DE69311253T2

DE69311253T2 - Verstärkerwandler

Info

Publication number: DE69311253T2
Application number: DE69311253T
Authority: DE
Inventors: Chee Heng Phua
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-10-13
Also published as: US5495164A; EP0593257A3; JP2571942Y2; DE69311253D1; EP0593257B1; KR940010464A; KR100197464B1; HK1000929A1; EP0593257A2; JPH0636387U; SG44592A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verstärkerwandler für den Leistungsfaktor und eine harmonische Korrekturschaltung einer schaltbaren Stromversorgung.
In Fig. 3, die einen herkömmlichen Wandler vom Zerhackerverstärkertyp im Parallelbetrieb zeigt, was zum Beispiel im japanischen Patent Publikationsnummer 2-26 94 69 wiedergegeben ist, bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Wechselspannungsquelle, und Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Gleichrichterschaltung in jeder Wandlereinheit 3, 3a, die eine Eingangswechselspannung von der Wechselspannungsquelle 1 zweiweg-gleichrichten kann, um die Eingangsgleichspannung Vin auszugeben, so daß die Gleichspannungsquelle 4 aus der Wechselspannungsquelle 1 und der Gleichrichtersschaltung 2 aufgebaut werden kann.
An beiden Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung 2 ist eine Reihenschaltung aus der Induktivität 6 und dem Schaltelement 7 (oder MOSFET) über den Widerstand 5 zur Stromdetektion angeschlossen, wobei an den beiden Anschlüssen des Schaltelements 7 eine Reihenschaltung aus einer Diode 8 und einem Glättungskondensator 9 angeschlossen ist, wobei die gegenüberliegenden Anschlüsse der Ausgangsseite der Diode 8 zusätzlich jeweils an den Anschlüssen +V, -V angeschlossen sind.
Basierend auf der Differenz zwischen den von Widerstand 5 detektierten Stromdetektionssignalen und den Spannungsdetektionssignalen, die durch die Teilung der Ausgangsgleichsspannung Vout zwischen den Ausgangsanschlüssen +V und -V erhalten werden, kann die Steuerschaltung 10 dann die Leitungspulsbreite des Schaltelements 7 steuern, so daß die voreingestellte Ausgangsgleichspannung Vout über die Ausgangsanschlüsse +V, -V der gemeinsamen Last 11 zugeführt werden kann.
Beim genannten Reihenschaltbetrieb des Schaltelements 7 wird die Eingangsgleichspannung Vin während des Anschaltens des Schaltelements 7 an die Induktivität 6 angelegt, so daß der Induktionsstrom IL, der durch die Induktivität 6 fließt, ansteigt, worauf Energie in die Induktivität 6 geladen wird. Beim Abschalten des Schaltelements 7 hingegen wird die in der Induktivität 6 gespeicherte Energie des Glättungskondensators 9 an der Ausgangsseite der Diode 8, zusammen mit der Eingangsgleichspannung Vin von der Gleichrichterschaltung 2, zugeführt, wobei der Induktionsstrom IL abfällt und so eine Ausgangsgleichspannung Vout erzielt werden kann, welche höher als die Eingangsgleichspannung Vin ist.
Gleichzeitig wird das Ein-/Ausschalten des Schaltelements 7 von der Steuerschaltung 10 so gesteuert, daß der Eingangsstrom Iin von der Gleichrichterschaltung 2, der einen mittleren Wert entsprechend dem Induktivitätsstrom IL hat, die zweiweggleichgerichtete Wellenform proportional zur Eingangsgleichspannung Vin annimmt, wobei für die Wechselspannungsquelle 1 das Äquivalent zu rein resistiver Last erzielt werden kann, verbunden mit der Verbesserung des Leistungsfaktors.
Der obige Stand der Technik weist jedoch ein paar Probleme auf, die im folgenden beschrieben werden.
Im Parallelbetrieb sind die in die einzelnen Wandlereinheiten 3, 3A über die einzelnen Ausgangsanschlüsse -V fließenden Lastströme 11 und 12 wegen des Unterschiedes des Spannungsabfalls zwischen den Ausgangsanschlüssen +V, -V der Wandlereinheiten 3, 3A und der Last 11 zueinander nicht konsistent. Besonders im Fall des in Fig. 3 gezeigten Verstärkerwandlers fließt jeder Laststrom I1 und I2 durch die Gleichrichterschaltung 2, um zur gemeinsamen Wechselspannungsquelle 1 auf der Eingangsseite zurückgeführt zu werden, so daß die Ausgangsbalance jeder Wandlereinheit 3, 3A unvermeidlich verloren oder gebrochen wird, so daß keine stabile Regelung ausgeführt werden kann.
Es ist demnach die Hauptaufgabe der Erfindung, einen Verstärkerwandler zur Verfügung zu stellen, der stabil geregelt werden kann, ohne im Parallelbetrieb die Ausgangsbalance zu verlieren.
Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 1 ein Verstärkerwandler vorgeschlagen, bestehend aus einer Mehrzahl von parallel betriebenen Verstärkerwandlereinheiten, wobei jede dieser Verstärkerwandlereinheiten eine Reihenschaltung von mindestens einer Induktivität und einem Schaltelement aufweist, wodurch während des Einschaltens des Schaltelements elektrische Energie in der Induktivität gespeichert werden kann, und die elektrische Energie während der Abschaltung des Schaltelements abgegeben werden kann, um dieselbe der Ausgangsseite zuzuführen, wobei jede der Verstärkerwandlereinheiten
- eine Stromdetektionsschaltung zur Detektion des elektrischen Stroms enthält, der durch das Schaltelement und die Ausgangsseite jeder der Verstärkerwandlereinheiten fließt, um Stromdetektionssignale auszugeben; sowie
- eine Stromausgleichsschaltung zur Steuerung des Schaltelements enthält, damit die Ausgangsspannung jeder der Verstärkerwandlereinheiten beim parallelen Betrieb basierend auf einem Vergleichsergebnis ausgeglichen wird, das man durch den Vergleich von Stromdetektionssignalen innerhalb einer Verstärkerwandlereinheit aus der einen Stromdetektionsschaltung mit anderen Detektionssignalen außerhalb der Verstärkerwandlereinheit von einer anderen Stromdetektionsschaltung erhält, wobei die Stromausgleichsschaltung die Leitungspulsbreite des Schaltelements schmaler macht, wenn das Stromdetektionssignal innerhalb der Verstärkerwandlereinheit ein höheres Niveau als ein anderes Stromdetektionssignal von außerhalb der Verstärkerwandlereinheit aufweist, und die Leitungspulsbreite des Schaltelements breiter macht, wenn das Stromdetektionssignal innerhalb der Verstärkerwandlereinheit auf niedrigerem Niveau ist.
Andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung des vorgezogenen Ausführungsbeispiels der Erfindung entnehmbar, wobei sich auf die Zeichnungen bezogen wird, von denen
Fig. 1 ein Schaltplan ist, der ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkerwandlers nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 ein Schaltplan ist, der eine Verstärkerschaltung und eine Vergleicherschaltung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Fig. 3 ein Schaltplan ist, der einen früheren Verstärkerwandler im Parallelbetrieb dargestellt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Hinblick auf die Figuren 1 und 2 erklärt.
In Fig. 1, die eine allgemeine Schaltung eines Wandlers vom Zerhackerverstärkertyp nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt, besteht die Stromdetektionsschaltung 21 aus zwei Transformatoren 22, 23. Der Stromtransformator 22 ist anstelle eines herkömmlichen zur Stromdetektion eingesetzten Widerstandes in Reihe mit dem Schaltelement 7 verbunden, während der Stromtransformator 23 ebenfalls in Reihe mit der Diode 8 verbunden ist. Mit jeder gepunkteten Seite jedes Stromtransformators 22, 23 ist jede Anode der Dioden 24, 25 verbunden, deren Kathoden gemeinsam geerdet sind.
Andererseits ist der Widerstand 26 zwischen den nichtgepunkteten Seiten der Transformatoren 22, 23 und den Kathoden der Dioden 24, 25 zwischengeschaltet, von dem der eine Anschluß Stromdetektionssignale zur Verstärkerschaltung 27 ausgibt. Mit beiden Ausgangsanschlüssen +V, -V ist die Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 31, die eine Reihenschaltung aus Widerstand 28, einstellbarem Widerstand 29 und Widerstand 30 ist, verbunden, so daß dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 32 von dem Verbindungspunkt der Widerstände 28 und 29 Spannungsdetektionssignale zugeführt werden können.
Der Operationsverstärker 32 vergleicht die Spannungsdetektionssignale von der Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 31 mit der an seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluß angelegten Referenzspannung und verstärkt dann deren Differenz, wobei das Vergleichsresultat der Steuerschaltung 10 ermöglicht, die Leitungspulsbreite des Schaltelements 7 zu steuern.
