-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Leistungswandler, insbesondere Leistungsfaktorregler
oder kontinuierliche Modus-Spannungserhöhungsvorregler. Die Anwendungen
solcher Geräteeinheiten
umfassen Stromversorgungen für
PABXs, Basisstationen, Server, Schweißvorrichtungen, industrielles Drucken,
industrielles Photokopieren und allgemeine industrielle Einrichtungen,
UPS-Leistungsfaktorkorrektur und Batterieladegeräte.
-
Solche
Einheiten kombinieren im allgemeinen einen Transformator mit einem
elektronischen Steuerstromkreis und elektronischen Leistungskomponenten.
Der Kern solcher Einheiten ist eine durch einen Steuer- und Schaltkreis
geregelte "Spannungserhöhungs"-Induktionsspule,
um eine Eingabe-Gleichstromspannung auf eine höhere Ausgabe-Gleichstromspannung
zu erhöhen,
wobei die Eingabe-Gleichstromspannung üblicherweise durch einen Gleichrichter
aus einer Wechselstromquelle erzeugt wird.
-
Beim
Ausgestalten solcher Geräteeinheiten ist
es wünschenswert,
die Zahl der Komponenten, die erforderlich sind, um eine aktive
Leistungsfaktorkorrektur in einer Wechselstrom(AC)/Gleichstrom(DC)- oder
einer Wechselstrom(AC)/Wechselstrom(AC)-geschalteten Modus-Stromversorgung
zu erzielen, zu minimieren. Es ist außerdem wünschenswert, die Emission von
und die Suszeptibilität gegenüber elektromagnetischer
Strahlung zu minimieren.
-
Eine
weitere Überlegung
ist es, dass solche Einheiten oft von Herstellern von solchen Produkten, wie
sie vorstehend aufgelistet wurden, gekauft werden. Die Hersteller
der Geräteeinheiten
müssen
deshalb nicht nur ein einziges Muster, sondern eine Kollektion von
Mustern mit insbesondere verschiedenen Energieniveaus bereitstellen.
-
Das
Dokument
JP 11238410
A des Standes der Technik beschreibt eine Leistungswandlereinheit, die
eine Leiterplatte, einen auf einer Seite der Platte montierten Transformator,
wobei der Transformator mit seiner Öffnung senkrecht zur Platte
montiert ist, und einen auf der anderen Seite der Platte montierten
Steuerstromkreis umfasst.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Leistungsfaktorregelereinheit,
wie im Anspruch 1 definiert, bereit. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
-
Komponenten,
die eine übermäßige elektromagnetische
Interferenz bilden würden
(z. B. Halbleiter), sind vorzugsweise ausgeschlossen.
-
Die
vorliegende Ausführung
stellt somit einen Modul oder Baustein bereit, der eine konstante Anschlussfläche beibehält, wenn
das Leistungsniveau steigt; nur die Höhe des Moduls verändert sich, wenn
die Leistung erhöht
wird. Wenn ein PSU-Konstrukteur es wünscht, den Modul in höheren Stromversorgungen
zu verwenden, dann ist die einzige Dimension des Moduls, die sich ändern wird,
seine Höhe.
Der Modul weist eine fixierte Anschlussfläche auf, die Konstrukteure
an alle ihre verschiedenen Stromversorgungseinrichtungen "anschließen" können, und
verleihen ihnen Flexibilität,
um dann die optimale Lokalisierung dieser anderen Komponenten beim endgültigen Ausgestalten
ihres Musters auszuwählen.
-
Obwohl
der Steuerstromkreis Komponenten ausschließt, die eine Größenveränderung
für verschiedene
Leistungshöhen
erfordern, gibt es einige wenige andere Beschränkungen. Vorzugsweise stellt er
deshalb auch eine Vielzahl zusätzlicher
Funktionen bereit, einschließlich
der folgenden Merkmale:
eine synchronisierende Eingabe, um
die Synchronisation an einen externen Schaltkreis zu ermöglichen;
eine
Inhibierungs/Abschalt-Eingabe, um extern angeschlossenen Schaltungen
das Abschalten des Moduls zu ermöglichen;
eine
Spannungseinstell-Eingabe zum Umgehen der internen Schaltungen bei
der Steuerung der Ausgangsspannung;
eine Gleichstrom-Hilfszufuhr
zum Aufstarten angeschlossener Schaltungen.
