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Die Erfindung betrifft Resonanz-Leistungswandler.
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Resonanz-Leistungswandler sind besonders für Anwendungen
geeignet, die eine Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte
benötigen. Eine hohe Leistungsdichte ist bei einem Resonanz-
Leistungswandler erzielbar, weil die Bauteile zur zyklischen
Energiespeicherung für eine gegebene Leistung bei sehr hohen
Frequenzen wesentlich kleiner sein können.
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Resonanz-Leistungswandler verwenden eine Reihenresonanz-
Reaktanzschaltung als Reaktanzteiler in Kombination mit
einem Lastnetzwerk. Die Ausgangslastspannung ist der
Umschaltfrequenz umgekehrt proportional. Die
Umschaltfrequenz liegt immer oberhalb eines minimalen
Schwellenwertes, so daß das Reihenresonanzwerk eine
induktive Impedanz hat. Wenn die Last abnimmt und die
Eingangsleitungsspannung einsteigt, so erhöht sich die
Betriebsfrequenz, um das Reaktanz-Teilungsverhältnis zu
erhöhen und eine Regelung der Ausgangsspannung
aufrechtzuerhalten. Wenn die Last weiter abnimmt, erhöht
sich die Frequenz auf einen Wert, bei dem hohen
Bauteilverluste zu einer beträchtlichen Verringerung des
Wirkungsgrades für den Wandler führen.
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Die Notwendigkeit, den Bereich der Frequenzänderungen zu
beschränken, begrenzt den brauchbaren Lastbereich, wenn der
Wirkungsgrad beibehalten werden soll. Diese Begrenzung des
brauchbaren Lastbereiches wird besonders schwerwiegend, wenn
die Lastanforderungen einen großen Bereich des
Ausgangsstroms verlangen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Resonanz-
Leistungswandler gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine
Frequenzmodulation gleichzeitig mit einer Modulation des
Tastverhältnisses kombiniert, um das für eine Regelung in
einem gegebenen Bereich der Ausgangslast erforderliche
Frequenzband schmaler zu machen. Diese beiden Regelvorgänge
werden gleichzeitig kombiniert und ein kombiniertes
Regelsignal wird der Leistungsschaltersteuerung zugeführt.
Für ein gegebenes Lastbereichsverhältnis RLmax/RLmin ist ein
kleinerer Frequenzvariationsbereich fmax/fmin erforderlich,
wenn eine Tastverhältnis-Modulation gleichzeitig mit einer
Frequenzmodulation kombiniert wird, und zwar im Vergleich
mit der Verwendung einer Frequenzmodulation allein.
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Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält die
Regelschaltung sowohl einen Tastverhältnis-Modulator als
auch einen Frequenzmodulator, die je auf ein Zählersignal
abhängig von der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des
Wandlers und einer Bezugsspannung ansprechen. Jeder
Modulator besitzt seine eigene Übertragungsfunktion. Eine
Funktion hat die Dimension kHz/Volt und die andere
Übertragungsfunktion die Dimension %Tastverhältnis/Volt. Das
Regelschaltungsausgangssignal, das bei dem
Ausführungsbeispiel dem Tastverhältnis-Modulator entnommen
wird, ist ein Rechteck-Impulssignal, das sowohl Elemente der
Frequenzmodulation als auch der Tastverhältnis-Modulation
enthält.
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Ein Beispiel für eine Schaltstromversorgung mit einer
Pulsbreiten- und einer Frequenzmodulation ist offenbart in
US-A-4 772 995.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Fig. 1 das Blockschaltbild eines Resonanz-Leistungswandlers
nach der Erfindung;
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Fig. 2 das Schaltbild der Leistungskette des Resonanz-
Leistungswandlers nach Fig. 1;
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Fig. 3 das Schaltbild der Regelschaltung für den Resonanz-
Leistungswandler nach Fig. 1;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung für die
Betriebskennlinien der Regelschaltung gemäß Fig. 3;
und
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Fig. 5 eine graphische Darstellung für die
Übertragungskennlinien der Inverter-
Begrenzungsschaltung gemäß Fig. 3.
