-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energiewandler zum
Liefern elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Last,
wobei der Energiewandler die nachfolgenden Elemente umfasst:
- – einen
Transformator mit einer Primärseite
und einer Sekundärseite,
wobei die Sekundärseite dazu
vorgesehen ist, dass diese im Betrieb mit der Last verbunden ist,
- – wenigstens
einen ersten und einen zweiten reihengeschalteten steuerbaren Schalter,
der im Betrieb mit der Energiequelle verbunden wird,
- – Dioden,
die antiparallel mit dem ersten und dem zweiten Schalter verbunden
sind, und
- – eine
Steueranordnung zum Erzeugen von Steuersignalen, mit denen der erste
und der zweite Schalter geöffnet
und geschlossen werden zum Erzeugen eines wechselnden Stromes in
der Primärseite
des Transformators, wobei die Steueranordnung Mittel aufweist zum
Vergleichen eines Schwellenwertes mit dem Wert einer Menge, die mit
einer Änderung
der Spannung je Zeiteinheit relatiert ist oder dieser Änderung
entspricht, an einem Knotenpunkt des ersten Schalters und des zweiten
Schalters zum Bestimmen der Schaltzeitpunkte des ersten und des
zweiten Schalters.
-
Ein
Energiewandler dieser Art ist an sich aus u.a.
US 5.075.599 und
US 5.696.431 bekannt. In diesem Wandler
ist die Last oft ein Gleichrichter und die Energiequelle ist eine
DC-Spannungsquelle. Zusammen mit der Last ist es eine Aufgabe des
Energiewandlers, eine DC-Eingangsspannung der Energiequelle in eine
DC-Ausgangsspannung der Last umzuwandeln. Die Last kann aber auch
eine andere Anordnung als den Gleichrichter aufweisen, wobei diese
Anordnung mit einer Wechselspannung gespeist wird. Der Energiewandler
kann auf diese Weise u.a. aus einem DC/DC-Wandler und einem DC/AC-Wandler bestehen.
-
Für eine befriedigende
Wirkung des Energiewandlers ist es wichtig, dass die Schalter zum
Erzeugen des wechselnden Stromes zu den richtigen Zeitpunkten ein-
und ausgeschaltet werden. Die Frequenz, mit der die Schalter ein-
und ausgeschaltet werden, definiert die Betriebsart des Wandlers.
Wenn die Frequenz hoch genug ist, funktioniert der Energiewandler
auf eine regelmäßige induktive
Weise. In dieser Betriebsart folgt die Phase des Stromes durch die
Primärseite
des Transformators der Phase der Spannung an dem Knotenpunkt. Nachdem
ein Strom leitender Schalter geöffnet
worden ist, und nachdem die Diode des anderen Schalters den Strom
zu leiten angefangen hat, kann der andere Schalter geöffnet werden.
In dem Fall gibt es keine Schaltverluste. Das Zeitintervall, in
dem die beiden Schalter geöffnet
werden, wird als die nicht überlappende
Zeit bezeichnet.
-
Der
Wandler arbeitet in der nah-kapazitiven Mode, wenn die Schaltfrequenz
der Schalter und folglich die Frequenz des wechselnden Stromes durch
die Primärseite
des Transformators zu einem Punkt zurückgeht, an dem der wechselnde
Strom mit dem wechselnden Strom an dem Knotenpunkt wenigstens nahezu
phasengleich ist. Nachdem der Strom leitende Schalter geöffnet ist
und bevor die Diode, die zu dem anderen Schalter antiparallel geschaltet
ist, zu leiten anfängt,
wird die Richtung des Stromes durch die Primärseite des Transformators umgekehrt.
Eine harte Umschaltung erfolgt, wenn der andere Schalter in dem
Fall geschlossen wird. Dies bedeutet, dass das Umschalten zu einem
Zeitpunkt stattfindet, wo es an dem betreffenden Schalter eine Spannungsdifferenz
gibt. Dies wird zu Schaltverlusten führen.
-
Der
Wandler arbeitet in der kapazitiven Mode, wenn die Frequenz, bei
der die Schalter umgeschaltet werden, weiter verringert wird zu
einem Punkt, an dem der wechselnde Strom durch die Primärseite des
Transformators mit der Spannung an dem Knotenpunkt phasengleich
ist oder sogar die Phase führt.
Auch in dieser Mode treten Schaltverluste auf.
-
Im
Allgemeinen ist es erwünscht,
dass der Energiewandler in der induktiven Mode arbeitet. Dazu ist
es wichtig, dass die Nicht-Überlappungszeit derart
gewählt
wird, dass sie lang genug ist um eine harte Umschaltung, d.h. Schaltverluste
zu vermeiden. Aber die Nicht-Überlappungszeit
ist auf ein Maximum begrenzt, weil harte Umschaltung auch in dem
Fall einer zu langen Überlappungszeit
auftritt, so dass Schaltverluste auftreten.
