DE69635104T2 - Resonanzwandler mit gesteuerter Drosselspule - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Resonanzumrichter und insbesondere auf einen solchen Umrichter, der eine gesteuerte Induktionsspule zum Regeln der Ausgangsspannung verwendet.
  • Beschreibung des verwandten Gebiets
  • Gleichstrom-Gleichstrom-Stromrichter werden kommerziell in unzähligen Anwendungen einschließlich Batterieladegeräten, Kommunikationssystemen, Elektroöfen, Elektrowerkzeugen, Personal Computern und elektrischen Spielzeugen verwendet, um nur einige wenige zu nennen. Die Steuerung oder Regelung der Ausgabe dieser Umrichter wird durch eine Vielzahl von Vorrichtungen einschließlich der Vorregelung mit Vorrichtungen wie etwa Impulsbreitenmodulations-Umrichtern (PWM-Umrichtern), Sättigungsdrosseln, Transduktorverstärkern und Ferroresonanzreglern ausgeführt. Für PWM-Umrichter wird die Impulsbreite der ursprünglichen Eingabe in den Umrichter so eingestellt, dass sie zu einer Änderung der Ausgabe des Umrichters führt.
  • Sättigungsdrosseln, die in magnetischen Verstärkern und Ferroresonanzreglern verwendet werden können, arbeiten gemäß dem allgemeinen Prinzip, dass durch Einstellen des Gleichstroms, der an eine zusätzliche Kernwicklung geliefert wird, eine Änderung des Sättigungsgrads des Kerns erreicht werden kann. Der Kern einer Sättigungsdrossel ist allgemein magnetisch hart, so dass die Sättigung zum Schalten der Vorrichtung führt. Magnetische Verstärker modulieren den Wechselstromfluss zu einer Last in Reaktion auf ein Gleichstromeingangssignal. In Ferroresonanzreglern wie etwa den z. B. in den US-Patenten Nr. RE28.359, 3.148.328, RE27.916, 3.753.605, 3.573.606 und 3.965.408 offenbarten wird die Abstimmung durch Ändern der Betriebsspannung oder des Betriebsstroms erreicht. Es wird z. B. der Ferroresonanzregler mit geschlossener Schleife der RE28.359 betrachtet, in dem die Ausgangsspannung des Reglers durch Ändern der Laderate des Integrationskondensators eingestellt wird.
  • Außerdem werden Resonanzumrichter in Leistungsumrichtungsanwendungen zur Steuerung und Regelung verwendet, wobei sie gegenüber PWM-Wechselrichtern, Sättigungsdrosseln, magnetischen Verstärkern und Ferroresonanzreglern in vielen Beziehungen vorteilhaft sind. Theoretisch gibt es bei einem Resonanzreihenumrichter keinen Schaltverlust, wenn die Signalform des durch das Schaltelement des Stromkreises fließenden Stroms sinusförmig ist und durch null geht, so dass das Schaltelement den Strom nicht zwangsweise ein- oder auszuschalten braucht. Außerdem wird bei Resonanzumrichtern weniger Geräusch als bei anderen Umrichtertypen erzeugt. Ferner ist der Ausgangsstrom von Resonanzumrichtern über einen Ausgangsspannungsbereich im Wesentlichen konstant, was ermöglicht, dass der Umrichter im Fall einer Überlastung oder eines Kurzschlusses in der Last geschützt ist.
  • Obgleich die Grundkonzepte, die die Resonanz in elektrischen Stromkreisen umfassen, während der Frühzeit der Entwicklung der Funktechnik vor fünfzig Jahren entwickelt wurden, war die Entwicklung der Resonanztechnik allgemein auf die Lösung spezifische Probleme beschränkt. Ein kurzer Blick auf die Geschichte von Leistungsversorgungen ist beim Vergleich von PWM-Umrichtern mit Resonanzumrichtern lehrreich.