Hingegen ist jede Wandlereinheit 3, 3A jeweils mit einem externen Stromausgleichsanschluß CTB ausgestattet, welche miteinander im Parallelbetrieb verbunden sind, so daß Stromdetektionssignale von außerhalb der Wandler angelegt werden können. Zwischen dem Stromausgleichsanschluß CTB und der Verstärkerschaltung 33 (d.h. der Stromausgleichsschaltung) welche nachfolgend beschrieben werden, wird eine Parallelschaltung des MOSFET 34 und der Diode 35 zwischengeschaltet. Zudem werden zum Gate-Anschluß des FET 34 Kontrollsignale von der Detektionsschaltung für anormalen Betrieb 36 angelegt, die im Fall anormalen Betriebes der Wandlereinheiten 3, 3A sofort FET 34 ausschalten können.
Mit dem so beschriebenen Aufbau werden innere Stromdetektionssignale von der Verstärkerschaltung 27 innerhalb der inneren Wandler 3,3a mit äußeren Stromdetektionssignalen, die über den Stromausgleichsanschluß CTB von anderen äußeren Wandlern 3,3A zugeführt werden, so daß es elektrischem Strom ermöglicht werden kann, in den Verbindungspunkt des Widerstands 28 und des einstellbaren Widerstands 29 zu fließen, basierend auf dem Ergebnis eines solchen Vergleichs.
Im Folgenden wird der Schaltungsaufbau der Verstärkerschaltung 27 und der Vergleicherschaltung 33 im Hinblick auf Fig. 2 erläutert.
Die Operationsverstärkerschaltung 27 umfaßt zwei Operationsverstärker A1, A2. Der Operationsverstärker A1, dem Stromdetektionssignale von der Stromdetektionsschaltung 21 zugeführt werden, baut eine sogenannte invertierende Verstärkerschaltung 41 auf, die aus einem Widerstand R1, der mit seinem invertierenden Eingangsanschluß verbunden ist; einem Kondensator C1, der mit dem invertierenden und seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluß verbunden ist, und einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2, die zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß verbunden sind, besteht. Der zweite Operationsverstärker A2 arbeitet als Spannungsfolger, in dem die Kapazität C3 mit seinem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß verbunden ist, während der invertierende Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß so verbunden ist, daß die invertierend verstärkten Stromdetektionssignale von ihrem Ausgangsanschluß der Vergleicherschaltung 33 zugeführt werden können.
Andererseits umfaßt die Vergleicherschaltung 33:
einen in der Ausgangsanschlußleitung des Operationsverstärkers A2 zwischengeschalteten Widerstand R3; eine Differenzverstärkerschaltung 42, die die mit beiden Anschlüssen des Widerstands R3 verbundenen Widerstände R4 bis R7 und einen Operationsverstärker A3 umfaßt; einen Widerstand R8, von dem ein Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers A3 verbunden ist; einen Operationsverstärker A4, welcher zwischen dem anderen Anschluß des Widerstands R8 und dem Widerstand R7 zwischengeschaltet ist. Mit diesem Aufbau kann elektrischer Strom von dem anderen Anschluß des Widerstandes R8 zum Verbindungspunkt von Widerstand 28 und dem variablen Widerstand 29 in der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 31 fließen.
Der Widerstandswert der Widerstände R4 bis R7 ist so eingestellt, daß R4/R5 = R6/R7, und » R3 (R4 ist viel größer als R3), so daß die Differenzverstärkerschaltung 42 die voreingestellte Verstärkung erhalten kann.
Im folgenden wird der Betrieb des Aufbaus beschrieben.
Zuerst wird während des Anschaltens des Schaltelements 7 die Eingangsgleichspannung Vin an die Induktivität 6 und die Primärwicklung des Stromtransformators 22 angelegt, so daß elektrische Energie in die Induktivität 6 geladen werden kann, während in der Stromdetektionsschaltung 21 durch die in der Sekundärwicklung des Stromtransformators 22 induzierten Spannung dem detektierten Strom ermöglicht werden kann, über Diode 24 in den Widerstand 26 zu fließen.
Zweitens wird während des Ausschaltens des Schaltelements 7 die in der Induktivität 6 gespeicherte elektrische Energie zur Seite der Glättungskapazität 9 zugeführt, wobei sie durch die Primärwicklung des Stromtransformators 23 und die Diode 28 fließt, zusammen mit der Eingangsgleichspannung Vin, so daß eine Ausgangsgleichspannung Vout erreicht werden kann, die höher ist als die Eingangsgleichspannung Vin.