-
Um
die Überlappungszeit
für einen
Energiewandler zu bestimmen, der in der induktiven Mode arbeitet,
ist es bekannt, dass die Steueranordnung mit Mitteln versehen wird
zum Vergleichen des Wertes einer Menge, der sich zu dem Wert einer Änderung
der Spannung je Zeiteinheit an einem Knotenpunkt des ersten und
des zweiten Schalters verhält oder
diesem Wert entspricht, einerseits mit einem Schwellenwert, andererseits
zum Ermitteln der Schaltzeitpunkte des ersten und des zweiten Schalters.
Insbesondere wird der Zeitpunkt, wo der andere Schalter geschlossen
werden muss, durch Messung des Stromes bestimmt, der durch eine
Kapazität
des Energiewandlers fließt,
wobei diese Kapazität
in dem Energiewandler derart vorgesehen ist, dass diese den Wert
der Änderung
der Spannung an dem Knotenpunkt je Zeiteinheit reduziert. Der andere
Schalter wird zu dem Zeitpunkt geschlossen, wo der Wert dieses Stromes
abnimmt und einem relativ kleinen positiven Schwellenwert entspricht.
Nach einer praktischen Ausarbeitung wird der Schaltzeitpunkt durch einen
Vergleich der Spannung an dem Stromfühlwiderstand mit einer Bezugsspannung
mit Hilfe einer Vergleichsschaltung ermittelt. Dieser Stromfühlwiderstand
kann in Reihe mit der genannten Kapazität vorgesehen werden, oder er
kann in die wechselnde Stromstrecke über eine kapazitive Stromtreiberschaltung
einverleibt werden. Ein Nachteil des bekannten Energiewandlers ist
dass die Vergleichsschaltung, die auf Basis der relativ geringen
Eingangssignale und der relativ geringen Schrägen wirksam ist, auf eine verzögerte Weise
reagieren kann. Dadurch kann es sein, dass die betreffenden Schalter
zu spät
eingeschaltet werden. Dies kann an sich wieder bedeuten, dass dennoch
eine harte Umschaltung in der induktiven Mode auftritt, was zu Schaltverlusten
führt.
-
Es
ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für das oben
genannte Problem zu schaffen. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Energiewandler zu schaffen, der, wenn in der nahezu
kapazitiven Mode wirksam, die Schaltverluste auf ein Minimum reduzieren
kann.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung weist der Energiewandler das Kennzeichen
auf, dass die Steueranordnung dazu vorgesehen ist, einen maximalen Wert
der genannten Menge zu bestimmen und den Schwellenwert zu bestimmen,
und zwar auf Basis des bestimmten maximalen Wertes der Menge. Da die
Schwellenspannung auf Basis eines bestimmten maximalen Wertes der
genannten Menge bestimmt wird, ist es möglich, die genannte Verzögerung und einen
möglicherweise
in der Steueranordnung verwendete Vergleichsschaltung auszugleichen.
-
Der
Schwellenwert kann insbesondere auf Basis des maximalen Wertes derart
gewählt
werden, dass, wenn der Energiewandler in der nahezu kapazitiven
Mode arbeitet, der betreffende Schalter geschlossen wird, wenn die
wechselnde Spannung an dem Knotenpunkt einen extremen Wert erreicht
hat. Dieser extreme Wert führt
dazu, dass die Schaltverluste minimiert werden. Der Grund ist, dass
die Spannungsdifferenz an dem Schalter, der zu dem betreffenden
Zeitpunkt geschlossen ist, minimal ist.
-
Insbesondere
ist die Schwellenspannung gleich einem Faktor K mal dem maximalen
Wert, wobei K einen Wert zwischen 0 und 1 hat. Dieser Faktor K kann
insbesondere derart gewählt
werden, dass die Schaltverluste in der nahezu kapazitiven Mode minimal
sind. In der induktiven Mode gilt dann, dass die Überlappungszeit
einen derart nicht kritischen Wert hat, dass es überhaupt keine Schaltverluste gibt.
-
Deswegen
ist es zu bevorzugen, dass der Faktor K derart bestimmt wird, dass
einer der Schaltzeitpunkte mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, wo
die Spannung an dem Knotenpunkt einen extremen Wert annimmt, wenn
die Frequenz des wechselnden Stromes durch die Primärseite des
Transformators so niedrig ist, dass dieser wechselnde Strom zu der Spannung
an dem Knotenpunkt wenigstens im Wesentlichen phasengleich ist.
Der Faktor K wird auf diese Weise derart bestimmt, dass die Schaltverluste in
der nahezu kapazitiven Mode minimal sind.
-
Der
Energiewandler umfasst vorzugsweise auch wenigstens eine Kapazität zur Begrenzung
des Wertes einer Änderung
der Spannung an dem Knotenpunkt je Zeiteinheit, wobei der Wert der
genannten Menge sich auf den Wert des Stromes durch die Kapazität bezieht.
