DE69206283T2

DE69206283T2 - Stromversorgung mit hohem Leistungsfaktor.

Info

Publication number: DE69206283T2
Application number: DE69206283T
Authority: DE
Inventors: Robert Louis Steigerwald
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-02-07
Also published as: EP0498651B1; TW224188B; ES2081046T3; CN1064178A; CN1028939C; HK158196A; JP2677925B2; CA2059935C; FI920527A; EP0498651A3; FI116759B; EP0498651A2; KR920017333A; JPH0595682A; US5113337A; DE69206283D1; KR0160311B1; CA2059935A1; FI920527A0

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsversorgungen und insbesondere auf eine Leistungsversorgung, die einen schaltenden Wechselspannungs(AC)/Gleichspannungs(DC)- Stromrichter aufweist, der mit einem hohen Eingangsleistungsfaktor arbeitet, während ein schnelles transientes Ansprechverhalten an seinem Ausgang beibehalten wird.

Hintergrund der Erfindung

Konventionelle Gleichrichter haben relativ kleine Leistungsfaktoren, die die Leistung, die von einer Wechselspannungsleitung gezogen werden kann, auf einen Bruchteil der Nennleistung der Leitung begrenzen. Weiterhin werden stark verzerrte Netzwechselströme durch diese konventionellen Gleichrichter gezogen, wodurch häufig eine Störung mit anderem elektrischem Gerät zusätzlich zu Überströmen und Überspannungen in den Geräten bewirkt wird. Techniken zum Verbessern des Leistungsfaktors enthalten passive Wellenformmethoden, d.h. die Verwendung von Eingangsfiltern, und aktive Methoden, d.h. die Verwendung von Booster- oder Zusatzwandlertopologien. Derartige konventionelle aktive Methoden zum Erhalten eines hohen Leistungsfaktors verwenden im allgemeinen einen vollständig getrennten Aufwärts-Eingangs-Stromrichter (-Wandler), um den hohen Leistungsfaktor zu erzielen, gefolgt von einem DC-DC-Stromrichter (-Wandler), um die gewünschte regulierte bzw. stabilisierte Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Somit wird die Leistung zweimal umgewandelt, was kostspielig und ineffizient ist. Weiterhin muß der Aufwärts-Eingangs-Stromrichter die gesamte gelieferte Leistung wandeln. Tatsächlich muß er eine Spitzenleistung wandeln, die gleich der zweifachen durchschnittlichen Leistung ist, die geliefert wird.
Ein Leistungswandlersystem, das eine einzige Leistungstufe verwendet, während es bei einem hohen Leistungsfaktor arbeitet, ist in der gemeinsam übertragenen US-PS 4 642 745 beschrieben, die am 10. Februar 1987 für R.L. Steigerwald und W.P. Kornrumpf erteilt wurde, wobei dieses Patent durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird. Das Leistungswandlersystem des Patents von Steigerwald und Kornrumpf enthält: einen Vollweg-AC-Gleichrichter; einen DC-AC-Stromrichter; einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer eng gekoppelten Sekundär-Ausgangswicklung und einer lose gekoppelten Sekundär-Zusatzwicklung; und einen Schwingkreis(Resonanz)-Kondensator, der mit der sekundären Zusatzwicklung gekoppelt ist. Die sekundäre Ausgangswicklung wird durch Pulsbreitenmodulation (PWM) gesteuert, und die sekundäre Zusatzwicklung wird durch Frequenzmodulation gesteuert, wodurch eine relativ unabhängige Steuerung des Eingangsstroms und der Ausgangsspannung gestattet wird. Da jedoch die sekundäre Zusatzwicklung und die primäre Zusatzwicklung des Patents von Steigerwald und Kornrumpf gekoppelt sind, wenn auch lose, beeinflußt jede Einstellung der Ausgangs-Gleichspannung durch die PWM-Steuerung die Eingangsstromkurve. Obwohl also die Leistungsversorgung gemäß dem hier genannten Patent von Steigerwald und Kornrumpf einen relativ hohen Leistungsfaktor zur Folge hat, wobei nur eine Leistungsstufe verwendet wird, kann es in einigen Anwendungsfälllen wünschenswert sein, den Leistungsfaktor zu vergrößern und in anderer Weise die Leistungsfähigkeit zu verbessern (z B. durch Verkleinern der Welligkeit des Ausgangsstroms), indem der Zusatz- bzw. Booster-Stromrichter und die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung vollständig entkoppelt werden.