Detaillierte Beschreibung
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Ein Resonanz-Leistungswandler nach der Erfindung ist in Fig.
1 dargestellt. Wechselstrom-Netzleistung liegt an
Eingangsanschlüssen 101 und 102 an. Ein Vollweggleichrichter
10 richtet die Eingangswechselspannung gleich und eine
nachfolgende Filterschaltung 20 verhindert die Übertragung
von Hochfrequenzsignal entweder in den oder aus dem Wandler.
Die Ausgangsgleichspannung der Filterschaltung 20 ist an
eine Leistungsschalteranordnung 30 angelegt. Diese ist mit
einer Reihenresonanzschaltung 40 verbunden, die im
wesentlichen allein eine reaktive Impedanz besitzt und so
abgestimmt ist, daß sie im Betriebsfrequenzbereich des
Wandlers induktiv ist. Ihre primäre Funktion besteht darin,
durch die Leistungsschalteranordnung 30 unterteilte Energie
mit einer einzigen Frequenz an einen Transformator 50 zu
übertragen. Das Ausgangssignal der Reihenresonanzschaltung
40 wird einem Transformator 50 zugeführt, um eine
galvanische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang
des Wandlers zu erhalten. Ein Gleichrichter 60, dem das
Ausgangssignal des Transformators 50 zugeführt wird, lädt
einen Energiespeicherkondensator 70 auf eine geregelte
Gleichspannung auf. Diese Gleichspannung wird über eine
Filterschaltung 80 dem Ausgangsanschluß 191 des Wandlers
zugeführt, an den eine zu speisende Last angeschaltet ist.
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Eine Regelschaltung für den Wandler enthält einen
Fehlerverstärker 90, der an den Ausgangsanschluß 191
angeschaltet ist, und ein Fehlersignal unter Ansprechen auf
eine Abweichung der Spannung am Ausgangsanschluß 191 vom
geregelten Wert erzeugt. Der Fehlerverstärker erzeugt eine
Fehlerspannung, die an eine Inverter-Begrenzerschaltung 100
angelegt wird. Die Inverter-Begrenzerschaltung 100 definiert
obere und untere Grenzen zur Herstellung von
Betriebsgrenzbedingungen für den Betrieb des
Frequenzmodulators 110 und des Tastverhältnis-Modulators
120, denen das Ausgangssignal der Inverter-
Begrenzerschaltung 100 gleichzeitig zugeführt wird.
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Der Frequenzmodulator 110 und der Tastverhältnis-Modulator
120 besitzen je eine besondere Übertragungsfunktion abhängig
von der angelegten Ausgangsfehlerspannung des
Fehlerverstärkers 90, die über die Inverter-
Begrenzerschaltung 100 zugeführt wird. Der Frequenzmodulator
110 spricht direkt auf die Ausgangsfehlerspannung der
Inverter-Begrenzerschaltung 100 an und erzeugt eine
Fehlerspannungs-Signalfrequenztransformation. Der
nachfolgende Tastverhältnis-Modulator 120 spricht ebenfalls
auf die Ausgangsfehlerspannung der Inverter-
Begrenzerschaltung an und gibt eine Fehlerspannung an die
Tastverhältnis-Transformation für das frequenzmodulierte
Ausgangssignal des Frequenzmodulators 110.
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Das kombinierte frequenzmodulierte und
tastverhältnismodulierte Steuersignal am Ausgang des Tastverhältnis-
Modulators 120 wird an eine Modulatorausgangsstufe 130
gegeben, die zwei tastverhältnis- und frequenzmodulierte
Ausgangsimpulsfolgen entgegengesetzter Phase auf den
Leitungen 141 und 142 an die Schaltertreibschaltung 140
liefert. Diese gibt die Treibsignale auf den Leitungen 144
und 145 ab, um den Leitungszustand der zwei abwechselnd
geschalteten Leistungsschalter in der
Leistungsschalteranordnung 30 zu steuern.