Wenn diese Kapazität
nicht vorhanden ist, wird die Spannung an dem Knotenpunkt je Zeiteinheit
eine sehr große Änderung
haben und wird von Streukapazitäten
abhängig
sein. Wenn die Halbleiterschalter keine großen Streukapazitäten aufweisen,
ist es vorteilhaft, dass die Kapazität zur Begrenzung des Wertes
der Änderung
der Spannung an dem Knotenpunkt je Zeiteinheit vorgesehen wird. Dies
wird in der Praxis oft der Fall sein.
-
In
dem letzteren Fall gilt insbesondere, dass der Faktor K derart bestimmt
wird, dass einer der Schaltzeitpunkte mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, wo
der Strom durch die Kapazität
Null wird, während der
Wert des Stromes vor dem genannten Zeitpunkt auf Null verringert,
wenn die Frequenz des wechselnden Stromes durch die Primärseite des
Transformators so niedrig ist, dass dieser wechselnde Strom wenigstens
im Wesentlichen zu der Spannung an dem Knotenpunkt phasengleich
ist. Die Steueranordnung kann dann einen Stromspitzendetektor enthalten,
der über
eine erste Messkapazität
mit dem Knotenpunkt verbunden ist zum Bestimmen des genannten maximalen
Wertes.
-
Nach
einer weiteren Ausarbeitung dieser Abwandlung umfasst die Steueranordnung
weiterhin einen Multiplizierer, der mit einem Ausgang des Spitzendetektors
verbunden ist, und zwar zum Multiplizieren des maximalen Wertes
mit einem Faktor K, eine zweite Messkapazität und eine Vergleichsanordnung,
die mit einem Ausgang des Multiplizierers und mit dem Knotenpunkt über die
zweite Messkapazität verbunden
ist, wobei die Vergleichsschaltung dazu vorgesehen ist, den Zeitpunkt
zu bestimmen, wo das Ausgangssignal des Spitzendetektors einem Ausgangssignal
der Vergleichsschaltung entspricht.
-
Im
Allgemeinen sind die erste und die zweite Kapazität in diesem
Fall durch wenigstens ein und dieselbe Kapazität gebildet.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 eine
mögliche
Ausführungsform
eines Energiewandlers,
-
2 ein
Schaltbild des Energiewandlers nach 1, wobei
Anteile, die sich an der sekundären
Seite des Transformators des Energiewandlers befinden, zu der Primärseite des
Transformators transformiert werden,
-
3a mehrere
Spannungen und Ströme des
Energiewandlers nach 1, wenn dieser Wandler in der
induktiven Mode aktiv ist,
-
3b mehrere
Spannungen und Ströme des
in 1 dargestellten Energiewandlers, wenn dieser Wandler
in der nahezu kapazitiven Mode wirksam ist,
-
3c mehrere
Spannungen und Ströme des
in 1 dargestellten Energiewandlers, wenn dieser Wandler
in der kapazitiven Mode wirksam ist,
-
4b1 ein bekanntes Verfahren zum Bestimmen
einer Nicht-Überlappungszeit,
-
4b2 ein bekanntes Verfahren nach 4b1, das dennoch zu einer harten Umschaltung führt,
-
5 eine
mögliche
Ausführungsform
eines Teils der Steueranordnung eines Energiewandlers nach der vorliegenden
Erfindung,
-
6a ein
Spannungs- und Stromdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Steueranordnung nach 5 in der induktiven Mode, und
-
6b Spannungen
und Ströme
nach 6a zur Erläuterung
der Steueranordnung nach 5, wenn der Energiewandler in
der nahezu kapazitiven Mode aktiv ist.
-
Das
Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet eine
mögliche
Ausführungsform
eines Energiewandlers. Dieser Energiewandler kann in Form eines
Energiewandlers nach dem Stand der Technik sein und ein Energiewandler
nach der vorliegenden Erfindung. Der Energiewandler als aktiv nach
dem Stand der Technik wird als erster beschrieben.
-
In
dieser Ausführungsform
ist der Energiewandler 1 als schwingender Halbbrückenwandler
gebildet. Der Energiewandler 1 ist dazu vorgesehen, einer
Last Zload' aus
einer Energiequelle Vs, in dieser Ausführungsform einer DC-Quelle,
elektrische Energie zuzuführen.
In dieser Ausführungsform
erzeugt die Energiequelle Vs eine DC-Spannung Vo. Der Energiewandler
umfasst einen Transformator T mit einer Primärseite Tp und einer Sekundärseite Tc.