GB-A-02 152 771 beschreibt eine Leistungsversorgungsschaltung, bei der die Netzwechselspannung Vollweg-gleichgerichtet und an einen Speicherkondensator angelegt wird, der einen Eingang zu einem Wechselrichter (Inverter) bildet. Die an den Kondensator angelegte Spannung wird oberhalb der Spitzennetzspannung gehalten durch eine zusätzliche Spannung, die an den Ausgang des Gleichrichters angelegt ist. Die zusätzliche Spannung ist durch eine zweite Gleichrichterschaltung erzeugt, die mit einer hochfrequenten Eingangsgröße von einem Transformator gespeist wird, dessen Primärwicklung über den Ausgang des Wechselrichters geschaltet ist. Die zusätzliche Spannung wird durch ein Filter angelegt. Das Signal von dem Transformator wird durch PWM moduliert durch die Funktion von einer Regelschaltung, die die Zündung von SCR's steuert. Die Regelschaltung verwendet Fehlersignale mit einem Signal, das die Differenz zwischen der tatsächlichen Stromkurve und einer vorbestimmten Kurve darstellt, um sicherzustellen, daß die Kurvenform des aus den Netzleitungen gezogenen Stroms so wie erforderlich ist, z.B. sinusförmig, und gleichphasig mit der Netzspannung.
US-A-4 628 426 beschreibt eine Leistungsversorgung, in der ein einziger schaltender DC-Leistungs-Stromrichter zwei DC- Lastschaltungen aus zwei Transformator-Sekundärwicklungen speist. Die eine Wicklung ist eng gekoppelt mit der Primärwicklung und ihr Ausgang (erste Ausgangsspannung V1) ist unter Verwendung von Pulsbreitenmodulation gesteuert. Die andere Sekundärwicklung ist lose gekoppelt mit der Primärwicklung, so daß ihre Streuinduktivität mit einem Sekundär- Kondensator in Resonanz ist, so daß ihr Ausgang (zweite Ausgangsspannung V2) durch Frequenzeinstellung des Stromrichters gesteuert ist. Somit werden beide Ausgangsspannungen unter Verwendung einer einzigen Leistungsschaltstufe gesteuert. Eine Änderung in dem Puls-Tastverhältnis zum Regulieren von V1 wird auch die Ausgangsspannung V2 beeinflussen, und somit sind die zwei Spannungen nicht unabhängig.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Off-Line-Leistungsschaltversorgung zu schaffen, die eine einzige Leistungsstufe mit zwei Ausgängen aufweist, die bei einem hohen Leistungsfaktor arbeiten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Off-Line-Leistungsschaltversorgung zu schaffen, die einen Doppelausgang-Stromrichter aufweist, der Stromkurven hoher Qualität aus der Wechselspannungsquelle ziehen kann, während eine stabilisierte Ausgangsgleichspannung mit schnellem transientem Ansprechverhalten erzeugt wird.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, um eine "Front-End"-Leistungsversorgung mit hohem Leistungsfaktor zu schaffen, die beispielsweise zum Speisen eines DC-Bus in einem verteilten Leistungssystem oder zum Nachrüsten bestehender Leistungsschaltversorgungen mit kleinem Leistungsfaktor geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungsversorgung mit hohem Leistungsfaktor geschaffen zur Lieferung einer Ausgangssgleichspannung, enthaltend:
eine Wechselspannungs(AC)-Gleichrichtereinrichtung zur Lieferung einer gleichgerichteten Wechselspannung, wenn sie mit einer AC-Netzleitung in Verbindung steht, gekennzeichnet durch
einen Doppelausgangs-Leistungswandler mit einem Eingang, wobei der Doppelausgangs-Leistungswandler erste und zweite Ausgangsspannungen liefert, die voneinander entkoppelt sind, um so unabhängig steuerbar zu sein, wobei die erste Ausgangsspannung zwischen der AC-Gleichrichtereinrichtung und dem Eingang des Doppelausgangs-Leistungswandlers in Reihe geschaltet ist und die zweite Ausgangsspannung die Ausgangsgleichspannung der Leistungsversorgung bildet, wobei die erste Ausgangsspannung dynamisch variabel ist, um so im wesentlichen sinusförmigen Strom aus der AC-Netzleitung zu ziehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Vollweg- AC-Gleichrichterbrücke mit dem ersten Ausgang von dem Doppelausgangs-Leistungswandler über eine Eingangs-Booster- Wandlereinrichtung in Reihe geschaltet. Die Booster- Wandlereinrichtung enthält die Parallelschaltung von der Sekundärwicklung von einem Booster-Transformator und einer Schwingkreis(Resonanz)-Kapazität und enthält ferner einen Booster-Gleichrichter. Der Ausgangsanschluß der Booster- Wandlereinrichtung ist mit einem DC-Zwischenkreis verbunden. Ein Paar in Reihe geschalteter Energiespeicherkondensatoren, die im wesentlichen die gleiche Kapazität haben, ist zwischen den DC-Zwischenkreis und Erde geschaltet zur Lieferung eines ersten AC-Signals, um die Booster-Wandler einrichtung anzuregen. Eine Primärwicklung von dem Booster- Transformator ist mit einer Schwingkreis(Resonanz)-Induktivität in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung zwischen die Mittelanzapfung, die die zwei Energiespeicherkondensatoren verbindet, und den einen Schenkel des Vollbrückenwandlers bzw. Stromrichters geschaltet ist. Der Vollbrückenwandler liefert eine zweite Wechselspannung über einen Transformator an einen Ausgangsgleichrichter, um eine regulierte bzw. stabilisierte Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Die zwei Ausgangsgrößen des Doppelausgangswandlers werden unabhängig gesteuert. Beispielsweise ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine PWM-Einrichtung vorgesehen, um die Amplitude der stabilisierten Ausgangsspannung (d. h. die zweite Ausgangsgröße) zu steuern, während eine aktive Frequenzsteuerung der Booster-Wandlereinrichtung vorgesehen ist, um die erste Ausgangsspannung zu steuern, indem die Amplitude des Eingangswechselstroms gesteuert wird. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese Frequenzsteuerung der Booster-Wandlereinrichtung passiv, d. h. abhängig von den Verstärkungs-Charakteristiken des Schwingkreises des Booster-Wandlers. Als eine Folge der vollständigen Entkopplung der Eingangs-Booster-Wandlereinrichtung und der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung ist die Off-Line-Leistungsschaltversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, Stromkurven hoher Qualität aus der Wechselspannungsquelle zu ziehen, während eine regulierte bzw. stabilisierte Ausgangsgleichspannung mit einem schnellen transienten Ansprechverhalten erzeugt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine in sich geschlossene "Front-End"-Leistungsversorgung mit hohem Leistungsfaktor, z. B. zum Speisen eines DC-Bus in einem verteilten Leistungssystem oder zum Nachrüsten bestehender Leistungsschaltversorgungen mit kleinem Leistungsfaktor, gebildet durch die Kombination von einem AC- Gleichrichter