-
Diese
zusätzlichen
Funktionen, wie z. B. Sync und Vaux, vereinfachen das Verfahren
des Einbaus der vorliegenden Geräteeinheit
in existierende Nicht-Leistungsfaktor-regulierte Stromversorgungen.
-
Der
Modul kann an eine externe Induktionsspule gekoppelt sein, die über Leistung
ein/Leistung aus verbunden ist, um Ausgangsleistung zu erhöhen, einen
externen Brückengleichrichter,
der mit der Eingangsleistung verbunden ist, um es der Geräteeinheit
zu ermöglichen,
eine Wechselstromspannung zu akzeptieren, und an eine externe Totempfahl-Transistor-Konfiguration
gekoppelt sein, um größere Mofets
anzutreiben. Es ist leicht, die vorliegende Einheit in größere Systeme
einzubauen, und das Zugeben einiger externer Komponenten ergibt
ein vollständig funktionelles
Leistungsfaktor-korrigiertes vorderes Ende.
-
Vorzugsweise
trägt ein
wesentlicher Teil der Transformatorseite der Platte einen Schirmleiter,
um die Wirkung einer durch den Transformator emittierten elektromagnetischen
Strahlung abzuschwächen.
-
Zusätzlich zu
einer Abschirmung, die auf dem PCB zwischen dem Transformator und
dem Steuerstromkreis vorgesehen sein kann, ist es wünschenswert,
den Transformator so auszugestalten, um seine inhärente Emission
ausgestrahlter elektromagnetischer Interferenz zu minimieren.
-
Gemäß einem
anderen erfindungsgemäßen Aspekt
wird ein Transformator für
eine Leistungswandlereinheit bereitgestellt, in dem die Verbindungen
zwischen den elektrischen Wicklungen solche sind, dass die Hochfrequenz/Hochspannungswicklung(en)
innerhalb der Niederfrequenz/Niederspannungswicklung(en) liegen.
Die Wirkung davon ist es, dass die äußeren Wicklungen als Faraday-Abschirmung
für eine
elektromagnetische Interferenz wirken.
-
Vorzugsweise
sind die Wicklungen in Reihe geschaltet. Vorzugsweise wird auch
das durch die Induktionsspule erzeugte externe elektrische Feld durch
Verbinden der innerseitigen Wicklung (die Hochspannungs-/Hochfrequenzwicklung)
mit dem Drain-Anschluss des Spannungserhöhungs-Mosfet der umgebenden
Schaltungen reduziert.
-
Es
wird nun mittels eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
eine Stromversorgungseinheit, die die Erfindung verkörpert, beschrieben,
wobei in den Zeichnungen bedeuten:
-
1 ein
Stromkreisdiagramm eines typischen Leistungsstufen-Stromkreises;
-
2 ein
Stromdiagramm des Steuerstromkreises;
-
3A und 3B zeigen
die Leiterplatte (PCB);
-
4 eine
rohe perspektivische Ansicht der Einheit; und
-
5 ein
Diagramm der Transformatorwicklungen.
-
Die
vorliegende Einheit ist ein Leistungsfaktorregler mit integrierter
Spannungserhöhungs-Drossel
(Transformator). Ein Kombinieren dieser Komponente mit einem externen
Brückengleichrichter,
Mosfet, Diode, Elektrolytkondensator und Stromsinn-Widerstand ergibt
eine Stromversorgung, bei der eine AC-Eingabe (90 bis 270 V AC)
und eine DC-Ausgabe (385 bis 405 V DC) erhältlich ist. Diese Stromversorgung
zeigt einen Leistungsfaktor von nahe 1, d. h., Eingabespannung und
Strom werden in Phase und sinusoidal sein. 1 zeigt einen
typischen Leistungsstufenstromkreis, in dem die vorliegende Steuereinheit
verwendet werden kann. Dieser Leistungsstufenstromkreis umfasst
eine Brücke
BR, eine Einschalt-Diode D101, eine Diode D102, einen Schalttransistor
Q101, einen Stromsinn-Widerstand R101 und einen Kondensator C101.
Dieser Stromkreis bildet zusammen mit dem in 2 dargestellten
Stromkreis 100 eine AC-zu-DC-Stromversorgung, in der der Leistungsfaktor
fast eins ist, d. h., Vac und Iac sind in Phase und sinusoidal.
