DE60028457T2

DE60028457T2 - Wechselspannungsregler

Info

Publication number: DE60028457T2
Application number: DE60028457T
Authority: DE
Inventors: Yasunobu c/o I-Hits Laboratory Suzuki; Isao c/o Chiyoda Corporation Sugawara
Original assignee: HITS LAB I; I-HITS LABORATORY
Current assignee: HITS LAB I; I-HITS LABORATORY
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: EP1059724B1; DE60028457D1; JP3805927B2; US6236192B1; EP1059724A2; JP2000354376A; CN1140957C; CN1277486A; EP1059724A3

Description

Diese Erfindung betrifft einen AC-Spannungsregler und insbesondere einen neuen AC-Spannungsregler, der klein und leichtgewichtig ist und einen hervorragenden Wirkungsgrad und Leistungsfaktor besitzt.
Ein herkömmlicher AC-(= Wechselstrom)Spannungsregler (auch Schiebespannungsregler genannt, engl. sliding voltage regulator), allgemein als "slidac" bekannt, hat beispielsweise einen Schaltungsaufbau, der in 1 oder 2(a) und 2(b) gezeigt ist.
Der AC-Spannungsregler, der in 1 gezeigt ist, ist ein typisches Beispiel einer mechanischen Ausführung. Bei dieser mechanischen Ausführung ist es üblich, dass die Spannungsregelung manuell vorgenommen wird, jedoch waren auch jene im Handel verfügbar, die eine Ausgangsspannung mit einer Steuerung A erkennen und eine konstante Spannung mittels einem Umkehrmotor (nicht gezeigt) automatisch beibehalten.
Jedoch besitzt beispielsweise der herkömmliche AC-Spannungsregler mechanischer Ausführung mit einer manuellen Spannungsregelung von 1 kVA ein Gewicht von ungefähr 8 kg und der herkömmliche AC-Spannungsregler mechanischer Ausführung mit einer motorgesteuerten, automatischen Spannungsregelung von 1 kVA besitzt ein Gewicht von ungefähr 12 kg, womit der herkömmliche Regler sehr schwer ist, und auch seine Ansprechgeschwindigkeit in Bezug auf eine Schwankung der Eingangsspannung ist aufgrund seiner mechanischen Steuerung sehr langsam.
Um die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen, wurde ein AC-Spannungsregler entwickelt, der eine Pulsbreitensteuerung durchführt, das heißt, eine ON/OFF-Steuerung einer AC-Spannungswellenform, indem ein Hochgeschwindigkeitshalbleiterschalter verwendet wird.
2(a) ist ein Schaltplan, der ein Beispiel eines AC-Spannungsreglers dieser Ausführung mit elektronischer Steuerung zeigt. In dem AC Spannungsregler der Ausführung mit elektronischer Steuerung, welche in 2(a) gezeigt ist, steuert eine Steuerung B einen Halbleiterschalter C und einen zweiten Halbleiterschalter D, um abwechselnd ON und OFF zu sein, und mit diesem ON/OFF-Wechsel wird eine Pulsbreitensteuerung einer AC-Eingangsspannung E₀ durchgeführt, wodurch eine Ausgangsspannung E₀D von ungefähr einer Nullspannung bis in die Nähe der Eingangsspannung E₀ kontinuierlich gesteuert wird, indem eine relative Einschaltdauer D von im Wesentlichen Null bis 1 verändert wird. In diesem Fall wurde beispielsweise ein AC-Spannungsregler mit 1 kVA Ausgangsleistung mit einem Gewicht von ungefähr 4 kg realisiert, womit die Ausführung mit elektronischer Steuerung viel leichter ist als die Ausführung mit mechanischer Steuerung und auch eine verbesserte Ansprechgeschwindigkeit in Bezug auf eine Schwankung der Eingangsspannung besitzt.
Jedoch hat solch ein herkömmlicher AC-Spannungsregler der Ausführung mit elektronischer Steuerung Probleme in Bezug auf ein Erhöhen seiner Eingangsspannung.
Um beispielsweise die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung anzuheben ist es notwendig, einen niederfrequenten Aufwärtstransformator D hinzuzufügen, wie in 2(b) gezeigt, und als Ergebnis wachsen das Volumen und das Gewicht des AC-Spannungsreglers beträchtlich an und seine Vorteile, dass er eine Ausführung mit elektronischer Steuerung ist, werden auf den einzig Vorzug reduziert, dass seine Ansprechgeschwindigkeit in Bezug auf eine Schwankung der Eingangsspannung schnell ist.