Weiterhin umfasst der Energiewandler einen ersten steuerbaren Halbleiterschalter
Sh und einen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter Sl, die miteinander
in Reihe geschaltet sind. Der erste Schalter Sh und der zweite Schalter
Sl sind an dem Knotenpunkt K miteinander verbunden. Der erste und
der zweite Halbleiterschalter Sh und Sl können beispielsweise ein Transistor,
ein Thyristor, ein MOSFET, usw. sein. Der erste Schalter Sh ist
zu einer Körperdiode
d1 antiparallel geschaltet. Der zweite Schalter Sl ist zu einer Körperdiode
d2 antiparallel geschaltet. Der Knotenpunkt K ist über eine
Spule L1 mit der Primärseite
Tp des Transformators T verbunden. Der Energiewandler umfasst weiterhin
eine Kapazität
C1, wobei die Spule L1, die Primärseite
Tp und die Kapazität
C1 in Reihe miteinander vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform
ist die Kapazität
C1 zwischen der Primärseite
Tp des Transformators T und Erde vorgesehen. In dieser Ausführungsform
ist eine Seite der Speisequelle Vs auch nach Erde verbunden. Es
ist aber auch möglich,
die Kapazität
C1 mit der Seite der Speisequelle Vs zu verbinden, die nicht nach
Erde verbunden ist.
-
Der
Energiewandler umfasst weiterhin eine Kapazität C2', die parallel zu der Last Zload' an der Sekundärseite des
Transformators T vorgesehen ist. Die Last Zload' kann eine Anordnung sein, die mit einer
wechselnden Spannung arbeitet. Diese Anordnung kann beispielsweise
ein Gleichrichter zum Erhalten eines DC-Spannung sein.
-
Der
Energiewandler umfasst weiterhin eine Kapazität Chb, die derart vorgesehen
ist, dass sie den Wert einer Änderung
der Spannung an dem Knotenpunkt K je Zeiteinheit glättet. In
dieser Ausführungsform
ist die Kapazität
Chb zwischen dem Knotenpunkt K und Erde vorgesehen. Die Kapazität Chb aber
kann auch zwischen dem Knotenpunkt K und der Seite der Speisequelle
Cs vorgesehen sein, die nicht nach Erde verbunden ist. Auf alternative
Weise kann die Kapazität
Chb im Grunde aus einer Streukapazität der Elemente des Energiewandlers
bestehen.
-
Der
Energiewandler ist weiterhin mit einer Steueranordnung Cnt zur Steuerung
des ersten und des zweiten Schalters Sh, Sl über die Leitungen l2 bzw. l3
versehen. Die Steueranordnung Cnt definiert auf diese Weise die
Zeitpunkte, wo der erste und der zweite Schalter Sh und Sl geöffnet und
geschlossen werden. In dieser Ausführungsform ist ein Eingang der
Steueranordnung über
eine Leitung l1 mit dem Knotenpunkt K verbunden.
-
Wenn
die Kapazität
C2' und die Last
Zload' auf bekannte
Weise zu der Primärseite
des Transformators T transformiert werden, wird ein gleichwertiger
Schaltplan des Energiewandlers nach 1 erhalten,
wie in 2 dargestellt ist. Die Spule L2 ersetzt den Transformator
T, die Kapazität
C2 ersetzt die Kapazität
C2' und Zload ersetzt
die Last Zload'.
-
2 zeigt
einige Ströme
und Spannungen, die nachstehend noch näher erläutert werden. Die Spannung
Vhb an dem Knotenpunkt K ist im normalen Gebrauch eine Rechteckwelle.
Zum Berechnen der Übertragungscharakteristik
kann eine erste harmonische Annäherung
verwendet werden, wobei nur die Grundfrequenz betrachtet wird. Die
höheren
Harmonischen können
ignoriert werden, weil die Frequenzen dieser Komponenten weit entfernt
von der Resonanzfrequenz des Energiewandlers liegen. Weiterhin gilt,
dass der Beitrag dieser höheren
Harmonischen zu dem Ausgang (Zload) vernachlässigbar ist.
-
Wenn
der Kondensator C1 einen ausreichenden Wert hat, kann auch er ignoriert
werden. Wenn Zload eine unendlich große Impedanz hat, gilt für die Resonanzfrequenz:
-
-
In
diesem Fall ist Lp eine Parallelschaltung der Spulen L1 und L2:
-
-
In
der Praxis wird Zload aber eine endliche Impedanz sein, was zu einer
Verschiebung der Resonanzfrequenz führt.
-
3a zeigt
die Wellenformen, wenn der Energiewandler in der induktiven Mode
arbeitet. Hier ist Hs gate das Schaltsignal, das dem ersten Schalter Sh
zugeführt
wird. Wenn dieses Sc Haltsignal hoch ist, wird der Schalter Sh geschlossen,
d.h. er wird leitend. Das Signal Hs gate wird von der Steueranordnung
Cnt diesem Schalter zugeführt.
Das Signal Hs gate ist das Steuersignal, das von der Steueranordnung
Cnt dem zweiten Schalter Sl zugeführt wird. Es zeigt sich daraus,
dass die beiden Schalter nie gleichzeitig geschlossen sind. Sollte
dies der Fall sein, Würde
es einen Kurzschluss geben. Die Signifikanz der anderen Signale
ist unmittelbar aus 3a deutlich. In der induktiven
Mode folgt die Phase des Stromes Iid der (Grundharmonischen der)
Spannung der Halbbrückenschaltung,
d.h. der Spannung an dem Knotenpunkt K in dieser Ausführungsform.