und einem DC-AC-Wandler bzw. Stromrichter, wobei der Ausgang des DC-AC-Stromrichters mit dem AC- Gleichrichter in Reihe geschaltet ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der DC-AC-Stromrichter entweder einen Vollwellen-oder Halbwellen-Stromrichter, dessen Ausgang mit dem AC-Gleichrichter über eine Resonanz-Booster- Wandlereinrichtung in Reihe geschaltet ist. Als eine Folge werden Stromkurven hoher Qualität aus der Wechselspannungsquelle gezogen und es wird eine Ausgangsgleichspannung mit hohem Leistungsfaktor geliefert zum Speisen der Systemlast, beispielsweise mehreren DC-DC-Stromrichtern in einem verteilten Leistungssystem.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von einer typischen Doppelausgangs-Leistungsversorgung ist;
Figur 2 eine schematische Darstellung von einer Leistungsversorgung ist, die einen Doppelausgangs-DC-DC-Stromrichter gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
Figur 3A eine schematische Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von einer Off-Line-Leistungsschaltversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 3B eine schematische Darstellung von einem anderen Ausführungsbeispiel von einer Booster-Stromrichter- Ausgangsschaltung ist, die in der Off-Line- Leistungsschaltversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
Figur 4 eine schematische Darstellung von einer geeigneten Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Figur 5 eine schematische Darstellung von einem anderen Ausführungsbeispiel von einer Off-Line-Leistungsschaltversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Figur 1 stellt eine Leistungsversorgung 1 von einem bekannten Typ dar zum Empfangen einer Netzwechselspannung von einer Netzleistungsquelle 2 und zum Liefern von zwei unabhängig steuerbaren Ausgangsspannungen EAUS1 und EAUS2. Die Leistungsversorgung 1 enthält einen Vollwellen-Gleichrichter 10 mit Dioden 11 - 14, die in einer Vollbrücken-Konfiguration miteinander verbunden sind, um eine gleichgerichtete Netzwechselspannung an einen typischen Doppelausgangs- DC-DC-Stromrichter bzw. -Wandler 15 zu liefern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie in Figur 2 gezeigt ist, durch Schalten von einem der Ausgänge, z. B. EAUS1, des Doppelausgangswandlers 15 in Reihe mit der gleichgerichteten Netzwechselspannung eine einen hohen Leistungsfaktor aufweisende Leistungsversorgung 4 realisiert zur Lieferung einer Ausgangsgleichspannung EAUS2.
Figur 3A stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von einer OFF-line Leistungsschaltversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung dar zum Umwandeln einer Netzwechselspannung in eine regulierte bzw. stabilierte Ausgansgleichspannung. Gemäß dem in Figur 3A gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vollwellen-Gleichrichter 10 mit Dioden 11-14, die in einer Vollbrücken-Konfiguration miteinander verbunden sind, die mit einer Wechselspannungsquelle 2 verbunden ist. Der Gleichrichter 10 liefert eine Vollwellen-gleichgerichtete Spannung zwischen den Punkten b und o. Wie in Figur 3A gezeigt ist, ist eine Zusatz- bzw. Booster-Wandlerausgangsschaltung 16 mit dem Vollbrücken-Gleichrichter über eine Hochfrequenz-Filterdrossel Lin in Reihe geschaltet. Alternativ kann die Hochfrequenz-Filterdrossel Lin auf der Wechselspannungseite des Gleichrichters 10 verbunden sein, wenn dies gewünscht wird. Die Booster-Wandlerausgangsschaltung 16 enthält eine in der Mitte angezapfte Booster-Transformator-Sekundärwicklung 