  • Frühe Leistungsversorgungen verwendeten häufig einen Netzfrequenz-Leistungstransformator und einen Netzregler, der aus Vakuumröhren oder in späteren Versorgungen aus Leistungstransistoren bestand. Diese frühen Leistungsversorgungen waren allgemein groß, schwer und ineffizient. Wenn eine Isolation oder eine erhebliche Spannungstransformation erforderlich waren, verwendeten Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungsversorgungen mechanische Schwingungserzeuger, Vakuumröhren oder Leistungsschalttransistoren, um eine Wechselrichtung (Gleichstrom-Wechselstrom-Transformation) zu erreichen. Wenn Vakuumröhren oder Schalttransistoren verwendet wurden, wurde die Regelungsfunktion der Leistungsversorgung häufig durch eine PWM- oder Impulsfrequenzmodulation erreicht. Die Einführung von Siliciumleistungstransistoren, die mehrere hundert Watt ableiten und in wenigen Mikrosekunden schalten konnten, hatte einen Einfluss auf die Verbreitung der PWM zur Regelung. Auch heute herrscht die PWM noch als das Mittel zur Regelung einer Mehrzahl kommerziell verfügbarer Leistungsversorgungen vor.
  • Die Verfügbarkeit schneller Siliciumleistungstransistoren führte zum Auftreten von PWM-Leistungsversorgungen mit zunehmend höheren möglichen Leistungsniveaus. Allerdings waren diese Leistungsversorgungen allgemein auf nur wenige Kilowatt beschränkt. In den späten 1960er Jahren wurde der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCR zur Verwendung beim Betrieb mit mehreren Kilowatt und darüber verfügbar. Da der SCR keine Mittel besitzt, durch die er seinen eigenen Stromfluss unterbrechen kann, d. h. sich selbst umpolen kann, war aber eine Zwangsumpolung erforderlich, um den SCR in Gleichstromsystemen zu betreiben. Die Notwendigkeit der Zwangsumpolung verlangte die Entwicklung von Resonanzkreisen, in denen ein Klingeln verwendet wird, um eine Stromflussumkehrung zu erzeugen. Ähnlich wird seit Mitte der 1980er Jahre in Leistungsschaltungen wegen der Einführungen anderer Schaltvorrichtungen wie etwa Bipolartransistoren, MOSFETs, IGBTs usw. die Resonanzleistungstechnologie mit erhöhter Frequenz genutzt. Obgleich diese Vorrichtungen anders als SCRs nicht notwendig die Verwendung einer Resonanz erfordern, kann dort, wo es gegenüber der PWM vorteilhaft ist, eine Resonanz verwendet werden.
  • Wenn der Reihenresonanzumrichter bei der Resonanzfrequenz seines Tankkreises (der Kombination induktiver und kapazitiver Elemente) betrieben wird, besitzt er bei dieser Frequenz eine reine Sinusschwingung des Tankstroms. Somit leiten Reihenresonanzumrichter zu dem Zeitpunkt, zu dem die Rechteckschwingung der Erregungsspannung in ihren Leistungsschaltvorrichtungen einen Spannungsübergang erzeugt, nicht notwendig den Strom. In diesen Vorrichtungen werden niedrige Schaltverluste erzeugt, wenn der Strom null ist. Somit ist dieser üblicherweise als Nullstromschaltung bezeichnete Zustand erwünscht. Der bedeutendste Verlust ist bei Reihenresonanzumrichtern der Leitungsverlust; allerdings hängen die Leitungsverluste nicht stark mit der Betriebsfrequenz zusammen, so dass die Reihenresonanzumrichter effizient bei einer hohen Frequenz arbeiten können. Zum Beispiel kann ein Resonanzumrichter so konstruiert sein, dass er unter Verwendung der gleichen Leistungsschaltvorrichtungen bei einer Frequenz effizient arbeitet, die typisch fünf- bis zehnmal höher als die eines PWM-Umrichters mit dem gleichen Leistungspegel ist.
  • Ferner ist ein Resonanzumrichter vorteilhaft, da er wenig EMI erzeugt. Da ein Resonanzumrichter im Gegensatz zu einer schnell ansteigenden Quasi-Rechteckschwingungen einen sinusförmigen Strom entwickelt, wird wenig EMI erzeugt. Ferner sind die Bauelemente des Resonanzumrichters allgemein weniger zahlreich und kostspielig als die Bauelemente, die für einen PWM erforderlich sind. Außerdem besitzen die Bauelemente eines Resonanzumrichters ein kleineres Volumen und Gewicht, wodurch die Anwendbarkeit des Umrichters in einer kleineren oder stärker gewichtsempfindlichen Umgebung als bei PWM möglich ist.