EP 0903841 beschreibt ein herkömmliches Spannungsregelungsgerät. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf diesem Dokument.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen und einen AC-Spannungsregler bereitzustellen, der nicht nur eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit in Bezug auf eine Schwankung der Eingangsspannung besitzt, sondern auch eine kleine Größe und ein geringes Gewicht besitzt, mit der Fähigkeit, seine Eingangsspannung zu erhöhen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein AC-Spannungsregler bereitgestellt, umfassend: einen ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis zum Ringmodulieren einer AC-Eingangsspannung, um eine ringmodulierte Spannung zu erhalten; und einen Hochfrequenztransformator zum Transformieren der ringmodulierten Spannung bei einer hohen Frequenz; und dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: einen zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis zum Demodulieren der transformierten, ringmodu-lierten Spannung vom Hochfrequenztransformator, um eine demodulierte AC-Spannung zu erhalten, und zum Hinzufügen der demodulierten AC-Spannung zu der AC-Eingangsspannung, um eine erhöhte AC-Spannung zu erhalten; einen dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis zum Pulsbreitenmodulieren der erhöhten AC-Spannung; und eine Steuerschaltung zum Steuern des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises, um nur ON zu werden, solange all die Schalter des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises OFF sind, und zum kontinuierlichen Regeln der erhöhten AC-Spannung durch kontinuierliche Regelung einer relativen Einschaltdauer D des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises während der Pulsbreitenmodulation.
Die vorhergehende und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wer den, welche nur beispielhaft und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 ein Schaltplan eines herkömmlichen AC-Spannungsreglers einer Ausführung mit mechanischer Steuerung ist;
2(a) und 2(b) Schaltpläne herkömmlicher AC-Spannungsregler einer Ausführung mit elektronischer Steuerung sind;
3 ein Schaltplan eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers ist;
4(a) bis 4(e) jeweils ein Beispiel einer Spannungswellenform in dem AC-Spannungsregler der 3 zeigen;
5(a) bis 5(e) jeweils ein Beispiel einer Schalteransteuerungswellenform jedes der bidirektionalen Schalter zeigen;
6(a) bis 6(c) jeweils ein Beispiel einer Wellenform einer erhöhten AC-Spannung und von erhöhten, pulsbreitenmodulierten AC-Spannungen zeigen;
7 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Schaltungsaufbaus einer Steuerschaltung ist;
8 ein Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers ist;
9 ein Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers ist;
10 ein Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers ist;
11 ein Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers ist;
12 ein Schaltplan eines Beispiels einer Steuerschaltung in einem AC-Spannungsregler gemäß der Erfindung ist.
(Ausführungsbeispiel 1)
3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines AC-Spannungsreglers gemäß der Erfindung. In 3 sind 1a und 1b AC-Eingangsanschlüsse, die an einer AC-Energieversorgung (nicht gezeigt) oder Ähnlichem angeschlossen sind; 2 ist ein Eingangsfilter; 3 ist ein erster bidirektionaler Halbleiterschalterstromkreis, bestehend aus bidirektionalen Halbleiterschaltern SW1 und SW2, die in einer Halbbrücke verbunden sind; 4 ist ein Hochfrequenztransformator; 5 ist ein zweiter bidirektionaler Halbleiterschalterstromkreis, bestehend aus bidirektionalen Halbleiterschaltern SW3 und SW4, die in einer Zweiphasen-Halbwellenbrücke verbunden sind; 6 ist ein dritter bidirektionaler Halbleiterschalterstromkreis mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter SW5; 7 ist ein Hochfrequenzfilter, bestehend aus einer Spule L und einem Kondensator C5; 8 ist eine Steuerschaltung; und 9a und 9b sind AC-Ausgangsanschlüsse.
In dem ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 3 sind in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Kondensatoren C1 und C2, welche in Reihe miteinander verbunden sind, zwischen Eingangsanschlüssen 31a und 31b parallel geschaltet; ein gemeinsamer Anschluss 33 dieser Kondensatoren C1 und C2 ist an ein Ende einer Primärspule des Hochfrequenztransformators 4 angeschlossen; und ein Ausgangsanschluss 32 der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1 und Sw2 ist an das andere Ende der Primärspule des Hochfrequenztransformators 4 angeschlossen. Dieser erste bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 3 bildet einen Hochfrequenzwandler einer Halbbrückenausführung.
Auf einer Sekundärspulenseite des Hochfrequenztransformators 4 ist eine Sekundärspule mit einem Mittenflachstecker 41 versehen, und dieser Mittenflachstecker 41 ist an den AC-Eingangsanschluss 1a (oder einen Ausgangsanschluss des Eingangsfilters 2 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel) angeschlossen. Auch die Eingangsanschlüsse der bidirektionalen Halbleiterschalter SW3 und SW4 des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 sind jeweils an Ausgangsanschlüsse a und b der Sekundärspule des Hochfrequenztransformators 4 angeschlossen.