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Ein Schaltbild für die Leistungskette des Wandlers ist in
Fig. 2 gezeigt. Eine Wechselspannungsquelle ist mit einem
Vollweggleichrichter 10 über die Eingangsleitungen 201 und
202 verbunden. Dessen gleichgerichtete Ausgangsspannung wird
über eine Filterschaltung 20 der Leistungsschalteranordnung
30 zugeführt, die ein erstes und ein zweites MOSFET-
Leistungsschalterbauteile 231 und 232 enthält. Diese
Schalterbauteile liegen in einer Halbbrücke. Die
Brückenkondensatoren befinden sich in der
Schaltertreibanordnung 140. Das Ausgangssignal am Knoten 235
wird einer Reihenresonanzschaltung 40 mit einem Kondensator
241 und einer Spule 242 zugeführt. Die
Reihenresonanzschaltung 40 wird oberhalb der Resonanz
betrieben und erscheint daher leicht induktiv abhängig von
der Betriebsfrequenz im Betriebsfrequenzbereich des
Leistungswandlers. Die Reihenresonanzschaltung 40 überträgt
Leistung an die Primärwicklung 251 des Transformators 50 bei
einer einzigen Frequenz. Die Reihenresonanzschaltung 40
steuert außerdem die Entladung der parasitären Kapazitäten
der MOSFET-Leistungsschaltbauteile bei einem minimalen
Verlust in diesen Leistungsschaltbauteilen. Die
Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 2.52 des
Transformators 50 wird in einem Gleichrichter 60
gleichgerichtet und in einem Speicherkondensator 70
gespeichert. Der Leistungsfluß zu den Ausgangsanschlüssen
281 und 282 erfolgt über ein Ausgangs-Hochfrequenzfilter 80.
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Ein Treibsignal für die MOSFET-Leistungsschalterbauteile 231
und 232 wird von einer Treibschaltung 140 geliefert, die auf
über Leitungen 248 und 249 zugeführte H- und L-Treibsignale
anspricht. Die Quelle für diese Treibsignale ist die
Steuerschaltung gemäß Fig. 3. Ein Signal, das proportional
der Ausgangsspannung der Leistungskette auf den Leitungen
281 und 282 ist, wird dem Eingangsanschluß 301 und dem
Fehlerverstärker 90 zugeführt. Dieser enthält einen
Operationsverstärker 391 mit ausreichender
Schleifenverstärkung und Frequenzkompensation, um
sicherzustellen, daß die Regelschleife für den erwarteten
Bereich der Leitungs- und Lastzustände im Betrieb stabil
ist. Die Schleifenverstärkung und Bandbreite sind groß
genug, damit die Regelung schnell und genau auf
Leitungsstörspannungen und Laständerungen ansprechen kann.
Eine Bezugsspannung liegt am nichtinvertierenden Eingang 392
der Verstärkers 391 und eine der Ausgangsspannung
proportionale Spannung wird an den invertierenden Eingang
393 angelegt.
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Das Ausgangsfehlersignal des Fehlerverstärkers liegt am
invertierenden Eingang 303 eines Operationsverstärkers 302
im Inverter-Begrenzer 100. Dieser steuert den
Betriebsbereich des Wandlers und stellt eine optimale
Steuerung bei Betriebsbeginn des Leistungswandlers sicher.
Da die Bezugs spannung in typischer Weise einen Normalwert
erreicht, bevor die Ausgangsspannung des Wandlers einen Wert
im gewünschten Betriebsbereich erreicht, liegt der Ausgang
des Fehlerverstärkers zu Anfang auf einer sehr hohen
Spannung. Diese hohe Fehlerspannung würde zu einer Regelung
führen, die den Wandler zu Anfang bei der Betriebseinleitung
auf eine hohe Frequenz und ein sehr kleines Tastverhältnis
bringt, wodurch die Erzielung einer geregelten
Ausgangsspannung verzögert wird. Für die Betriebseinleitung
ist die beste Kombination eine niedrige Wandlerfrequenz
dicht oberhalb des Resonanzfrequenz der
Reihenresonanzschaltung bei einem Tastverhältnis von 50%.