  • Die Steuerung oder Regelung der Ausgangsgleichspannung eines Reihenresonanzumrichters kann dadurch erreicht werden, dass die Kapazität des Resonanzkondensators des Stromkreises, die Induktivität der Resonanzinduktionsspule des Stromkreises, die Spitzenspannung oder die Betriebsfrequenz des Stromkreises gesteuert wird. Da die Spitzenspannung üblicherweise auf die Leistungsquelle geklemmt ist und da es schwierig ist, die Kapazität oder Induktivität kontinuierlich direkt zu steuern, wird üblicherweise die Betriebsfrequenz gesteuert. Im US-Patent Nr. 4,679,129 sind zahlreiche Ausführungsformen von Resonanzumrichtern diskutiert und offenbart, in denen die Betriebsfrequenz gesteuert wird. Ein weiterer frequenzgesteuerter Resonanzverbinder ist im US-Patent Nr. 4,642,745 offenbart. Im US-Patent Nr. 4,642,745 wird ein Wechselstromsignal mit einer höheren Frequenz als der des Wechselstromnetzes gesteuert, um sowohl den Eingangsstrom in den Umrichter als auch den Ausgangsstrom des Umrichters zu ändern. Um die Ausgabe des Umrichters zu steuern, werden sowohl der Tastgrad als auch die Frequenz des Wechselstromsignals gesteuert.
  • Eines der Probleme, die bei frequenzgesteuerten Resonanzumrichtern festgestellt werden, ist die Möglichkeit, dass ein hörbares Geräusch erzeugt wird. Um die Leistung über einen geeigneten Bereich zu steuern, ist für eine solche Frequenzsteuerung ein weiter Bereich von Frequenzen erforderlich. Um das Problem der Erzeugung eines hörbaren Geräuschs zu beseitigen, sind frequenzgesteuerte Leistungsumrichter wie etwa der im US-Patent Nr. 4,672,129 offenbarte entwickelt worden. Allerdings wird zu dem grundlegenden Resonanzleistungsumrichter eine zusätzliche Schaltungsanordnung hinzugefügt, um die Erzeugung dieses Geräuschs zu vermeiden. Die zusätzliche Schaltungsanordnung ist unerwünscht, da sie zu den Herstellungskosten des Umrichters beiträgt und die Möglichkeit zur Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Umrichters erhöht. Somit ist erwünscht, einen gesteuerten Resonanzleistungsumrichter zu entwickeln, der kein hörbares Geräusch erzeugt. Außerdem ist erwünscht, einen Umrichter zu entwickeln, der eine minimale Anzahl von Bauelementen umfasst und insbesondere eine minimale Anzahl von Hochleistungsbauelementen umfasst, die teuer sind und häufig erhebliches Volumen und erheblichen Platz verbrauchen, so dass sie sich nachteilig auf die Größe des für den Umrichter erforderlichen Gehäuses auswirken.
  • Außer Anwendungen mit einer einzelnen Ausgabe gibt es Fälle, in denen erwünscht ist, von einer einzelnen Leistungsquelle mehrere Ausgaben zu liefern. Zum Beispiel wird die Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge sowie Hybridelektrofahrzeuge wie etwa Kraftfahrzeuge betrachtet, in denen die elektrische Leistung aus einer einzelnen Quelle verwendet wird, um zahlreichen Teilsystemen Leistung zuzuführen. Diese Teilsysteme können ein Batterieladegerät, Hilfslasten wie etwa Lampen sowie das Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen-Teilsystem (HVAC-Teilsystem) enthalten. Ein weiteres Beispiel einer Mehrausgangs-Leistungsanwendung ist der Personal Computer, in dem mehrere Teilsysteme wie etwa der Kartengestellrahmen, das Festplattenlaufwerk und das Diskettenlaufwerk durch eine einzelne Leistungsversorgung angesteuert werden müssen.
  • Die Lieferung von Leistung von einer einzelnen Leistungsversorgung an mehrere Ausgaben ist kompliziert, falls jede Ausgabe eine getrennte Steuerung oder Regelung erfordert. Zum Beispiel kann es in dem oben erwähnten Beispiel des Elektrofahrzeugs erforderlich sein, dass die Leis tung, die an Hilfslasten geliefert wird, ein Standard-l2-Volt-Gleichspannungssignal ist, während das HVAC-Teilsystem eine Signalspannung von mehr als 12 Volt Gleichspannung erfordert. Bei Verwendung von Resonanzumrichtern des Standes der Technik in Mehrausgabeanwendungen, in denen jede Ausgabe unabhängig geregelt werden soll, können Kosteneinsparungen, die sich aus der Realisierung einer einzelnen Leistungsversorgung ergeben, durch die Notwendigkeit, getrennte Mechanismen zur Regelung jeder der Ausgaben bereitzustellen, zunichte gemacht werden.