Der Stromkreis 100 vergleicht die Spannungen bei +Vsense,
Isense und Vin, und regelt Q101 so, dass der in die Stromversorgung
Iac eingeführte
Strom ein mit Vac in Phase befindlicher sinusoidaler Wechselstrom
ist. Vaux wird bereitgestellt, um, wenn gewünscht, einen externen Gleichstrom(DC)-Stromkreis
zu versorgen. Ena wird bereitgestellt, um ein Ausschalten/Einschalten
des Stromkreises aus einer entfernten Position zu ermöglichen.
Sync wird bereitgestellt, um es zu ermöglichen, dass die Schaltrate
von Q101 mit einer externen Frequenz synchronisiert werden kann.
-
Die
Struktur des Moduls umfasst einen C-Kern-Transformator an der Oberseite
einer Leiterplatte. Der Modul schließt spezifische Komponenten aus,
die eine Änderung
der Anschlussfläche
(Länge und
Breite) erfordern würden,
wenn das Leistungsniveau erhöht
wird. 4 zeigt die allgemeine Struktur der Einheit in
vereinfachter Form. Ein Transformator 10 ist an der Oberseite
einer PCB 11 montiert, die einen Steuerstromkreis 12 (in
der Zeichnung nicht sichtbar) aufweist, die an ihrer anderen Seite
montiert ist. Der Transformator weist zwei Spulen 13 und 14 auf,
die seine Wicklungen tragen, und einen Kern 15, der aus
zwei C-förmigen Elementen
ausgebildet ist. Die Öffnung
durch den Kern beträgt
12 × 42
mm, und die Dicke des Kernmaterials beträgt 12 mm. Die Öffnung ist
senkrecht zur Platte 10 orientiert, und die Höhe des Kerns
beträgt,
abhängig
von der Nennleistung der Einheit (zwischen 1 bis 3 kW), zwischen
8 und 20 mm. (Alle Dimensionen sind natürlich approximativ.)
-
3A zeigt
die Transformatorseite der PCB 11, und 3B zeigt
die Seite des Steuerstromkreises. Die Transformatoranschlüsse sind
an die zwei horizontalen Reihen 17 der nahe der oberen und
unteren Kanten der Platte befindlichen Anschlüsse angeschlossen. Die große dunkle
Fläche 16 auf der
Transformatorseite der Platte bedeckt einen wesentlichen Teil der
Platte und bildet einen Schirm zwischen dem Transformator und dem
Stromkreis auf der anderen Seite der Platte. Im übrigen sind die Details des
Platten-Layouts weitgehend konventionell.
-
Der
vorliegende Transformatorkern ist so ausgestaltet, um das Oberflächen/Volumen-Verhältnis zu
maximieren. Das Volumen des Transformatorkerns bildet Verluste,
die wieder verursachen, dass die Temperatur des Kerns ansteigt (die
Temperaturerhöhung
ist proportional zu den gebildeten Verlusten, dividiert durch die
Oberfläche).
Durch Maximieren des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses kann
so ein geringerer Temperaturanstieg erreicht werden. Das zu lösende Problem
ist es, die Menge der Leistung, die vom Transformator erhalten werden kann
(die durch die Oberfläche
des Transformatorkerns beschränkt
ist), zu erhöhen.
Dies wird erreicht, indem man einen flacheren Transformator ausbildet, wodurch
die Fläche
für ein
gegebenes Gewicht und Volumen des Transformatorkerns erhöht wird.
Der vorliegende Transformator erreicht mit einem Kern von 110 g
im Vergleich zu dem von anderen Versorgungen verwendeten 150 g Eisen
einen Leistungsdurchsatz von 1500 W. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer
Komponenten, die auf eine Anschlussfläche passen, die die gleiche
Länge und Breite
der Kerndimensionen aufweist. Die vorliegende Wicklungsanordnung
reduziert durch die Länge des
um den Eisenkern gewickelten Kupferdrahts auch Verluste.
-
Der
Transformator besteht aus in Serie geschalteten Wicklungen. Ein
Ende der Transformatorwicklungen ist mit der 50/60 Hz-gleichgerichteten AC-Spannung
(Peak-Wert der Spannung = 400 V) verbunden; das andere Ende der
Wicklung ist extern mit dem Drain eines Mosfets verbunden, der mit
einer Frequenz von 45 bis 50 kHz ein- und ausgeschaltet wird. Die
Spannung dieses Transformatorwicklungsendes ändert sich sehr rasch zwischen
+400 und 0 V. Diese Kombination von hoher Spannung und hoher Frequenz
bildet ein elektromagnetisches Feld aus. Um dies zu minimieren,
sind die Transformatorwicklungen in Schichten gewickelt, die das
Hochspannungs-/Hochfrequenz-Ende als innerste Schicht halten, wodurch
die Niederspannung/Niederfrequenz-Wicklung als Faraday-Abschirmung
wirkt, um das ausgestrahlte elektromagnetische Feld zu verringern.