Gleichzeitig ermöglicht die Stromdetektionsschaltung 21 dem detektierten Strom über die Diode 25 durch die Wirkung der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung des Stromtransformators 23 in den Widerstand 26 zu fließen. Anders gesagt wird in Übereinstimmung mit dem Reihenbetrieb des Schaltelements 7 der durchschnittliche Strom der Stromtransformatoren 22, 23 als Stromdetektionssignale von der Stromdetektionsschaltung 21 zur Verstärkerschaltung 27 ausgegeben, die die Stromdetektionssignale von der Stromdetektionsschaltung 21 bis auf das R2/R1 -fache invertierend verstärkt, so daß sie über den Operationsverstärker A2 zur Verstärkerschaltung 33 ausgegeben werden.
Bei normalem Parallelbetrieb von mehreren Wandlereinheiten 3, 3A erlaubt jede Wandlereinheit 3, 3A, daß innerhalb der Wandlereinheiten 3, 3A erhaltene Stromdetektionssignale an die Vergleicherschaltung 33 über die Verstärkerschaltung 27 ausgegeben werden. Wenn FET 34 angeschaltet ist, werden gleichzeitig vom Stromausgleichsanschluß CTB andere Stromdetektionssignale an die Vergleicherschaltung 33 angelegt, die von anderen Wandlereinheiten 3, 3A erhalten werden.
Wenn bei einer Wandlereinheit 3 ein größerer Laststrom I1 als der Laststrom I2 der anderen Wandlereinheit 3A fließt, so wird in der Wandlereinheit 3, die den größeren Laststrom I1 aufweist das elektrische Potential V1 am Verbindungspunkt der Widerstände R3, R6 höher als das elektrische Potential V2 am Verbindungspunkt der Widerstände R3, R4, während in der Wandlereinheit 3a, die einen kleineren Laststrom 12 aufweist, das elektrische Potential V2 hingegen höher als V1 wird. Zu diesem Zeitpunkt erhält man, wenn das elektrische Potential des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers A3 als V3 bezeichnet und das elektrische Potential des Verbindungspunktes des Widerstandes 28 und des einstellbaren Widerstandes 29 jeweils als V4 bezeichnet werden, die folgende Gleichung für die Differenzverstärkerschaltung 42:
Folglich wird in der Wandlereinheit 3 das elektrische Potential V3 am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers A3 steigen, so daß elektrischer Strom von der Vergleicherschaltung 33 in den einstellbaren Widerstand 29 und den Widerstand 30 fließt, um den Spannungspegel der Spannungsdetektionssignale, die dem Operationsverstärker 32 zugeführt werden, zu erniedrigen. Das heißt, daß in diesem Fall die Steuerschaltung 10 die Leitungspulsbreite des Schaltelements 7 schmaler machen kann, so daß die Ausgangsgleichspannung Vout, welche der Last 11 zugeführt wird, niedriger werden wird.
Andererseits wird in der Wandlereinheit 3A das elektrische Potential V3 am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers A3 niedriger werden als das elektrische Potential V4 am Verbindungspunkt von Widerstand 28 und dem einstellbaren Widerstand 29, so daß folglich kein elektrischer Strom aus der Vergleicherschaltung 33 in die Spannungsdetektionsschaltung 31 fließen wird. Daher macht in diesem Falle die Steuerschaltung 10 die Leitungspulsbreite des Schaltelements 7 breiter, so daß die Ausgangsgleichspannung Vout hoch werden wird. Mit diesem Aufbau kann die Ausgangsgleichspannung Vout von jeder Wandlereinheit 3, 3A so ausgeglichen werden, daß die Lastströme I1 und I2 gleichgehalten werden.
Falls eine Wandlereinheit 3 im Parallelbetrieb irgendeinen anormalen Betriebszustand verursacht, wird die Zufuhr von Kontrollsignalen von der Schaltung zur Detektion anormaler Betriebszustände 36 angehalten, so daß FET 34 sofort ausgeschaltet werden kann, um die Zufuhr von Stromdetektionssignalen von außerhalb zu unterbrechen.
Wie oben beschrieben kann ein Verstärkerwandler, wie er im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel definiert ist, gut ausgeglichene Lastströme I1, I2 in jeder Wandlereinheit 3, 3A realisieren, anders gesagt, kann eine stabile Regelung möglich sein, indem die Ausgangsbalance gleichgehalten wird.
Weiterhin kann, da die vorgezogenen Ausführungsbeispiele zur Stromdetektion statt eines Widerstandes 5 im Stand der Technik ein Paar von Stromtransformatoren 22, 23 einsetzen, Leistungsverlust innerhalb der Wandlereinheit 3, 3a vernachlässigt werden. Zudem kann der Ausgleich der Ausgangsbalance der Wandlereinheiten 3, 3A höchst einfach und kostengünstig erreicht werden.