  • Während die Regler die Eingabe in einen Transformator einstellen, sind allgemein für jede Ausgabe getrennte Regelungsmechanismen erforderlich. Wenn z. B. ein PWM-Umrichter verwendet wird, um einen Hochfrequenz-Trenntransformator anzusteuern, erfordert jede Ausgabe einen getrennten PWM-Wechselrichter zur unabhängigen Laststeuerung und -regelung. Die Notwendigkeit, dass jeder Ausgabe ihre eigene Regelstufe zugeordnet wird, führt wegen der Anzahl der Bauelemente, die für die unabhängige Steuerung jeder Ausgabe erforderlich sind, zu einer Zunahme der Kosten und zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit.
  • Auch bei Resonanzumrichtern, bei denen die Regelung durch Steuern der Betriebsfrequenz erreicht wird, ist in einer Mehrausgabeanwendung im Allgemeinen eine getrennte Regelung für jede Ausgabe erforderlich. Ein verbesserter Zweiausgaben-Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichter ist im US-Patent Nr. 4.628.426 offenbart. In diesem Umrichter wird die Steuerung einer der Ausgaben durch Impulsbreitenmodulation erzielt, während die Steuerung der anderen Ausgabe durch Frequenzeinstellung erreicht wird. Der Umrichter des US-Patents Nr. 4,628,426 ist gegenüber einigen Mehrausgabeumrichtern dadurch vorteilhaft, dass eher für beide Ausgaben nur eine einzelne Leistungsschaltstufe erforderlich ist, als dass eine Leis tungsschaltstufe für jede Ausgabe erforderlich ist. Falls in einer Anwendung des Umrichters des US-Patents Nr. 4.628.426 mehr als zwei unabhängig gesteuerte Ausgaben erforderlich sind, werden allerdings zusätzliche herkömmliche Regler verwendet, um die zusätzlichen Ausgaben zu unterstützen. Somit ist es erwünscht, einen Resonanzkreis zur Verwendung in einer Mehrausgabe-Leistungsumrichtungsanwendung zu schaffen, der die Anzahl der Regelungsbauelemente, die erforderlich sind, um eine unabhängige Steuerung jeder Ausgabe zu liefern, begrenzt, um dadurch die Kosten der Schaltungsanordnung zu minimieren und außerdem die potentielle Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Schaltung zu verringern. Unter idealen Umständen ist es bevorzugt, für die Unterstützung mehrerer unabhängig gesteuerter Ausgaben nur eine Leistungsschaltstufe zu nutzen.
  • Außer den Problemen im Zusammenhang mit der unabhängigen Steuerung jeder Ausgabe in einer Mehrausgabeanwendung ist die Steuerung einzelner oder mehrerer Ausgaben in einigen Anwendungen allgemein beschränkt. Zum Beispiel wird die Beziehung zwischen der gewünschten Ausgangsspannung und dem gewünschten Ausgangsstrom betrachtet. Wie hier zuvor festgestellt wurde, ist ein Vorteil von Reihenresonanzumrichtern die Fähigkeit, über einen Bereich der Ausgangsspannungen einen verhältnismäßig konstanten Ausgangsstrom zu erhalten. Allerdings fällt der Ausgangsstrom des Umrichters bei einer bestimmten Ausgangsspannung (d. h. bei der Ausgangsspannung, bei der das Eingangs/Ausgangs-Spannungstransformationsverhältnis eins ist, was hier als der "Ausgangsspannungsschwellenwert" bezeichnet wird) rasch auf null. Somit wird jenseits des Ausgangsspannungsschwellenwerts im Wesentlichen kein Strom von dem Umrichter ausgegeben. Wenn die Eingangsspannung in den Umrichter abnimmt, ist die Stromcharakteristik problematisch. Genauer führt eine Abnahme der Eingangsspannung über einen schmaleren Bereich der Ausgangsspannung, d. h. bis zu einem unteren Ausgangsspannungsschwellenwert, zu einem niedrigeren Ausgangsstrom. Somit ist es bei einem bestimmten Wert der Ausgangsspannung möglicherweise unmöglich, den gewünschten Ausgangsstrom oder überhaupt irgendeinen Strom zu erzielen, falls die Ausgangsspannung abnimmt. Zum Beispiel ist die an den Umrichter gelieferte Anfangseingangsspannung beim Start einer Leistungsversorgung wie etwa der Leistungsversorgung eines Elektromotorfahrzeugs kleiner als während des Normalbetriebs. Somit kann sich bei der erforderlichen Ausgangsspannung beim Start ein ungenügender (d. h. im Wesentlichen null) Strom zum Ansteuern der mit dem Ausgang verbundenen Last ergeben. Somit ist erwünscht, eine steuerbare Leistungsumrichtungs-Schaltungsanordnung zu schaffen, die jenseits des Ausgangsspannungsschwellenwerts herkömmlicher Reihenresonanzumrichter einen Ausgangsstrom liefert. Auf diese Weise liefert der Umrichter ausreichend Ausgangsstrom, um eine mit dem Ausgang des Umrichters verbundene Last unter niedrigeren Eingangsspannungsverhältnissen anzusteuern, als es bei einer herkömmlichen Leistungsumrichtungs-Schaltungsanordnung möglich ist.