Die Grundharmonische der Spannung Vhb ist durch eine gestrichelte
Linie in dem Iind Diagramm angegeben. Nachdem der leitende Schalter
(beispielsweise der erste Schalter Sh) zu dem Zeitpunkt t0 geöffnet wird, wird
der Strom Iind den Kondensator Chb aufladen. Nachdem daraufhin die
Körperdiode
(d2) des anderen Schalters (das ist der Schalter, der nicht gerade geöffnet gewesen
ist) leitend wird, kann dieser andere Schalter Sl zu dem Zeitpunkt
t1 geschlossen werden. Danach gibt es keine bemerkenswerte Spannung
an diesem Schalter. In dem Fall gibt es keine Schaltverluste. Das
Intervall t0–t1,
in dem die beiden Schalter geöffnet
sind, wird in diesem Fall als die Nicht-Überlappungszeit bezeichnet.
Dieses Phänomen
wird mit umgekehrten Spannungen und Strömen wiederholt, wenn der Schalter
Sl zu dem Zeitpunkt t2 geöffnet
wird und der Schalter Sh zu dem Zeitpunkt t3 geschlossen wird, während die
Körperdiode
d1 Strom leitet. Die Nicht-Überlappungszeit
ist das Intervall t2–t3.
-
3a zeigt
mit Hilfe von Hs Ls Fet und Ls Diode dass, wenn Iind größer als
0 ist, der Strom lind durch den Schalter Sh fließt, der Schalter Sl oder die Diode
d2 antiparallel zu dem Schalter Sl vorgesehen sind. Auf gleiche
Weise geben Hs Ls Fet und Ls Diode an, dass wenn der Strom Iind
kleiner ist als 0, dieser Strom durch den Schalter Sl oder die Diode
d1 fließt,
der Schalter Sl oder die Diode d1 zu dem Schalter Sh antiparallel
vorgesehen sind.
-
3b zeigt
die Diagramme der 3a, wenn die Schaltfrequenz
des Energiewandlers zu einem Punkt verringert wird, zu dem der Strom
lind zu der (Grundharmonischen der) Spannung Vhb nahezu phasengleich,
aber dennoch induktiv ist. Nachdem der leitende Schalter Sh oder
Sl geöffnet
ist, wird der Strom lind damit anfangen, die Kapazität Chb zu laden,
aber bevor die Diode (d1 oder d2) des anderen Schalters leitend
wird, wird die Richtung des Stromes Iind umgekehrt. Zu dem Zeitpunkt,
wo die Richtung des Stromes Iind umgekehrt wird, ist die Neigung
von Vhb gleich Null. Wie aus 3b hervorgeht,
ist die Spannung Vhb an dem Knotenpunkt K zu dem Zeitpunkt t1 kleiner
als die Speisespannung Vs, die dem Schalter Sh zugeführt wird.
Mit anderen Worten, es gibt eine Spannung an dem Schalter Sh. Wenn
der Schalter Sh daraufhin zu dem Zeitpunkt t1 geschlossen wird (Hs
gate wird hoch), findet eine harte Umschaltung statt, wobei Schaltverluste
auftreten. Die Spannung an dem Schalter Sh verschwindet in einem
Bruchteil einer Sekunde und die Spannung an dem Knotenpunkt K und
die Spannung Vhb springen auf den Wert der Speisespannung der Speiseanordnung
Vs. Dies führt
zu einer kurz dauernden Stromspitze von Ichb nach dem Zeitpunkt
t1, wie in 3b dargestellt. Dieses Phänomen wird
wiederholt, wenn der Schalter Sh zu dem Zeitpunkt t2 geöffnet wird und
wenn daraufhin der Schalter Sl zu dem Zeitpunkt t3 geschlossen wird,
nachdem die Nicht-Überlappungszeit
abgelaufen ist. Eine harte Umschaltung findet auch dann statt, wenn
der Schalter Sl geschlossen wird. Die bei 3b beschriebene
Mode wird als die nahezu kapazitive Mode bezeichnet.
-
In
den in 3c dargestellten Diagrammen wird
die Frequenz des Wandlers auf einen Punkt verringert, bei dem der
Strom Iind zu der (Grundharmonischen der) Halbbrückenspannung Vhb phasengleich
ist oder sogar die Halbbrückenspannung
phasengleich macht. In dem Fall wird der Kondensator Chb überhaupt
nicht aufgeladen. Dies geht aus 3c hervor,
wobei die Spannung Vhb zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 gleich
bleibt. Wenn der Schalter Sh dazu zu dem Zeitpunkt t1 geschlossen wird,
gibt es an diesem Schalter eine Spannungsdifferenz, die der Speisespannung
Vo entspricht. Wenn der Schalter Sh geschlossen wird, findet auf
diese Weise wieder eine harte Umschaltung statt und es treten Schaltverluste
auf.