-
5 ist
ein Diagramm der Transformatorwicklungen. Diese liegen in Form von
zwei identischen Spulen 13 und 14 vor, von denen
jede fünf Wicklungen
enthält.
In jeder Spule sind jedoch zwei Wicklungspaare parallel verbunden,
wodurch nur drei Wicklungen pro Spule effektiv sind 20, 21 und 22 für Spule 13 und 20A, 21A und 22A für Spule 14.
In Spule 13 ist die Wicklung 22 die äußerste,
die Wicklung 21 die mittlere und die Wicklung 20 die
innerste, in Spule 14 ist die Wicklung 22A die äußerste,
die Wicklung 21A die mittlere und die Wicklung 20A die innerste.
Ferner sind die Wicklungen 21A, 21, 20 und 20A in
Reihe geschaltet, wie dies durch die Spuren 23 auf der
PCB dargestellt ist. Die Wicklung 21A ist mit dem Vin-Signal
verbunden, und die Wicklung 20A mit dem Vout-Signal. Das
Vout-Signal, das mit hoher Spannung und hoher Frequenz ist, wird
zu den innersten Wicklungen 20A und 20 geführt, die
durch die mittleren Wicklungen 21A und 21 abgeschirmt sind.
Die Wicklungen 22 und 22A bewirken ebenfalls eine
Abschirmfunktion und werden von dem in 2 dargestellten
Steuerstromkreis verwendet.
-
Die
vorliegende Geräteeinheit
weist die folgende unikale Kombination von funktionellen Verbindungen
auf:
Strom/Leistung Ein (VIN)
Strom/Leistung
Aus (VOUT)
Spannungssinn Ein (+VSENSE)
Spannungssinn Aus (–VSENSE)
Stromsinn (ISENSE)
Gateantrieb
Ein (+GTDRV)
Gateantrieb Aus (–GTDRV)
Gleichstrom-Hilfszufuhr (VAUX)
Hochfrequenz-Synchronisationsverbindung
(SYNC)
Inhibieren/Abschalten (ENA)
Vout-Einstellung (VADJ)
-
2 zeigt
den Steuerstromkreis 101. Dieser besteht aus einem Anfahr-Stromkreis,
Gleichstromspannung-Hilfsstromkreis,
Vac-Sinn-Stromkreis, Vdc-Sinn-Stromkreis, Iac-Sinn-Stromkreis, Mosfet-Antriebsstromkreis,
Bereitstell-Stromkreis und Sync-Stromkreis. Diese Funktionen können alle durch
den Stromkreis, der Längen-
und Breiten-unabhängig
ist, d. h., dessen Dimensionen nicht vom Leistungsniveau der Einheit
abhängig
sind, durchgeführt
werden.
-
Der
Anfahr-Stromkreis ist ein Durchflußtransistor-Stromkreis, der
R20, R22, R23, Q1, D5, C16, Q2 und R21 umfasst. Wenn eine in voller
Welle gleichgerichtete Spannung an den Knoten von R20 und R22 angelegt
wird, schaltet sich Q1 ein, D5 leitet und C16 lädt. Wenn C16 über die
zum Starten des integrierten Stromkreises U1 erforderliche Schwellenspannung
lädt, wird
U1 +Vsense, –Vsense,
CS und Vrms vergleichen und wird den Antriebsstromkreis für die externen
Mosfet-Gate-Antriebssignale Gtdrv+ und Gtdrv– starten. Sobald Mosfet Q101
einzuschalten und auszuschalten beginnt, wird Hochfrequenz-Wechselstrom
in die Primärspule
des Transformators fließen.
Dieser primäre
Wechselstrom wird eine Spannung über
die zweite Spule des Transformators (UN, LIA) induzieren. Sobald
der externe Mosfet zu schalten beginnt, wird der Anfahr-Stromkreis überflüssig. Die
Einheit wird durch die zwei Quellen Vstartup und VAUX versorgt,
die durch die Dioden D4 und D3 logisch ORed-geschaltet werden.