  • Die obige erwünschte Umrichtercharakteristik wird weitgehend durch einen Resonanzkreis erreicht, der einen gesteuerten Transformator verwendet, wie er im US-Patent Nr. 5737203 des Anmelders mit dem Titel "CONTROLLED-K RESONATING TRANSFORMER" dargelegt ist. Allerdings ist häufig erwünscht, die gleichen Vorteile in Schaltungen zu erzielen, die nicht notwendig einen Transformator erfordern. Selbst dort, wo Transformatoren verwendet werden, ist gelegentlich erwünscht, herkömmliche Transformatorkonstruktionen zu verwenden, die nicht die gleichen Konstruktionsbetrachtungen wie ein gesteuerter Transformator besitzen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist die Regelung der Ausgabe eines Resonanzumrichters, der bei einer festen Schaltfrequenz arbeitet und in dem die Verwendung eines Transformators optional ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Resonanzumrichter nach Anspruch 1. Eine weitere Aufgabe in einem solchen Umrichter ist die Schaffung mehrerer geregelter Ausgaben. Eine weitere Aufgabe in einem solchen Umrichter ist die Erzeugung einer minimalen EMI. Eine nochmals weitere Aufgabe in einem solchen Umrichter ist das Liefern eines Ausgangsstroms jenseits des Ausgangsspannungsschwellenwerts herkömmlicher Reihenresonanzumrichter.
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen LC-Resonanzkreis, der einen Resonanzkondensator, eine Reiheninduktionsspule und eine Steuerinduktionsspule parallel zu dem Kondensator umfasst. Der Kreis kann sowohl in Einzelausgabe- als auch in Mehrausgabe-Leistungsumrichtungsanwendungen verwendet werden. Die Verwendung des Kreises in Mehrausgabeanwendungen schafft einen Mechanismus, durch den im Vergleich zu Mehrausgabe-Leistungsumrichtern des Standes der Technik jede Ausgabe bei niedrigeren Herstellungskosten, mit verbesserter Zuverlässigkeit und mit einem kleineren für den Umrichter erforderlichen Gehäuse unabhängig geregelt werden kann. Außerdem kann im Vergleich zu herkömmlichen Reihenresonanzumrichtern bei niedrigeren Werten der Eingangsspannung ein Ausgangsstrom erzeugt werden.