-
Die
gewünschte
Mode, worin der Energiewandler aktiv ist, ist die Mode entsprechend
3a, worin
der Strom Iind induktiv ist und Schaltverluste minimal sind. Für eine befriedigende
Wirkung muss die Nicht-Überlappungszeit
(t0–t1)
und (t2–t3)
ausreichend lang gewählt
werden um eine harte Umschaltung als Ergebnis der endlichen Anstiegszeit
und Abklingzeit der Spannung Vhb zu vermeiden. Im Wesentlichen,
wie in
3a dargestellt, nimmt die Spannung
Vhb zwischen t0 und t1 schnell zu, aber in diesem Fall dauert es
etwa
Sekunden, bevor Vhb den maximalen
Wert erreicht hat. Andererseits gibt es auch ein Maximum, durch das
die Nicht-Überlappungszeit
begrenzt wird, weil der andere Schalter Sl geschlossen sein muss,
bevor der Strom Iind die Richtung wieder umkehrt. Sollte dies nicht
der Dal1 sein, so findet auch hier eine harte Umschaltung statt.
-
Bei
bestehenden Systemen gibt es zwei Möglichkeiten um die Überlappungszeit
zu bestimmen. Erstens wird eine feste Nicht-Überlappungszeit verwendet.
Dies ist ein einfaches Verfahren, wobei der gegenüber liegende
Schalter geschlossen wird, nachdem eine feste Verzögerungszeit
vergangen ist und nachdem der leitende Schalter geöffnet wurde. Es
ist aber auch bekannt, die Nicht-Überlappungszeit auf eine einstellbare
Art und Weise zu implementieren. Der Ausschaltzeitpunkt des Schalters
Sl wird durch den Zeitpunkt bestimmt, wo der Strom durch die Kapazität Chb einen
kleinen positiven Wert überschreitet,
wenn der Wert des Stromes nach Null geht. Dieser Positive Wert Idet
ist in 4b1 dargestellt. In 4b1 arbeitet der Energiewandler in der induktiven
Mode, entsprechend 3a. Zu dem Zeitpunkt t0 wird
der Schalter Sl in dieser Ausführungsform
geöffnet.
Der Schalter Sh war bereits geöffnet
worden. Zu dem Zeitpunkt t0 fängt
die Spannung Vhb zu anzusteigen an. Der Strom Ichb fängt an in
Richtung 0 abzunehmen, auch von dem Zeitpunkt t0 an. Wenn der Strom
Ichb zu dem Zeitpunkt t4 gleich Idet wird, wird der Zeitpunkt bestimmt,
der seinerseits den Zeitpunkt triggert, wo die Nicht-Überlappungszeit enden kann,
d.h. wenn der Schalter Sh geschlossen werden kann. (Bei einer negativen
Neigung von Vhb werden alle Polaritäten umgekehrt und der Zeitpunkt,
wo der Schalter Sl geschlossen werden kann, wird auf dieselbe Art
und Weise bestimmt.) Es wird oft eine Vergleichsschaltung verwendet
um den Zeitpunkt zu bestimmen, wo Ichb dem Wert Idet entspricht.
Aber diese Vergleichsschaltung hat eine Reaktionszeit, was dazu
führt,
dass der genannte andere Schalter Sh einige zeit nach dem Zeitpunkt
t4 geschlossen wird, in diesem Beispiel zu dem Zeitpunkt t1. Aber
die Verzögerung
kann so groß sein,
dass die Stromrichtung von Ichb inzwischen umgekehrt ist. Dies bedeutet, dass
die Spannung Vhb bereits abzunehmen anfängt, so dass eine wesentliche
Spannung an dem Schalter Sh vorhanden ist, wenn dieser Schalter
geschlossen wird. Danach tritt wieder eine harte Umschaltung auf.
Dies ist in 4b2 dargestellt.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung wird das Problem dadurch verringert,
dass die Steueranordnung Cnt vorgesehen wird um einen erreichten
Maximalwert einer bestimmten Größe, in diesem
Beispiel den Maximalwert des Stromes Ichb, zu ermitteln, wobei im
Wesentlichen ein Schwellenwert auf Basis dieses ermittelten Maximalwertes
bestimmt wird. Insbesondere wird in dieser Ausführungsform der Schwellenwert
derart gewählt,
dass dieser dem Faktor K mal dem Maximalwert Ichb gleich ist, wobei
K einen Wert zwischen 0 und 1 hat. Die Steueranordnung wird dann
mit Mitteln zum Vergleichen eines Wertes einer Größe, die
sich auf die Änderung
der Spannung je Zeiteinheit an dem Knotenpunkt K bezieht oder dieser Änderung
entspricht einerseits, (in dem vorliegenden Beispiel dem Strom Ichb
oder dVhb/dt) mit dem Schwellenwert andererseits, zum Ermitteln
der Schaltzeitpunkte. In dieser Ausführungsform werden wenigstens
die Schaltzeitpunkte, wenn die Schalter Sh und Sl geschlossen werden,
auf diese Weise bestimmt. Der Zeitpunkt, wo die Schalter geöffnet werden,
kann auf bekannte Art und Weise bestimmt werden.