Claims

1. Ein DC-DC Verstärkerwandler, bestehend aus einer Mehrzahl von parallel betriebenen Verstärkerwandlereinheiten (3), wobei jede dieser Verstärkerwandlereinheiten eine Reihenschaltung von mindestens einer Induktivität (6) und einem Schaltelement (7) aufweist, wodurch während des Einschaltens des Schaltelements elektrische Energie in der Induktivität gespeichert werden kann, und die elektrische Energie während der Abschaltung des Schaltelements abgegeben werden kann, um dieselbe der Ausgangsseite zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Verstärkerwandlereinheiten

- eine in den jeweiligen Strompfad eingefügte Stromdetektionsschaltung (21) zur Detektion von elektrischem Strom enthält, der durch das Schaltelement (7) und durch die Ausgangsseite jeder der Verstärkerwandlereinheiten fließt, um Stromdetektionssignale auszugeben; sowie

- eine Stromausgleichsschaltung zur Steuerung des Schaltelementes enthält, damit die Ausgangsspannung jeder der Verstärkerwandlereinheiten beim parallelen Betrieb ausgeglichen wird basierend auf einem Vergleichsergebnis, das durch den Vergleich von Stromdetektionssignalen von innerhalb einer Verstärkerwandlereinheit aus der einen Stromdetektionsschaltung mit anderen Detektionssignalen von außerhalb der Verstärkerwandlereinheit von einer anderen Stromdetektionsschaltung, so daß die Stromausgleichsschaltung die Leitungspulsbreite des Schaltelements schmaler macht, wenn das Stromdetektionssignal von innerhalb der Verstärkerwandlereinheit ein höheres Niveau als ein anderes Stromdetektionssignal von außerhalb der Verstärkerwandlereinheit aufweist, und die Leitungspulsbreite des Schaltelements breiter macht, wenn das Stromdetektionssignal von innerhalb der Verstärkerwandlereinheit auf niedrigerem Niveau ist.

2. Ein Verstärkerwandler nach Anspruch 1, wobei jede der Verstärkerwandlereinheiten zusätzlich eine Schaltung zur Detektion anormaler Betriebszustände (36) umfaßt, um im Falle eines anormalen Betriebszustandes einer der Mehrzahl von Verstärkerwandlereinheiten die Zuführung von Stromdetektionssignalen von einer anderen der Mehrzahl von Verstärkerwandlereinheiten zu unterbrechen.

3. Ein Verstärkerwandler nach Anspruch 1, wobei die Induktivität (6) und das Schaltelement (7) mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind und jede Verstärkerwandlereinheit

- eine Reihenschaltung von mindestens einer Diode (8) und einer Glättungskapazität (9) enthält, die mit beiden Anschlüssen des Schaltelements (7) verbunden sind und

- eine Steuerschaltung (10) zum Schalten des Schaltelements umfaßt.

4. Ein Verstärkerwandler nach Anspruch 3, wobei die Stromdetektionsschaltung (21) Stromübertrager (22,23) enthält, die jeweils in Serie mit dem Schaltelement (7) und der Diode (8) verbunden sind, so angeordnet, daß Stromdetektionssignale mittels des detektierten Stroms von den Stromübertragern ausgegeben werden können.