Diese Kombination gibt die Möglichkeit, daß der Wandler sehr
schnell einen Betriebsleitungs- und Lastbereich erreicht.
Die Inverter-Begrenzerschaltung 100 stellt diese erwünschte
Betriebsbedingung dadurch sicher, daß das Ausgangssignal des
Vertärkers 90 invertiert wird, und demgemäß bei der
Betriebseinleitung des Leistungswandlers eine niedrige
Frequenz und ein hohes Tastverhältnis erzielt wird.
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Der Einfluß der Inverter- Begrenzerschaltung 100 wird
leichter unter Bezugnahme auf das Diagramm in Fig. 4
verständlich. Die horizontale Linie 401 stellt die an den
Fehlerverstärker 90 angelegte Bezugsspannung dar. Die
horizontale Linie 402 stellt die durch den Widerstand 404
verringerte Bezugsspannung dar, die an den
nichtinvertierenden Eingang 304 des Operationsverstärkers
302 angelegt ist. Die Linie 405 definiert eine hohe
Ausgangsfehlerspannung des Fehlerverstärkers auf der
vertikalen Achse 402 gleich einer Modulationssteuerspannung,
die eine minimale Betriebsfrequenz auf der vertikalen Achse
411 erzeugt. Die Linie 406 stellt eine noch kleinere
Fehlerspannung bei der gleichen minimalen Betriebsfrequenz
dar. Innerhalb des durch die Schnittpunkte der Linien 405
und 406 mit der Fehlerspannungsachse 410 definierten
Fehlerspannungsbereiches arbeitet der Operationsverstärker
305 als Rückkopplungsverstärker, der den an den
nichtinvertierenden Eingang 304 des Operationsverstärkers
302 angelegten Spannungspegel erhöht und den Ausgang des
Operationsverstärkers auf einen festen Wert genügend hoch
hält, um wenigstens eine minimale Betriebsfrequenz des
Wandlers und ein Betriebstastverhältnis von 50%
sicherzustellen. Unterhalb der Fehlerspannung, bei der die
Linie 406 die Fehlerspannungsachse 410 schneidet,
verschwindet die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
305 und dessen Rückkopplungswirkung wird beendet. Jede
weitere Abnahme der Fehlerspannung wird durch eine
entsprechende Anderung der durch den Inverter-Begrenzer 100
an den Frequenzmodulator 110 und den Tastverhältnis-
Modulator 120 angelegten Spannung. Die Verbindungslinie 407
zeigt, wie eine niedrige Fehlerspannung zu einer maximalen
Betriebsfrequenz des Wandlers führt.
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Die Arbeitsweise des Inverter-Begrenzers 100 läßt sich
leicht unter Bezugnahme auf die graphische Darstellung in
Fig. 5 verstehen, die dessen Übertragungsfunktion definiert.
Bei hohen Fehlereingangsspannungen ist die Ausgangsspannung
im wesentlichen konstant mit einem Spannungspegel 501. Wenn
die Eingangsfehlerspannung auf einen Schwellenwert 502
abnimmt, steigt die Ausgangsspannung des Inverter-Begrenzers
100 linear mit abnehmender Fehlerspannung entsprechend dem
Spannungsanstieg 503 an.
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Das Ausgangssignal des Inverter-Begrenzers 100 wird dem
Frequenzmodulator 110 über die Leitung 306 und dem
Tastverhältnis-Modulator 120 über die Leitung 307 zugeführt.