18 von einem Zusatz- bzw. Booster- Transformator Tb, die einem Schwingkreis-Kondensator Cr parallel geschaltet ist. Die Booster-Wandler-Ausgangsschaltung enthält ferner einen in der Mitte angezapften Transformator, einen Vollwellen-Booster-Gleichrichter, der Dioden 20 und 21 enthält, wobei die Anoden dieser Dioden mit den entsprechenden Anschlüssen des Schwingkreis-Kondensators Cr verbunden sind. Die Kathoden der Dioden 20 und 21 sind an einem Punkt a miteinander verbunden, der mit dem DC-Zwischenkreis auf dem Potential Vao verbunden ist.
Wie in Figur 3A gezeigt ist, ist ein DC-AC Wandler 22, der eine Vollbrücken-Schaltung von Schaltvorrichtungen Q&sub1;-Q&sub4; enthält, zwischen den dc Zwischenkreis und Erde geschaltet. Die Reihenschaltung aus einer Primärwicklung 24 des Booster-Transformators und einer Schwingkreis-Drossel Lr ist zwischen den Knotenpunkt, der die Schaltvorrichtungen Q&sub1; und Q&sub2; des Stromrichters 22 verbindet, und den Knotenpunkt geschaltet, der ein in der Mitte angezapftes Paar von relativ großen Energiespeicherkondensatoren Cin/2 verbindet. (Alternativ können die Kondensatoren Cin/2 relativ klein sein, wenn ihre Reihenschaltung einem anderen Energiespeicherkondensator (nicht gezeigt) parallel geschaltet ist, der relativ groß ist.)
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Booster-Stromrichter-Ausgangsschaltung 16, wie es in Figur 3B gezeigt ist, enthält einen Vollweg-Brückengleichrichter, der Dioden 6-9 und eine einzelne Sekundärwicklung 17 des Booster-Transformators Tb aufweist. Weiterhin ist zwar die Ausgangschaltung 16 des Booster-Leistungswandlers in Figur 3A so gezeigt, daß sie einen Parallel-Schwingkreis enthält, es ist aber verständlich, daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung auch realisiert werden können, wenn andere Schwingkreis- Konfigurationen verwendet werden. Beispielsweise kann eine Kombination von Reihen/Parallel-Schwingkreis verwendet werden, wobei ein weiterer Kondensator Cr2 (nicht gezeigt) mit der Schwingkreis-Drossel Lr auch entweder der Primär- oder Sekundärseite des Transformators Tb in Reihe geschaltet ist. Als ein weiteres Beispiel kann eine Reihen- Schwingkreiskonfiguration verwendet werden, wobei ein Schwingkreis-Kondensator Cr in Reihe mit der Schwingskreis- Drossel Lr auf entweder der Primär- oder Sekundärseite des Transformators Tb angeordnet ist anstatt parallel dazu, wie es in Figur 3A gezeigt ist.
Die Primärwicklung 26 von einem anderen Transformator 27 ist über die Knotenpunkte geschaltet, die die Schaltvorrichtungen Q&sub1;-Q&sub2; und Q&sub3;-Q&sub4; der entsprechenden Vollweg-wandlerschenkel verbinden. Die entsprechenden Anschlüsse der Sekundärwicklung 28 des Transformators 27 sind mit den Anoden der Dioden 30 und 31 verbunden. Die Kathoden der Dioden 30 und 31 sind mit einer Ausgangsfilterdrossel 32 und einem Ausgangsfilterkondensator 34 verbunden. Die stabilisierte Ausgangsgleichspannung EAUS wird über dem Kondensator 34 geliefert.
Im Betrieb liefert der Boosterwandler die augenblickliche Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung OL (des Vollbrückengleichrichters 10 und der DC Zwischenkreisspannung Vao. Die Ausgangsspannung des Resonanz-Boosterwandlers wird durch die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen Q&sub1;-Q&sub4; des Vollbrückenwandlers über ein erstes Wechselstromsignal gesteuert, das über dem Schwinkreis Lr und Cr des Boosterwandlers erzeugt wird, während die Ausgangsgleichspannung EAUS durch Pulsbreitenmodulation (PWM) von einem zweiten Wechselstromsignal gesteuert wird, das über dem Wandler 27 erzeugt wird, d. h. durch Phasenverschiebung der zwei Schenkel der Wandlerbrücke in Bezug zueinander. Da die Phasenverschiebung der Vollbrücken-Wandlerschenkel die an die Resonanzschaltung Lr und CR angelegte Spannung nicht beeinflußt, ist die Spannung Vab des Boosterwandlers unabhängig von der Ausgangsspannung EAUS der Leistungsversorgung. Als ein Ergebnis wird ein schnelles transientes Ansprechverhalten für den Eingangs-Booster-Wandler und die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung gleichzeitig erhalten.
Eine geeignete Steuerung für die Leistungsversorgung der vorliegenden Erfindung ist in Figur 4 dargestellt und in dem eingangs genannten US-Patent 4 642 745 von Steigerwald und Kornrumpf beschrieben. (Die Bezugszahlen in Figur 4 entsprechen denjenigen in dem Patent von Steigerwald und Kornrumpf.) Das Patent von Steierwald und Kornrumpf beschreibt eine PWM Steuerung zum Steuern der regulierten bzw. stabisierten Ausgangsgleichspannung, indem das Tastverhältnis des Wechselrichter-Ausgangssignals immer dann eingestellt wird, wenn ein Fehler zwischen dem Sollwert der Ausgangsgleichspannung EAUS* und dem Istwert der Ausgangsgleichspannung EAUS festgestellt wird. Zusätzlich beschreibt das Patent von Steigerwald und Kormrumpf eine aktive Frequenzregelung, wobei der Istwert des Wandlereingangsstroms mit einem Sollstrom in Phase mit der Leitungsspannung der Einrichtung verglichen wird; jede Differenz bewirkt eine Frequenzeinstellung zum Steuern eines Boosterwandlers. Da in vorteilhafter Weise der Boosterwandler und die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig entkoppelt sind, wird jede Einstellung der Ausgangsgleichspannung unter Verwendung der Steuereinrichtung gemäß Steigerwald und Kornrumpf keinen Einfluß auf den Eingangsstrom in den Wandler bzw. Stromrichter der vorliegenden Erfindung haben.
Als ein weiterer Vorteil ist gefunden worden, daß selbst ohne eine aktive Steuerung des Netzwechselstroms die Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem relativ hohen Leistungsfaktor und einem kleinen Spitzenwert des Netzwechselstroms arbeitet aufgrund der vorteilhaften Gewinn- bzw. Verstärkungscharakteristiken des Parallel- Schwingkreises Lr und Cr. Nahe den Tälern der Eingangswechselstromkurve wird eine kleine Leistung geliefert und der Schwingkreis ist leicht belastet, so daß die Ausgangsspannung des Booster-Wandlers sich aufschwingen kann, um die hohe erforderliche Booster-Wirkung zu liefern, d. h. die Differenz zwischen dem kleinen Wert der augenblicklichen Netzwechselspannung vL und der DC Zwischenkreispannung Vao. Umgekehrt wird nahe den Spitzenwerten der Eingangs-Wechselstromkurve eine höhere Leistung geliefert und der Schwingkreis ist stark gedämpft. Als eine Folge ist eine geringe Boosterwirkung nötig. Somit bewirken die Gewinn- bzw. Verstärkungscharakteristiken des Parallelschwingkreis-Boosterwandlers auf natürliche Weise, daß die Leistungsversorgung einen hohen Leistungsfaktor erzielt. Deshalb erfordert die Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise keine aktive Steuerung der Eingangswechselstromkurve, um für einen hohen Leistungsfaktor zu sorgen. Der Teil der Steuerung 40 in Figur 4, der durch gestrichelte Linien 70 dargestellt ist, kann somit vorteilhalfterweise eliminiert werden, wobei der Ausgang des Kompensator-Gewinnblockes 69 mit dem Eingang des Rampengenerators 58 (wie durch gestrichelte Linie 71 gezeigt) über einen Widerstand 58 verbunden wird, wenn dies gewünscht ist, wodurch die Steuerungen vereinfacht werden, die für die einen hohen Leistungsfaktor aufweisende Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich sind.