Ferner ist der bidirektionale Halbleiterschalter SW5 zwischen einem Ausgangsanschluss d des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 und einem Anschluss c parallel geschaltet, welcher ein gemeinsamer Anschluss (nachstehend der gemeinsame Eingangs-Ausgangsanschluss) des AC-Eingangsanschlusses 1b (oder einem Ausgangsanschluss des Eingangsfilters 2 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel) und des AC-Ausgangsanschlusses 9b ist, um dadurch den dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 6 zu bilden. Der Hochfrequenzfilter 7 ist mit diesem dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 6 parallel geschaltet und seine Ausgänge sind mit den AC-Ausgangsanschlüssen 9a, 9b gekoppelt.
Hier ist jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1, SW2, SW3, SW4 und SW5, wie beispielsweise vergrößert in 3 gezeigt, ein AC-Schalter, bestehend aus zwei unidirektionalen MOS-FETs Q1, Q2, die Rücken-an-Rücken miteinander verbunden sind und deren Gate/Source parallel gesteuert werden. Obwohl in diesem bevorzugten Ausführungs beispiel MOS-FETs verwendet werden, können sie natürlich alternativ IGBTs oder andere Halbleiterschalter sein. Der bidirektionale Halbleiterschalter SW5 des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 6 ist ein AC-Schalter, der als ein AC-Schwungrad arbeitet.
Die Steuerschaltung 8 ist an die AC-Eingangsanschlüsse 1a und 1b und an die AC-Ausgangsanschlüsse 9a und 9b angeschlossen und steuert die Ansteuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1, SW2, SW3, SW4 und SW5.
In dem AC-Spannungsregler der 3, der diesen Schaltungsaufbau besitzt, wird eine Spannungsregelung folgendermaßen vorgenommen. Jede der 4(a), 4(b), 4(c), 4(d) und 4(e) zeigt eine AC-Spannungswellenform.
Zuerst wird die AC-Eingangsspannung E₀, die eine Wellenform wie in 4(a) gezeigt besitzt, nachdem sie den Eingangsfilter 2 durchlaufen hat, durch den ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 3 ringmoduliert. Die ringmodulierte Spannung E₀' besitzt eine ringmodulierte Wellenform, wie in 4(b) gezeigt, und besitzt einen Frequenzbereich von beispielsweise 20 kHz bis 100 kHz.
Dann wird diese ringmodulierte Spannung E₀' an der Primärspule des Hochfrequenztransformators 4 angelegt und transformiert. Die ringmodulierte Ausgangsspannung E₁, die von der Sekundärspule des Hochfrequenztransformators 4 ausgegeben wird, wird zu der AC-Eingangsspannung E₀ hinzugefügt, und eine erhöhte Spannung (E₀ + E₁) wird zwischen dem Ausgangsanschluss a oder b der Sekundärspule des Hochfrequenztransformators 4 und dem gemeinsamen Ausgangs-Eingangsanschluss c aufgebaut. Ein Beispiel der Wellenform dieser erhöhten Spannung (E₀ + E₁) ist in 4(c) gezeigt. Wenn hier beispielsweise das Verhältnis der Primär- und Sekundärwicklungen des Hochfrequenztransformators 4 so festgelegt ist, dass n1 = n3, n2 = n3 (wobei die Sekundärspule durch den Mittenflachstecker in n2 und n3 geteilt ist), dann gilt E₁/E₀' = n2/n1 = n3/n1.
Währenddessen wird die ringmodulierte Ausgangsspannung E₁ durch den zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 5 demoduliert, der die so aufgebaute, erhöhte Spannung (E₀ + E₁) als seine Energieversorgung hat, und diese demodulierte Spannung und die AC-Eingangsspannung E₀ werden addiert. Das heißt, nur wenn die bidirektionalen Halbleiterschalter SW3 und SW4, die in einer Zweiphasen-Halbwellen-Brücke in dem zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 5 verbunden sind, in sich überlagernder Phase sind, mit anderen Worten, wenn die Spannung hoch ist, werden die Schalter SW3 und SW4 mit ON angesteuert, wodurch eine erhöhte AC-Spannung erhalten wird. Somit kann gesagt werden, dass der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 5 die Rolle eines Demodulators und ON-Schalters zum Erhalten einer erhöhten AC-Spannung erfüllt.