-
Die
Hilfsantrieb-Stromkreiskomponenten sind D1, D2, C7, C2, ZD2, R29,
Q3, C1, C3 und C6. Sie erzeugen eine Gleichstrom(DC)spannung, die etwa
gleich ist der Zener-Spannung von ZD2 am Emitter von Q3. Wenn diese
Spannung die Nennspannung von ZD1 übersteigt, schaltet sich Q2
an und verursacht, dass sich Q1 abschaltet, wodurch eine Belastung
an die Komponenten R23, R22, R20 und Q1 eliminiert wird.
-
Die
Höhe der
gleichgerichteten Leitungsspannung wird unter Verwendung von U1,
R17, R18, C15, R15, R13 und C12 gemessen. Die Gleichstrom(DC)-Ausgabespannung
wird über
einen aus R9, R8, R19, R24 und R25 bestehenden Spannungsteiler abgefühlt und
mit einer internen Bezugsspannung innerhalb von U1 mittels eines
innerhalb von U1 befindlichen Spannungsmessverstärkers verglichen. Die Amplituden-
und Frequenzzunahme des Spannungsmessverstärkers wird durch R16 und C14
festgesetzt. Die gewünschte
Eingabestrom-Wellenform wird von der Eingabespannung durch R12,
R10, R21 und U1 (Pin 6) gemessen. Die Eingabespannung wird wie oben
angegeben gemessen und in U1 intern umgeformt. Die Gleichstrom(DC)-Ausgabespannung,
der gewünschte
Eingabestrom und die Wechselstrom(AC)-Eingabespannung werden verglichen, und
der interne Stromkreis innerhalb von U1 entscheidet über die
Pulsbreitenmodulation des Mosfet Q101. Diese Pulsbreitenmodulationssequenz
zwingt den Strom durch die Primärspule
des Transformators, um eine vollständig Wellen-gleichgerichtete
Sinuswelle in Phase mit der vollständig Wellen-gleichgerichteten Eingabespannung zu
sein.
-
Die
vorliegende Ausgestaltung ist eine kompakte Lösung, die eine hohe Leistungsdichte
(> 0,3 W mm2), eine hohe Effizienz (> 96%) einen hohen Leistungsfaktor (> 99%), eine niedrige
harmonische Verzerrung (< 5%),
gute Leitungs- und Belastungsregulierung (beide < 5%) und geringe EMI bereitstellt. Zusätzlich stellt
sie eine Wechselstrom-Hilfsspannung, eine Spannung zum Antrieb eines
stromabwärtigen
Wandlers, einen Sync-Pin zur Verringerung von Überlagerungsfrequenzen und
einen umfassenden Bereich von Leistungshöhen bereit und entspricht den
zutreffenden Standards. Messungen an einer mit einer Einschaltfrequenz
von ca. 50 kHz und einer Leistungshöhe von etwas über 1 kW
betriebenen Einheit mit einer Eingabespannung von 180 V und einer Ausgabespannung
von 375 V ergaben eine Effizienz von 97 bis 98%, eine Magnetkern temperatur
von weniger als 100°C
und eine Steuerplattentemperatur von ca. 70°C (bei einer Umgebungstemperatur
von 25°C).
Die Spalte zwischen den Kernen betrug 0,8 mm, was eine Induktanz
von 400 μH
bei 12,8 A ergibt.
-
Zusammenfassend
wird eine Leistungswandlereinheit bereitgestellt, die umfasst einen Transformator 10,
der an einer Seite einer PCB 11 montiert ist, wobei der
Steuerstromkreis sich auf der anderen Seite der PCB befindet. Der
Stromkreis schließt
irgendwelche Komponenten aus, die für verschiedene Nennleistungen
eine Größenveränderung erfordern,
oder die eine übermäßige Strahlung
emittieren oder dafür
empfindlich sind; solche Komponenten müssen der Einheit extern zugefügt werden. Der
Transformator ist mit seiner Öffnung
senkrecht zur PCB montiert, wodurch die Einheit unabhängig von
ihrem Leistungsniveau eine fixierte Anschlussfläche aufweist; nur ihre Höhe variiert
mit dem Leistungsniveau. Der Transformator ist mit Hochspannungs-/Hochfrequenz-Wicklungen
innerhalb der anderen Wicklungen versehen, die als Abschirmung gegenüber Strahlung
aus den ersteren Wicklungen wirken. Die PCB enthält auch eine Faraday-Abschirmung.
-
Es
ist verständlich,
dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen spezifischen Einzelheiten
beschränkt
ist, die nur beispielhaft angegeben werden, und es sind verschiedene
Modifikationen und Veränderungen
möglich,
ohne den Rahmen der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert
ist, zu verlassen.