  • In einer Form hiervon umfasst die Erfindung einen LC-Resonanzkreis, der durch eine Wechselstromversorgung angesteuert wird und einen Resonanzkondensator und eine Reiheninduktionsspule umfasst. Die effektive Kapazität des Kondensators ist wegen einer gesteuerten Induktionsspule parallel zu dem Kondensator veränderlich. Mit dem Resonanzkreis ist entweder direkt oder über einen Transformator eine Last gekoppelt. Die Last kann in Reihe mit den LC-Elementen sein, um einen Reihenresonanzkreis zu bilden, oder parallel zu einem von ihnen sein, um einen Parallelresonanzkreis zu bilden. Die Induktionsspule enthält einen Magnetkern und eine Leistungswicklung sowie eine auf den Kern gewickelte Steuerwicklung. Die Leistungswicklung ist zu dem Resonanzkondensator des Resonanzkreises parallel geschaltet. Die Steuerwicklung erzeugt in Reaktion auf das Anlegen eines Gleichstroms daran in dem Kern einen Fluss, um dadurch die Permeabilität des Kerns und somit die Induktivität der Leistungswicklung zu steuern, d. h. der Gleichstrom setzt den Betriebsbereich auf der Permeabilitätskurve fest. Je nach der Wirkung der Steuerwicklung ist die Leistungswicklung bei der Wechselstromversorgungsfrequenz oder höher mit dem Kondensator in Resonanz, um die effektive Kapazität des Kondensators zu beeinflussen und dadurch die Ausgabe des Resonanzkreises zu steuern. Durch eine Wechselstromversorgung kann mehr als ein gesteuerter LC-Kreis angesteuert werden, wobei jeder durch eine gesteuerte Induktionsspule geregelt wird, um mehrere Ausgaben zu ermöglichen.
  • Die Wechselstromversorgung für die oben beschriebene Schaltung kann ein Halbbrückenwechselrichter sein, der ein Paar Leistungsschalter umfasst, die durch eine Gleichstromquelle versorgt werden. Ein weiterer üblicher Typ einer Wechselstromversorgung ist ein Vollbrückenwechselrichter mit vier Leistungsschaltern. Es kann dann vorteilhaft sein, einen symmetrischen LC-Kreis zu verwenden, der auf jeder Seite der Last einen gesteuerten Resonanzkreis aufweist. Für die symmetrische Schaltung ist auf einem gemeinsamen Kern für jeden Resonanzkreis eine Leistungswicklung gewickelt, die durch eine einzelne Steuerwicklung gesteuert wird. Somit können die gesteuerten Induktionsspulen entweder eine oder zwei Leistungswicklungen aufweisen.
  • Die Regelung der Umrichterausgabe wird durch eine Rückkopplungsschaltung ausgeführt, um die Ausgangsspannung mit einer Standardsollspannung zu vergleichen, um eine Differenzspannung zu erzeugen und eine Steuerspannung zu produzieren, die die Induktivität der Leistungswicklung ausreichend ändert, um die Differenzspannung auf null zu verringern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die oben erwähnten und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung und die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden offensichtlicher und die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibungen von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Prinzipschaltbild einer Leistungsumrichtungsschaltung ist, die von einer einzelnen Leistungsversorgung mehrere geregelte Ausgaben liefert und Reihenresonanzkreise mit gesteuerten Induktionsspulen gemäß der Erfindung umfasst, wobei sie eine Ausführungsform einer Regelschaltung zeigt;
  • 2 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer Leistungsumrichtungsschaltung gemäß der Erfindung ist, die einen Reihenresonanzumrichter umfasst, der direkt, ohne einen Transformator, mit einer Last gekoppelt ist;
  • 3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer Leistungsumrichterschaltung gemäß der Erfindung ist, die einen Parallelresonanzkreis umfasst;
  • 4 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer Leistungsumrichterschaltung gemäß der Erfindung ist, die eine Vollbrückenleistungsversorgung und einen symmetrischen Reihenresonanzkreis aufweist;
  • 5A eine Vorderansicht einer Ausführungsform der gesteuerten Induktionsspule der vorliegenden Erfindung mit einer Einzelleistungswicklung ist, die für die Schaltungen der 13 geeignet ist, wobei der Kern E-förmig ist und die Steuerwicklung zwei Gleichstromwicklungen umfasst;
  • 5B ein Prinzipschaltbild einer gesteuerten Induktionsspule der Ausführungsform aus 5A ist;
  • 6A, 6C und 7A Vorderansichten zusätzlicher Ausführungsformen der gesteuerten Induktionsspule der vorliegenden Erfindung sind, wobei der Kern E-förmig ist und zwei für die Schaltung aus 4 geeignete Leistungswicklungen aufweist;
  • 6B und 7B Prinzipschaltbilder der gesteuerten Induktionsspulen der 6A bzw. 7A sind;
  • 8A und 9A isometrische Ansichten weiterer Ausführungsformen der gesteuerten Induktionsspule der vorliegenden Erfindung mit zwei Ringkernen und zwei Leistungswicklungen sind;
  • 8B und 9B Prinzipschaltbilder der gesteuerten Induktionsspulen der 8A bzw. 9A sind;
  • 10A eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der gesteuerten Induktionsspule der vorliegenden Erfindung ist, die aus zwei Ringkernhälften besteht, die am Äquator des Kerns verbunden sind;
  • 10B eine isometrische Ansicht einer der Kernhälften aus 10A ist; und
  • 10C ein Prinzipschaltbild der gesteuerten Induktionsspule aus 10A ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die folgende Beschreibung ist auf die Verwendung gesteuerter Resonanzinduktionsspulen in Reihen- oder Parallelresonanzumrichtern gerichtet, wobei aber erkannt werden sollte, dass die Erfindung ebenfalls auf verschiede Quasi-Resonanz- und Reihen/Parallel-Hybrid-Resonanzumrichter-Konfigurationen angewendet werden kann.