In 3 ist der Anschluss d auf der Ausgangsseite des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 ein Aufwärts-(oder Erhöhungs-)Anschluss, an dem die erhöhte AC-Spannung ansteigt. Dieser Aufwärtsanschluss d ist mit einem Anschluss des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 6 und mit einem Eingangsanschluss des Hochfrequenzfilters 7 gekoppelt.
Die bidirektionalen Halbleiterschalter SW1 und SW2 des ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 3, die bidirektionalen Halbleiterschalter SW3 und SW4 des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 und der bidirektionale Halbleiterschalter SW5 des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 6 werden durch die Steuerschaltung 8 in Abstimmung mit ihren entsprechenden ON/OFF Zuständen, welche als S1, S2, S3, S4 und S5 in den 5(a), 5(b), 5(c), 5(d) und 5(e) gezeigt sind, mit ON/OFF angesteuert, wodurch eine erhöhte AC-Spannung (E₀ + E₁)D, die mit einer relativen Einschaltdauer D (mit D = 0 bis 1) pulsbreitenmoduliert ist, erzeugt wird und des Weiteren durch den Hochfrequenzfilter 7 geglättet wird, um die gleiche Wellenform wie die AC Eingangsfrequenz zu erhalten. Dadurch wird eine niederfrequente AC-Ausgangsspannung (E₀ + E₁)D' erhalten und wird an die AC-Ausgangsanschlüsse 9a, 9b ausgegeben.
Hier ist die in 4(d) gezeigte Wellenform die erhöhte AC-Spannung (E₀ + E₁)D, wenn die relative Einschaltdauer D ungefähr 1 ist und die Ausgabe nahe ihrem Maximalwert ist. Wenn diese Spannung durch den Hochfrequenzfilter 7 geglättet wird, wird sie die AC-Ausgangsspannung (E₀ + E₁)D' mit einer Wellenform, die in 4(e) gezeigt ist. Folglich kann gesehen werden, dass eine AC-Spannung erhalten wird, die über die AC-Eingangsspannung E₀ angehoben ist.
In dem Regler der 3 wird die Pulsbreitenmodulation wie folgt vorgenommen.
Zuerst ist die in 6(a) gezeigte Wellenform ein Beispiel der Wellenform der erhöhten Spannung (E₀ + E₁) zwischen dem Ausgangsanschluss a oder b der Sekundärspulenseite des Hochfrequenztransformators 4 und dem gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluss c. Gesetzt den Fall, dass die bidirektionalen Halbleiterschalter SW3 und SW4 des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 abwechselnd mit der relativen Einschaltdauer D, wie durch S3 in 5(c) und S4 in 5(d) gezeigt, mit ON/OFF angesteuert werden und der bidirektionale Halbleiterschalter SW5 des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 6 immer in einem Intervall von (1-D) angesteuert wird, wie durch S5 in 5(e) gezeigt, oder mit anderen Worten, nur ON geschaltet wird, wenn der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 5 OFF ist. Dann nimmt die Wellenform der Eingangsseite des Hochfrequenzfilters 7, das heißt die erhöhte AC-Spannung (E₀ + E₁)D, die Ausgangswellenform an, die in 6(b) oder 6(c) in Übereinstimmung mit der relativen Einschaltdauer D gezeigt ist. Die Wellenform der 6(b) ist ein Beispiel, worin die relative Einschaltdauer D ungefähr 0,8 ist, und es kann gesehen werden, dass eine AC-Spannung von 80% des Maximalwerts erhalten wird. Die Wellenform der 6(c) ist ein Beispiel, worin die relative Einschaltdauer D ungefähr 0,2 ist, und es kann gesehen werden, dass eine AC-Spannung von 20% des Maximalwerts erhalten wird.
Dementsprechend kann, wenn die relative Einschaltdauer D des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 kontinuierlich von im Wesentlichen 0 auf 1 angepasst wird, die AC-Ausgangsspannung gleichmäßig und kontinuierlich auf einen Maximalwert E₀ + E₁ gesteuert werden, der höher ist als die AC-Eingangsspannung.
7 zeigt ein Beispiel des Schaltungsaufbaus der Steuerschaltung 8. In 7 ist 10 eine Erkennungsschaltung für eine AC-Ausgangsspannung; 11 ist ein IC (z.B. TL494CN) zur Pulsbreitensteuerung; 12 und 14 sind Flipflops; 13 ist eine Signalverzögerungsschaltung; 15 ist ein IC (z.B. 74LS123N) zur Verzögerungszeitsteuerung, um sicherzustellen, dass die ON Zeiten der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1 und SW2 nicht im Geringsten überlappen; 16 ist eine Ansteuerungsschaltung zum isolierten Ansteuern jedes der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1, SW2, SW3, SW4 und SW5; und 17 ist eine AC-Energieversorgung. In dem in 7 gezeigten Beispiel führt die Ansteuerungsschaltung 16 eine Isolation mittels eines Fotokopplers durch, jedoch kann natürlich irgendein Verfahren, welches die bidirektionalen Halbleiterschalter isoliert ansteuern kann, verwendet werden.
