welcher aus der Zwischenspannung (Uz) die gewünschte Ausgangsspannung (Uout) erzeugt.

2. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlungsstufe (3) einen DC-DC-Wandler, insbesondere einen primär- oder sekundärgetakteten Schaltregler umfaßt.

3. Netzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (4) einen weiteren DC-DC- Wandler umfaßt.

4. Netzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausgangsstufen (4) zur Erzeugung mehre rer, unabhängiger Ausgangsspannungen (Uout1 . . 3) vor gesehen sind.

5. Verfahren zur Wandlung einer Versorgungsspannung (Uin) in eine beliebige DC-Ausgangsspannung (Uout), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Anpassung der Versorgungsspannung (Uin), insbe sondere Gleichrichtung und Filterung;
b) galvanische Trennung und spannungsniveaumäßige Wandlung der Versorgungsspannung (Uin);
c) Energiespeicherung und Erzeugung einer im we sentlichen konstanten Zwischenspannung (Uz);
d) Erzeugung der DC-Ausgangsspannung (Uout) aus der Zwischenspannung (Uz).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausgangsspannungen (Uout1 . . 3) erzeugt werden.