  • Eine Festfrequenzwechselstromversorgung 10 in 1 besteht aus einer Gleichstrom-Leistungsquelle, aus einem Halbbrückenumrichter, der aus Leistungsschaltern 12 mit antiparallelen Dioden 14 besteht, und aus einem Paar Kondensatoren 16 über die Gleichstromquelle, um einen Wechselstromansteuerungs-Mittelpunkt 17 zu bilden. Die Schalter werden durch eine nicht gezeigte Taktschaltung gesteuert und können z. B. IGBTs oder MCTs (MOS-gesteuerter Thyristoren) sein, die bei bis zu 500 kHz arbeiten können, oder können Leistungs-MOSFETs sein, die bei Frequenzen so hoch wie 10 MHz arbeiten können.
  • Ein durch die Wechselstromversorgung 10 angesteuerter Resonanzumrichter 18 umfasst eine Reihentankschaltung, die eine Induktionsspule 20 in Reihe mit einem Resonanzkondensator 22, mit der Primärwicklung eines Transformators 24 und mit der Wechselstromversorgung umfasst. Eine Paralleltankschaltung umfasst den Kondensator 22 und eine gesteuerte Induktionsspule 26 parallel zu dem Kondensator. Die Sekundärwicklung des Transformators ist über eine Diodenbrücke 28 mit einem Filterkondensator 30 gekoppelt. Die gefilterte Ausgabe der Brücke 28 umfasst die Gleichstromausgabe des Resonanzumrichters.
  • Die gesteuerte Induktionsspule 26 kann durch einen Gleichstrom in ihrer Steuerwicklung 32 über einen weiten Induktivitätsbereich geändert werden und besitzt die Wirkung, die effektive Kapazität des Resonanzkondensators 22 zu ändern oder einzustellen. Durch eine geeignete Steuerung der Induktionsspule kann dann die Ausgangsspannung des Umrichters geregelt werden. Die Leistungswicklung 26' der gesteuerten Induktionsspule ist auf einen Kern mit der Steuerwicklung gewickelt. Ein Ende der Steuerwicklung 32 ist mit Vps, einer kleinen, nicht geregelten Gleichspannungsquelle von z. B. 3 bis 12 Volt wie etwa +out (12 V), verbunden. Das andere Ende der Steuerwicklung 32 ist mit der Regelschaltung 34 verbunden, die den Strom der Steuerwicklung steuert, um einen gesteuerten Fluss in dem Kern zu erzeugen, der den Kern auf ein Betriebsgebiet auf seiner Permeabilitätskurve vorspannt, um die Permeabilität des Kerns effektiv festzusetzen. Der Strom ist von null bis auf einen Sättigungswert kontinuierlich veränderlich, so dass sich die Permeabilität von einem Maximalwert für hohe Induktivität bei einem Strom von etwa null auf einen niedrigen Wert und eine niedrige Induktivität bei hohem Strom ändern kann.
  • Die Regelschaltung 34 vergleicht die Ausgangsspannung, die in diesem Beispiel 12 Volt beträgt, mit einer 12 V-Referenz. Ein Eingang eines Fehlerverstärkers 35 ist mit einer Masseleitung des Ausgangs verbunden, während der andere Eingang über gleiche Widerstände 36 mit der Referenz und mit dem positiven Ausgang verbunden ist, um null zu erhalten, wenn die Ausgabe gleich der Referenz ist. Irgendeine Abweichung von der Referenz widerspiegelt sich in der Ausgabe des Verstärkers 35 und wird einem weiteren Verstärker 38 zur Verstärkung zugeführt. Die Ausgabe steuert einen FET 39 an, der mit der Steuerwicklung 32 und einer 3-V-Vorspannung in Reihe geschaltet ist.