In dieser Steuerschaltung 8 wird zuerst die AC-Ausgangsspannung V_out, d.h. (E₀ + E₁)D', in die Erkennungsschaltung 10 für die AC-Ausgangsspannung eingegeben und in eine DC-Spannung umgewandelt, und wird ferner zu einem Potential eines variablen Widerstands VR hinzugefügt. Dann wird durch den IC 11 zur Pulsbreitensteuerung die somit erhaltene Spannung mit einer Referenzspannung V_REF verglichen, eine Pulsbreitensteuerung wird vorgenommen und ein variables Festlegen von Spannungen, die an die bidirektionalen Halbleiterschalter ausgegeben werden, wird realisiert. Die bidirektionalen Halbleiterschalter SW1 und SW2 können immer abwechselnd mit einer Zeit ON geschaltet werden, die durch Abziehen einer Totzeit von einer relativen Einschaltdauer von 50% erhalten wird, wobei die Verzögerungszeitsteuerschaltung 15 verwendet wird.
Durch diese Steuerschaltung 8 werden die bidirektionalen Halbleiterschalter SW1–SW5 mit den Ansteuerungswellenformen S1–S5 gesteuert, die in den 5(a) bis 5(b) gezeigt sind. In der Praxis ist es vorzuziehen, dass der Regler oder die Steuerschaltung 8 einen Sicherheitsstromkreis besitzt, wie zum Beispiel eine Überstromsicherungsschaltung.
Auch im AC-Spannungsregler der 3 werden ein Widerstand r1 und ein Kondensator C3 in den ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 3 eingesetzt, und ein Widerstand r2 und ein Kondensator C4 werden in den Hochfrequenzfilter 7 eingesetzt. Der Widerstand r1 und der Kondensator C3, und auch der Widerstand r2 und der Kondensator C4, bilden Beschaltungen zum Unterdrücken von Spannungsspitzenimpulsen, welche beim Ansteigen und Abfallen der Pulswellenform auftreten, und entsprechend der Auswahl ihrer Konstanten stehen der Energieverlust des AC- Spannungsreglers und die Spannungsfestigkeit der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1–SW5 in enger Beziehung.
Außerdem, wenn der Eingang auf DC (= Gleichstrom) beschränkt ist, kann der AC-Spannungsregler beispielsweise durch Verwendung eines DC-DC-Wandlers mit extrem kleiner Kapazität in der Erkennungsschaltung 10 für eine AC-Ausgangsspannung der Steuerschaltung 8 der 7 betrieben werden.
(Ausführungsbeispiel 2)
Im AC-Spannungsregler gemäß der Erfindung, der in 3 gezeigt ist, besitzt der Hochfrequenztransformator 4 einen Mittenflachstecker 41 und der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 5 besteht aus bidirektionalen Halbleiterschaltern SW3 und SW4, die in einer Zweiphasen-Halbwellen-Brücke verbunden sind. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Anzahl an bidirektionalen Halbleiterschaltern zu reduzieren und einen ökonomischen Schaltungsaufbau zu erhalten, der für eine geringe Kapazität geeignet ist.
Andererseits, um den zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 5 geeignet für eine große Kapazität zu machen, beispielsweise wie in 8 gezeigt, ist es bevorzugt, einen Schaltungsaufbau einer Ganzwellenbrücke zu haben, die gebildet wird, indem kein Mittenflachstecker in dem Hochfrequenztransformator 4 vorgesehen ist und indem die bidirektionalen Halbleiterschalter SW3, SW4, SW3', SW4' in einer Einphasen-Ganzwellenbrücke verbunden werden. In diesem Fall ist der erste bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 3 auch ein Schaltungsaufbau mit Ganzwellenbrücke mit den bidirektionalen Halbleiterschaltern SW1, SW2, SW1', SW2', wobei der Ausgangsanschluss 32 der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1 und SW2 an ein Ende der Primärspule des Hochfrequenztransformators 4 angeschlossen ist, und an das andere Ende ein Ausgangsanschluss 34 der bidirektionalen Halbleiterschalter SW1' und SW2' angeschlossen ist. Die Kondensatoren C1 und C2 werden nicht verwendet; stattdessen ist ein Kondensator C7 zwischen den Ausgangsanschlüssen des Eingangsfilters 2 vorgesehen. In dem zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis 5 sind die Eingangsanschlüsse der bidirektionalen Halbleiterschalter SW3 und SW4' und die Eingangsanschlüsse der bidirektionalen Halbleiterschalter SW3' und SW4 an den Ausgangsanschlüssen a beziehungsweise b der Sekundärspule des Hochfrequenztransformators 4 angeschlossen.