-
Dazu
ist die Steueranordnung mit einem Spitzenstromdetektor P1 versehen,
der über
eine Kapazität
Cs mit dem Knotenpunkt K verbunden ist. Der Ausgang des Spit zendetektors
P1 ist über
zwei reihengeschaltete Multiplizierer M1 und M2 mit einer Vergleichsschaltung
Comp1 verbunden. Weiterhin ist die Vergleichsschaltung Comp1 über einen
Multiplizierer M3 und über
die Kapazität
Cs mit dem Knotenpunkt K verbunden. Der Ausgang der Vergleichsschaltung
Comp1 ist mit einem Prozessor P2 verbunden, wobei dieser Prozessor
P2 über
die Leitung l2 mit dem Schalter Sh und über die Leitung l3 mit dem Schalter
Sl verbunden ist.
-
Es
gilt, dass der Strom Ics dem Wert Cs × dVhb/dt entspricht. Weiterhin
kann auf einfache Weise ermittelt werden, dass während der Periode, wenn Vhb ändert (die
Perioden zwischen t0 und t4 und t2 und t3), gilt, dass
-
-
Die
Steueranordnung Cnt arbeitet wie folgt.
-
Der
Spitzendetektor P1 bestimmt den maximalen Wert des Stromes Ics.
Der maximale Wert des Stromes Ics ist ebenfalls ein Maß des maximalen Wertes
des Stromes Iind. Dieser maximale Wert ist auch ein Maß der maximalen
Neigung von Vhb (Vhb/dt max). Dies bedeutet, dass es ein Maß einer Größe ist,
die sich auf einen maximalen Wert der Änderung der Spannung je Zeiteinheit
an dem Knotenpunkt K zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter
bezieht. Die Größe, die
sich auf den Wert der Änderung
der Spannung Vhb je Zeiteinheit bezieht ist folglich der Strom Ics
in dieser Ausführungsform.
Der Spitzendetektor bestimmt den maximalen Wert dieses Stromes Ics.
Dieser Wert Ics max wird von dem Multiplizierer M1 mit einem Wert
K multipliziert, wobei K einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann.
Der Multiplizierer M2 multipliziert das Ausgangssignal des Multiplizierers
M1 mit einem Faktor C. In diesem Beispiel ist dieser Faktor C als
1 gewählt worden.
Der Wert K × Ics
max funktioniert als ein Schwellenwert in diesem Beispiel. Der Multiplizierer M3
multipliziert die Werte von Ics auch mit einem Faktor C. In diesem
Beispiel ist der Faktor C gleich 1 gewählt worden, wie oben erwähnt, so
dass die Vergleichsschaltung den Wert von Ics mit dem oben genannten
Schwellenwert vergleicht.
-
In
der induktiven Mode wird der Strom Iind nicht gleich 0 in dem Zeitintervall,
in dem Vhb ändert, d.h.
in dem Zeitintervall t0–t4
und in dem Zeitintervall t2–t3.
Am Ende der Neigung dVhb/dt beispielsweise zu dem Zeitpunkt t4 (bis
zum Zeitpunkt t0) wird der Strom Ics auf 0 abnehmen (und dies gilt
auch für
den Strom Ichb) und wird Iind daraufhin durch die Diode d1 fließen, mit
dem Ergebnis, dass dVhb/dt gleich 0 wird. Dies ist in 6a dargestellt.
Zu dem Zeitpunkt t6, wenn Ics auf 0 abnimmt und den Schwellenwert
K × Ics
max überschreitet,
wird die Vergleichsschaltung Comp1 in Reaktion darauf den Prozessor
P2 steuern. In Reaktion darauf wird der Prozessor P2 den Schalter
Sh über
die Leitung I2 schließen.
Dies geschieht zu dem Zeitpunkt t1, der gegenüber dem Zeitpunkt t6 etwas
verzögert
ist. Diese Verzögerungszeit ΔT = t6 – t1 ist
nicht kritisch, solange der Strom Iind noch nicht gleich 0 ist.
Da eine Verzögerungszeit ΔT nun notwendig
ist, ist es nicht länger
ein Nachteil, dass die Vergleichsschaltung Comp1 selber auch eine Verzögerungszeit ΔT verursacht.
Diese Verzögerungszeit
kann in die Verzögerungszeit ΔT einverleibt sein.
Nach der vorliegenden Erfindung wird dadurch gewährleistet, dass der Zeitpunkt
t6 vor dem Zeitpunkt t4 auftritt, wenn die Neigung von Vhb gleich
0 wird. In wieweit der Zeitpunkt t6 zu einem früheren Zeitpunkt als der Zeitpunkt
t4 auftritt, kann durch Einstellung des Faktors K bestimmt werden.