Der Frequenzmodulator 110 enthält einen Operationsverstärker
311, der als Spannungsfolger arbeitet und dessen
nichtinvertierende Eingang 312 mit einer Leitung 306
verbunden ist, um das Ausgangssignal des Inverter-Begrenzers
100 aufzunehmen. Sein Ausgang ist mit einem Transistor 308
verbunden, der eine Stromspiegelschaltung 313 treibt, die
als spannungsgesteuerte Stromquelle arbeitet und einen
Ausgangstransistor 316 enthält, der einen Ladestrom an einen
Kondensator 315 liefert. Die Rate, mit der der Kondensator
315 aufgeladen wird, hängt folglich von dem
Ausgangsspannungspegel des Inverter-Begrenzers 100 ab. Da
der Stromspiegel einen im wesentlichen konstanten Ladestrom
liefert, steigt die Spannung des Kondensators 315 während
der Aufladung linear an.
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Die Spannung des Kondensators 315 wird an den
nichtinvertierenden Eingang 316 des Operationsverstärkers
317 angelegt, dessen Ausgangssignal wiederum den
Leitungszustand eines Entladeweg-Steuertransistors 318 zur
Entladung des Kondensators 315 steuert. Die Spannung des
Kondensators 315 wird durch einen Operationsverstärker-
Komparator 317 mit einer an seinen invertierenden Eingang
319 angelegten Bezugsspannung verglichen. Wenn die
Bezugsspannung erreicht wird, spannt das Ausgangssignal des
Verstärkers 317 den Transistor 318 leitend vor, wodurch der
Kondensator 315 entladen wird. Die Erholungszeit des
Verstärkers 317 ist ausreichend lang, um sicherzustellen,
daß der Kondensator 315 vollständig entladen wird. Sobald
der Transistor wieder nichtleitend vorgespannt wird, beginnt
der Kondensator 350 sich wieder auf zuladen. Die durch den
Pegel der Fehlerspannung eingestellte Ladezeit des
Kondensators 315 bestimmt die Umschaltfrequenz des
Leistungswandlers.
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Das Ausgangssignal des Frequenzmodulators ist ein
Sägezahnsignal, dessen Frequenz durch den
Ausgangsspannungspegel des Inverter-Begrenzers 100 bestimmt
wird. Diese Sägezahnspannung ist das Betriebstaktsignal, das
die Wandlerfrequenz steuert. Es wird an den invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 321 im Tastverhältnis-
Modulator 120 gegeben. Der Verstärker 321 vergleicht das
Sägezahnsignal mit einer Bezugsspannung, und zwar unter
Ansprechen auf die Ausgangs spannung des Inverter-Begrenzers
100, die an den nichtinvertierenden Eingang 322 angelegt
wird.
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Das Ausgangssignal des Spannungsbegrenzers 100 wird an den
invertierenden Eingang 324 des Operationsverstärkers 323
angelegt, dessen Ausgang den Pegel der an den invertierenden
Eingang 322 des Operationsverstärkers 321 angelegten
Bezugsspannung. Wenn demgemäß die Bezugsspannung sich unter
Ansprechen auf das Ausgangssignal des Inverter-Begrenzers
100 ändert, so ändert sich das Tastverhältnis am Ausgang des
tastverhältnis-Modulators 120 mit dem
Tastverhältnismodulierten Signal, bei der durch den Frequenzmodulator 110
erzeugten Frequenz.
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Das sich ergebende, kombinierte frequenz- und
tastverhältnis-modulierte Signal auf der Ausgangsleitung 329
des Tastverhältnis-Modulators 120 wird an die
Modulatorausgangsstufe 130 gegeben. Diese enthält zwei
parallele Signalverarbeitungswege, die als H-Treibweg 331
und als L-Treibweg 332 bezeichnet werden. Treibsignale
entgegengesetzter Phase, die als H- und L-Treibsignale
bezeichnet werden, erscheinen auf der Leitung 341 bzw. 342.
Diese beiden Treibsignale werden an eine Leistungsschalter-
Treibschaltung entsprechend der Schaltertreibanordnung gemäß
Fig. 3 angelegt, die die abwechselnd geschalteten
Leistungsschalterbauteile des Leistungswandlers treibt.