Natürlich können, in gleicher Weise wie der oben beschriebene Schaltungsaufbau der 3, diese bidirektionalen Halbleiterschalter durch die Steuerschaltung 8 ON/OFF gesteuert werden, und es ist möglich, eine kontinuierliche Pulsbreitensteuerung einer erhöhten AC-Spannung durch kontinuierliches Regeln der relativen Einschaltdauer D des Hochfrequenztransformators 4 zu realisieren.
(Ausführungsbeispiel 3)
9 ist ein Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines AC-Spannungsreglers gemäß der Erfindung.
In dem AC-Spannungsregler, der in 9 gezeigt ist, ist ein Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 18 als eine Spannungsspitzenimpulsreduzierungsschaltung zum Reduzieren von Spannungsspitzenimpulsen vorgesehen. Die Ausgangsanschlüsse a und b des Hochfrequenztransformators 4, der gemeinsame Eingangs-Ausgangsanschluss c und der Anschluss d für eine erhöhte Spannung sind jeweils an die vier AC-Eingangsanschlüsse des Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichters 18 angeschlossen. Und auch ein Spannungsspitzen absorbierender Kondensator C6 und ein Entladewiderstand R sind je weils mit dem DC-Ausgang des Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichters 18 parallel geschaltet. Mit diesem Aufbau können Spannungsspitzenimpulse effizient reduziert werden, und, da die Beschaltung an der Ausgangsseite, das heißt der Kondensator C4 und der Widerstand r2, nur extrem kleine Pulse absorbieren muss, welche nicht durch den Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 18 entfernt werden können, können auch Verluste des Gleichrichters insgesamt reduziert werden.
(Ausführungsbeispiel 4)
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der 9 betrifft einen Aufbau, worin der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 5 in einer Zweiphasen-Halbwellen-Brücke angeschlossen ist. Andererseits zeigt 10 einen Aufbau, worin der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis 5 in einer Einphasen-Ganzwellen-Brücke angeschlossen ist, wie in 8 des zweiten Ausführungsbeispiels gezeigt. Der Schaltungsaufbau des Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichters 18 ist der gleiche Aufbau wie in 9, und eine Reduzierung von Spannungsspitzenimpulsen kann ebenso realisiert werden.
(Ausführungsbeispiel 5)
11 zeigt ein Beispiel, worin ein Fünfphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 19 anstelle des Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichters 18 vorgesehen ist. Der Fünfphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 19 hat seine fünf AC-Eingangsanschlüsse jeweils an die Ausgangsanschlüsse a und b des Hochfrequenztransformators 4, den gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluss c, den Anschluss d für eine erhöhte Spannung und einen Ausgangsanschluss e des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises 5 angeschlossen und besitzt auch einen Kondensator C6 zum Absorbieren von Spannungsspitzen und einen Entladewiderstand R, die parallel zu seiner DC-Ausgangsseite geschaltet sind.
Mit diesem Fünfphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 19 ist es auch möglich, eine Reduzierung von Spannungsspitzenimpulsen und eine Reduzierung von Verlusten des Gleichrichters insgesamt zu realisieren, ebenso wie mit dem Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 18.
(Ausführungsbeispiel 6)
Die Steuerschaltung 8 in dem erfindungsgemäßen AC-Spannungsregler, wie beispielsweise in 12 gezeigt, kann eine schaltende Energieversorgung verwenden, die allgemein erhältlich ist. In solch einem Aufbau sind üblicherweise eine Hochspannungsprimärschaltung und eine Niederspannungssekundärschaltung vollkommen voneinander isoliert. Daher kann, anstatt den Entladewiderstand R zum Reduzieren von Spannungsspitzenimpulsen in den Vierphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 18 oder den Fünfphasen-Ganzwellen-Gleichrichter 19 einzufügen, durch jeweiliges Anschließen der Ausgangsanschlüsse P und Q des Gleichrichters 18 oder 19 an die Eingangsanschlüsse P' und Q' der Steuerschaltung 8, die in 12 gezeigt ist (in 12 sind die Eingangsanschlüsse P' und Q' an die Ausgangsanschlüsse der Ganzwellenbrückenschaltung der Hochspannungsprimärschaltungsseite angeschlossen), ein verschwenderischer Energieverbrauch unterdrückt werden und der Wirkungsgrad des Reglers bei geringen Lasten verbessert werden. Das heißt, wenn die Steuerschaltung 8 mit einer Leistung betrieben wird, die von der DC-Eingangsseite beim Einschalten des Reglers geliefert wird, und andere Schaltungsteile als die Steuerschaltung 8 ihren Betrieb beginnen und eine Last angelegt wird, vergrößern sich Spannungsspitzenimpulse, und die gleichgerichtete Spannung der Spannungsspitzenimpuls reduzierenden Schaltung wird höher als die gleichgerichtete Ausgabe der Eingangsenergieversorgung. Infolgedessen wird ein Großteil der Leistung der Steuerschaltung 8 von der Spannungsspitzenimpuls reduzierenden Schaltung geliefert, und ein Energieverbrauch kann unterdrückt werden.