Als ein noch weiterer Vorteil muß der Booster Leistungswandler nicht die gesamte an die Last gelieferte Leistung wandeln. Das heißt, für eine Gleichspannung Vao des Zwischenkreises, die nicht wesentlich größer als der Spitzenwert der Eingangswechselspannung ist, d. h. kleiner als der zweifache Spitzenwert der Eingangswechselspannung, ist der Spitzennennwert des Booster-Leistungswandlers kleiner als die Spitzenleistung, die an den DC Zwischenkreis geliefert wird, als eine Folge der Reihenschaltung des Boosterwandlers in der schaltenden Leistungsversorgung. Beispielsweise ist für eine Gleichspannung Vao des DC Zwischenkreises von etwa 25 % über dem Spitzenwert der Netzwechselspannung die Spitzenleistung, die durch den Boosterwandler gewandelt wird, etwa 78 % der vollen gelieferten Leistung, und die Durchschnittsleistung, die durch den Boosterwandler verarbeitet wird, ist etwa 59 % der vollen gelieferten Leistung.
Figur 5 stellt einen anderen Aspekt der Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der besonders geeignet ist für Anwendungen, wo ein sich selbst unterhaltender AC-DC "Front-End" Wandler wünschenswert ist, beispielsweise zum Speisen eines DC Bus in einem verteilten Leistungssystem oder zum Nachrüsten bestehender schaltender Leistungsversorgungen mit kleinem Leistungfaktor. Wie in Figur 5 gezeigt ist, sind die in der Mitte angezapften Energiespeicherkondensatoren Cin/2 gemäß Figur 3A durch einen einzigen äquivalenten Energiespeicherkondensator Cin ersetzt, und ein dezidierter Schwingkreis-Halbrückenwandler 80 ist darüber geschaltet. (Alternativ kann ein Vollbrückenwandler, wie beispielsweise derjenige gemäß Figur 3A, der Schaltvorrichtungen Q&sub1;-Q&sub4; enthält, verwendet werden.) Der Wandler bzw. Stromrichter enthält die Reihenschaltung der Schaltvorrichtungen Q&sub1; und Q&sub2; mit dem Schwingkreis, der die Reihenschaltung der Booster-Primärwicklung 24, der Schwingkreis-Induktivität Lr und der Kapazität Cb (oder alternativ ein Paar Kondensatoren Cb/2, die parallel geschaltet sind, wie es in Figur 3A gezeigt ist, für die Kondensatoren Cin/2) an dem Knotenpunkt zwischen den Schaltvorrichtungen Q&sub1; und Q&sub2;. Der Resonanz-Boosterwandler gemäß Figur 5 kann durch die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen Q&sub1; und Q&sub2; des Halbbrückenwandlers gesteuert werden, wobei eine geeignete Frequenzsteuerung in dem eingangs genannten US-Patent 4 642 745 von Steigerwald und Kornrumpf beschrieben ist. Als eine Alternative könnte der Resonanz-Boosterwandler durch eine geeignete PWM-Steuerung gesteuert werden.
Der Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwar in Bezug auf Leistungsversorgungen beschrieben worden, die Doppelausgangswandler enthalten, deren Ausgangsgrößen entweder Resonanzfrequenz-gesteuert, PWM-gesteuert oder durch eine Kombination davon gesteuert sind, es sei aber darauf hingewiesen, daß jede Art von Doppelausgangs-Leistungswandler in einer Leistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um deren Vorteile zu erzielen. Somit sind hier zwar die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorgeliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben, es ist aber offensichtlich, daß diese Ausführungsbeispiele nur zu Beispielszwecken angegeben wurden.