Wenn der Faktor K kleiner wird, wird t6 zu einem späteren Zeitpunkt
auftreten (und folglich auch t1) und wenn K größer wird, wird t6 zu einem
früheren
Zeitpunkt auftreten (und folglich auch t1), wenn vorausgesetzt wird, dass ΔT als einen
festen Wert gewählt
worden ist. Nach einer praktischen Abwandlung wird die Verzögerung der
Vergleichsschaltung Comp1 selber als einen Wert für ΔT genommen.
Der Prozessor P2 hat dann keinen Einfluss auf ΔT. Der Prozessor P2 kann selbstverständlich auch
derart vorgesehen werden, dass ΔT
die Summe der inhärenten
Verzögerung ΔT der Vergleichsschaltung
Comp1 plus einer eingestellten Verzögerung des Prozessors P2 ist.
-
Wenn
der Energiewandler in der nahezu kapazitiven Mode arbeitet, hat
die Steueranordnung aus 5 einen anderen großen Vorteil.
Dies wird anhand der 6b beschrieben. In der nahezu
kapazitiven Mode wird der Strom Iind währen der Periode t0–t4, worin
Vhb eine Neigung hat, abnehmen. Der Zeitpunkt t6, wenn Ics gleich
dem Schwellenwert K × Ics
max geworden ist, ist vor dem Zeitpunkt t4. Dieser Zeitpunkt t6
wird durch den Faktor K bestimmt. Wenn K größer wird, wird t6 zu einem
früheren
Zeitpunkt auftreten. Wenn K abnimmt, wird t6 zu einem späteren Zeitpunkt
auftreten. Der Faktor K kann nun derart gewählt werden, dass er derart
ist, dass der Schaltzeitpunkt t1 (für den gilt, dass t1 = t6 + ΔT) mit dem Zeitpunkt
t4 zusammenfällt.
Mit anderen Worten, der Faktor K kann derart gewählt werden, dass t1 = t4 ist. Dies
bedeutet, dass in diesem Beispiel der Schalter Sh geschlossen wird
zu dem Zeitpunkt, wo die Spannung Vhb maximal ist. Dies bedeutet,
dass der Schalter Sh geschlossen wird zu dem Zeitpunkt, wo die Spannung
an diesem Schalter minimal ist. Mit anderen Worten, der Schalter
Sh wird geschlossen zu dem Zeitpunkt, wo der Strom Ics gleich 0
ist. Die Schaltverluste werden dadurch minimiert. Es wird auf eine
völlig
gleiche Weise gewährleistet,
dass der Schalter Sl zu einem Zeitpunkt t3 geschlossen wird, zu
dem die Spannung Vhb wieder einen extremen Wert erreicht. Zu diesem
Zeitpunkt gilt wieder, dass der Strom Ics und Iind gleich 0 ist
und dass eine minimale Spannung an dem Schalter Sl vorhanden ist, weil
die Spannung an dem Knotenpunkt K einen extremen Wert erreicht hat,
der möglichst
nahe bei der Spannung liegt, die von der Spannungsquelle Vs zu dem
Schalter Sl geliefert wird (in dem vorliegenden Beispiel ist dieser
Spannungspegel gleich Erde). Alle Spannungen, Ströme und Schwellenwerte
werden in Bezug auf die oben beschriebene Situation zur Bestimmung
des Zeitpunktes, wo der Schalter Sh geschlossen wird, umgekehrt.
Die Zeitpunkte, wo die Schalter Sh und Sl geöffnet werden, werden auf bekannte
Art und Weise durch den Prozessor P2 bestimmt.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt. So
kann beispielsweise der Faktor C Werte annehmen, die von 1 abweichen.
Insbesondere wird der Faktor C gleich 1/K gewählt. In dem Fall wird der maximale
Wert von Ics als Schwellenwert gewählt und dieser Schwellenwert
wird mit einer Größe verglichen,
die Ics/K entspricht. Die vorliegende Erfindung ist anhand einer
Halbbrücke
beschrieben worden. Die Schaltzeitpunkte können aber auf eine völlig gleiche
Weise für
eine Vollbrückenschaltung
mit vier Schaltern bestimmt werden. In dem Fall sind die Schalter
paarweise einander gleich. Es ist in diesem Fall auch denkbar, dass
der Spitzendetektor P1 und der Multiplizierer M3 mit dem Knotenpunkt
K verbunden sind, je mit einem einzelnen Kondensator Cs bzw. Cs'. Derartige Abwandlungen
werden als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
-
Text in der
Zeichnung
-
3a
-
- LS-Diode
- Induktiv
- HS-Diode
- Induktive Mode
-
3b
-
- LS-Diode
- Induktiv
- HS-Diode
- Induktive Mode
- Harte Schaltung
-
3c
-
- LS-Diode
- Kapazitiv
- HS-Diode
- kapazitive Mode
- Harte Schaltung
-
4b
-
-
5
-
- Spitzendetektor
- In der Stromdomäne
- Vergleichsschaltung
-
6a
-
-
6b
-