In Versuchsergebnissen, die mit den erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglern wie oben beschrieben erhalten werden, wurde bestätigt, dass zum Beispiel ein Gewicht von 4 kg oder weniger, ein Wirkungsgrad von 92% bei maximaler Ausgabe und ein Leistungsfaktor von 98% erhalten werden können. Natürlich sind diese Werte nur Beispiele und die erhaltenen Figuren unterscheiden sich entsprechend der Aufbauten, die oben beschrieben wurden, jedoch in allen Fällen ist es, im Vergleich zu den herkömmlichen AC-Spannungsreglern der Ausführung mit mechanischer Steuerung und der Ausführung mit elektronischer Steuerung, die oben beschrieben wurden, möglich, einen AC-Spannungsregler, der eine kleine Größe und ein geringes Gewicht besitzt, mit einem hervorragenden Wirkungsgrad und Leistungsfaktor zu realisieren, und der Spannung gleichmäßig automatisch regeln kann.
Da, wie oben detailliert beschrieben wurde, der Spannungssteuerungsteil des erfindungsgemäßen AC-Spannungsreglers aus Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeitsschaltgeräten und Hochfrequenztransformatoren und Hochfrequenzfiltern besteht, besitzt er eine sehr kleine Größe und ein geringes Gewicht, und ist sowohl im Wirkungsgrad als auch im Leistungsfaktor unübertroffen, verglichen mit dem Stand der Technik. Und, der erfindungsgemäße Regler besitzt eine automatische Spannungsregelungsfunktion, die ein gleichmäßiges, freies Festlegen einer AC-Ausgangsspannung von im Wesentlichen Null bis zu einer maximalen Spannung vornehmen kann, und besitzt auch eine so genannte konstante Spannungsfunktion, die eine stabile, festgelegte Spannung zu jeder Zeit halten kann, selbst in Bezug auf normalerweise auftretende Schwankungen einer empfangenen Spannung und großen Schwankungen einer Last. Außerdem, während der AC-Spannungsregler des Standes der Technik, der einen niederfrequenten Aufwärtstransformator in 2 verwendet, halb elektronisch gesteuert ist, kann der erfindungsgemäße AC-Spannungsregler voll elektronisch gesteuert hergestellt werden, wodurch seine Ansprechgeschwindigkeit deutlich schneller ist als die des herkömmlichen.
Dementsprechend ist es bei experimentellen Datenabfragen in einem Labor oder Ähnlichem beispielsweise nicht nötig, seine Einstellung beim Auftreten einer empfangenen Spannungsschwankung oder einer Lastschwankung fein anzupassen, wodurch eine Messungszeit reduziert wird. Somit ist, verglichen mit dem Stand der Technik, der erfindungsgemäße AC-Spannungsregler äußerst leicht zu verwenden und ist äußerst nützlich als eine Energieversorgung für verschiedene Typen automatischer Prüfungen in experimentellen Datenabfragen und an Standorten und Ähnlichem.
Ferner, da der erfindungsgemäße Regler eine grundsätzliche Modulations- und Demodulationstechnologie verwendet, ist es möglich, eine Hochgeschwindigkeitssteuerung in Bezug auf irgendeine Eingangsfrequenz in einem Bereich von Gleichstrom bis zu 1/20 einer Modulationsfrequenz zu realisieren, und auch eine Spannungsstabilisierung und eine Fernsteuerung einer bestimmten Spannung einer Einrichtung, in der eine umfangreiche Schwankung einer sich drehenden Anzahl (Frequenz) oder einer erzeugten Spannung erwartet wird, wie z.B. eine Windkraftanlage und ein Antriebsgenerator.