Claims

1. Leistungsversorgung (4) mit hohem Leistungsfaktor zur Lieferung einer Ausgangsgleichspannung, enthaltend:

eine Wechselspannungs(AC)-Gleichrichtereinrichtung (10) zur Lieferung einer gleichgerichteten Wechselspannung, wenn sie mit einer AC Netzleitung in Verbindung steht, gekennzeichnet durch:

einen Doppelausgangs-Leistungswandler (15) mit einem Eingang, wobei der Doppelausgangs-Leistungswandler erste und zweite Ausgangsspannungen liefert, die voneinander entkoppelt sind, um so unabhängig steuerbar zu sein, wobei die erste Ausgangsspannung zwischen der AC Gleichrichtereinrichtung und dem Eingang des Doppelausgangs-Leistungswandlers in Reihe geschaltet ist und die zweite Ausgangsspannung die Gleichstrom(DC)-Ausgangsspannung bildet, wobei die erste Ausgangsspannung dynamisch variabel ist, um so im wesentlichen sinusförmigen Strom aus der AC Netzleitung zu ziehen.

2. Leistungsversorgung nach Anspruch 1, wobei:

der Doppelausgangs-Wandler eine Booster-Wandlereinrichtung (16) und eine DC/AC-Wandlereinrichtung (22) aufweist, wobei die Booster-Wandlereinrichtung eine Sekundärwicklung (18, 17) von einem Booster-Transformator (Tb) aufweist, der zwischen der AC Gleichrichtereinrichtung und einer DC Zwischenspannung in Reihe geschaltet ist, wobei die Booster-Wandlereinrichtung ferner einen Schwingkreis aufweist, der eine Kombination des Booster-Transformators, einer Schwingkreisinduktivität (Lr) und einer Schwingkreiskapazität (Cr) enthält, wobei die DC/AC-Wandlereinrichtung die DC Zwischenspannung empfängt und erste und zweite AC Signale erzeugt, das erste AC Signal die Booster-Wandlereinrichtung anregt, die Amplitude des Eingangsstroms in die Booster-Wandlereinrichtung von der Frequenz des ersten AC Signals abhängig ist,

die Leistungsversorgung ferner eine Ausgangs- Gleichrichtereinrichtung (30, 32) aufweist zum Empfangen des zweiten AC Signals und zum Erzeugen einer geregelten bzw. stabilisierten DC Ausgangsspannung daraus, wobei die stabilisierte DC Ausgangsspannung die zweite Ausgangsspannung ist.

3. Leistungsversorgung nach Anspruch 2, wobei ferner eine Pulsbreiten-Modulationseinrichtung (41, 50, 60, 66, 65, 69, 70) vorgesehen ist, die mit der Ausgangs- Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, zum Steuern der Amplitude der stabilisierten DC Ausgangsspannung durch Pulsbreitenmodulation des zweiten AC Signals.

4. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ferner eine Frequenzmodulationseinrichtung (Q1, Q2, Q3, Q4) vorgesehen ist zum Steuern der Frequenz des ersten AC Signals in einer Weise, daß der Leistungswandler einen im wesentlichen sinusförmigen Strom aus der AC Netzleitung gleichphasig mit der Spannung der Netzleitung zieht.

5. Leistungsversorgung nach Anspruch 4, wobei die Sekundärwicklung (18) des Booster-Transformators eine Mittelanzapfung aufweist, die mit der AC Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, und der Leistungswandler ferner einen Vollwellen-Boostergleichrichter (20, 21) mit Mittenanzapfung aufweist, der mit der Sekundärwicklung des Booster-Transformators verbunden ist.

6. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ferner ein Vollwellen-Boostergleichrichter vorgesehen ist, der eine Parallelschaltung aus zwei Paaren von in Reihe geschalteten Dioden (6, 7, 8, 9) aufweist, wobei die Sekundärwicklung (17) des Boostertransformators zwischen die Knotenpunkte geschaltet ist, die die Dioden von jedem entsprechenden Paar verbinden.

7. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Reihenkapazität parallel zu dem Booster-Transformator geschaltet ist, und die Schwingkreisinduktivität mit dem Booster-Transformator in Reihe geschaltet ist.

8. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schwingkreiskapazität mit der Schwingkreisinduktivität in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung der Schwingkreiskapazität und der Schwingkreisinduktivität mit dem Booster-Transformator in Reihe geschaltet ist.

9. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei:

die Schwingkreiskapazität parallel zum Booster- Transformator geschaltet ist,

die Schwingkreisinduktivität mit dem Booster-Transformator in Reihe geschaltet ist und

der Schwingkreis ferner eine zusätzliche Schwingkreiskapazität (Cb) enthält, die mit der Schwingkreisinduktivität in Reihe geschaltet ist.

10. Leistungsversorgung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die DC/AC-Wandlereinrichtung einen Vollwellen-Wandler (Q1, Q2, Q3, Q4) aufweist.