Neueste Fortschritte bei Leistungshalbleitern, insbesondere bei MOS-FETs und IGBTs, sind beachtlich gewesen, und Geräte mit einer hohen Spannungsfestigkeit, niedrigem Widerstand und hoher Geschwindigkeit wurden entwickelt. Durch Verwendung dieser Geräte kann der erfindungsgemäße AC-Spannungsregler noch kleiner, leichter und noch effizienter gemacht werden, und kann sogar in einem noch größeren Bereich von Anwendungen verwendet werden.

Claims

Ein AC-Spannungsregler, umfassend: einen ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis (3) zum Ringmodulieren einer AC-Eingangsspannung, um eine ringmodulierte Spannung zu erhalten; und einen Hochfrequenztransformator (4) zum Transformieren der ringmodulierten Spannung bei einer hohen Frequenz; und dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: einen zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis (5) zum Demodulieren der transformierten, ringmodulierten Spannung vom Hochfrequenztransformator, um eine demodulierte AC-Spannung zu erhalten, und zum Hinzufügen der demodulierten AC-Spannung zu der AC-Eingangsspannung, um eine erhöhte AC-Spannung zu erhalten; einen dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreis (6) zum Pulsbreitenmodulieren der erhöhten AC-Spannung; und eine Steuerschaltung (8) zum Steuern des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises, um nur ON zu werden, solange all die Schalter des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (5) OFF sind, und zum kontinuierlichen Regeln der erhöhten AC-Spannung durch kontinuierliche Regelung einer relativen Einschaltdauer D des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (5) während der Pulsbreitenmodulation.
Ein AC-Spannungsregler nach Anspruch 1, wobei der zweite bidirektionale Halbleiterschalterstromkreis (5) einen Zweiphasen-Halbwellenbrückenanschluss oder einen Einphasen-Ganzwellenbrückenanschluss auf einer Sekundärseite des Hochfrequenztransformators (4) umfasst.
Ein AC-Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend einen Vierphasen-Ganzwellengleichrichter (18), der als eine Spannungsspitzenimpuls reduzierende Schaltung dient, wobei der Gleichrichter (18) vier AC-Eingangsanschlüsse besitzt, welche jeweils mit zwei Ausgangsanschlüssen (a, b) einer Sekundärspule des Hochfrequenztransformators (4), einem gemeinsamen Anschluss (c) eines AC-Spannungseingangsanschlusses (1b) und eines AC-Spannungsausgangsanschlusses (9b) und einem Anschluss (d), an dem eine erhöhte AC-Spannung erhalten wird, verbunden sind, wobei der Gleichrichter (18) des Weiteren einen Spannungsspitze absorbierenden Kondensator (C6) und einen Entladewiderstand (R), der mit einer Ausgangsseite des Gleichrichters (18) parallel geschaltet ist, umfasst.
Ein AC-Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend einen Fünfphasen-Ganzwellengleichrichter (19), der als eine Spannungsspitzenimpuls reduzierende Schaltung dient, wobei der Gleichrichter (19) fünf AC-Eingangsanschlüsse besitzt, welche jeweils mit zwei Ausgangsanschlüssen (a, b) einer Sekundärspule des Hochfrequenztransformators (4), einem gemeinsamen Anschluss (c) eines AC-Spannungseingangsanschlusses (1b) und eines AC-Spannungsausgangsanschlusses (9b), einem Anschluss (d), an dem eine erhöhte AC-Spannung erhalten wird, und einem Ausgangsanschluss (e) des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (5) verbunden sind, wobei der Gleichrichter (19) des Weiteren einen Spannungsspitze absorbierenden Kondensator (C6) und einen Entladewiderstand (R), der mit einer DC-Ausgangsseite des Gleichrichters (19) parallel geschaltet ist, umfasst.
Der AC-Spannungsregler nach Anspruch 3, umfassend eine Steuerschaltung (8) zum Durchführen einer Pulsbreitensteuerung des ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (3), des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (5) und des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (6), wobei ein DC-Ausgangsanschluss des Vierphasen-Ganzwellengleichrichters (18) mit einer DC-Spannungsenergieversorgung der Steuerschaltung (8) verbunden ist und wobei Energie zur Spannungsspitzenimpulsentladung beim Ansteuern der Steuerschaltung (8) verbraucht wird.
Der AC-Spannungsregler nach Anspruch 4, umfassend eine Steuerschaltung (8) zum Durchführen einer Pulsbreitensteuerung des ersten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (3), des zweiten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (5) und des dritten bidirektionalen Halbleiterschalterstromkreises (6), wobei ein DC-Ausgangsanschluss des Fünfphasen-Ganzwellengleichrichters (19) mit einer DC-Spannungsenergieversorgung der Steuerschaltung (8) verbunden ist und wobei Energie zur Spannungsspitzenimpulsentladung beim Ansteuern der Steuerschaltung (8) verbraucht wird.