  • In der bevorzugten Betriebsart besitzen die Schalter 12 gleich beabstandete Ein-Zeiten und werden jeweils zwischen 25% und 45% der Gesamtperiode eingeschaltet. Die kurze Ein-Zeit wird verwendet, wenn die Resonanz-Tank-Lasten an der Versorgung keine größere Ein-Zeit erfordern. Wenn es die Lasten erfordern, wird eine Ein-Zeit von etwa 45% verwendet. Die Reihentankschaltung, die die Induktionsspule 20 und den Kondensator 22 umfasst, ist so konstruiert, dass sie etwa beim Doppelten der Betriebsfrequenz der Leistungsversorgung in Resonanz ist, während die Paralleltankschaltung, die den Kondensator 22 und die gesteuerte Induktionsspule 26 umfasst, so konstruiert ist, dass bei der Betriebsfrequenz die Parallelresonanz erreicht wird, wenn die Induktionsspule 26 in ihrem Minimalwert (maximalen Steuerstrom) ist.
  • Wie aus 1 hervorgeht, kann von der gleichen Festfrequenz-Leistungsversorgung 10 mehr als eine Reihenresonanz-Umrichterschaltung betrieben werden. Genauer ist mit der Wechselstromversorgung ebenfalls ein zweiter Resonanzkreis 18 gekoppelt, der im Wesentlichen wie der erste Kreis 18 ist. Allerdings kann der zweite Kreis (und können weitere Kreise) durch eine andere Ausgangsspannung geregelt werden. Eine Regelschaltung 34', die der Regelschaltung 34 gleichwertig ist, ist in den Zeichnungen als ein IDC-Steuerung genannter Block gezeigt. Die Transformatoren in den Ausgangsschaltungen dienen zur Trennung sowie zum Herauf- und/oder Heruntertransformieren. Sie können die gleichen oder verschiedene Leistungskapazitäten und Übersetzungen haben.
  • Im Betrieb des Umrichters 10 bilden die Kondensatoren 16 einen Wechselstromansteuerungs-Mittelpunkt, wobei sie eine sehr viel größere Kapazität als der Kondensator 22 haben und somit an den Resonanzwirkungen der Ausgangstanks im Wesentlichen nicht beteiligt sind. Der Umrichter erzeugt bei einer festen Betriebsfrequenz eine Quasi-Rechteckschwingungsspannung. Durch diese Signalform wird jede Ausgangstankschaltung angesteuert. Jeder Resonanztank trägt einen Strom zu den Schaltern 12 bei, wobei er aber eine vernachlässigbare Änderung der Spannungssignalform erzeugt, die die Schalter an die anderen Tanks anlegen.
  • Im Betrieb der Resonanzausgangsschaltungen 18 und 18' bilden die Induktionsspule 20, der Kondensator 22 und die Leckinduktivität des Transformators eine Reihenresonanz-Leistungstankschaltung. Die gesteuerte Induktivität 26 über den Kondensator 22 besitzt eine Konstruktion, die ermöglicht, dass ihre Induktivität über einen Bereich von typisch bis zu 100 zu 1 oder mehr gesteuert wird. Die Ausgangsspannungen der Schaltungen 18 und 18' werden durch Ändern der Induktivität der jeweiligen gesteuerten Induktionsspulen 26 gesteuert. Das Ändern der gesteuerten Induktionsspule kann in der Weise betrachtet werden, dass der Kondensator 22 zu einem veränderlichen Kondensator gemacht wird. Der Reihentank ist so abgestimmt, dass er etwa beim Doppelten der Betriebsfrequenz der durch den Wechselrichter 10 erzeugten Festfrequenz-Rechteckschwingungen resonant ist. Auch wenn es nicht immer erforderlich ist, veranlasst dies eine Nullstromschaltung. In diesem Zustand wird eine minimale EMI erreicht. Auf Wunsch kann die Reihentankresonanz frequenz aber kleiner als das Doppelte der Betriebsfrequenz sein, obgleich dies zu einem "harten Schalten" und einer größeren EMI führt.
  • Um eine maximale Ausgabe zu erreichen, wird die Induktivität der gesteuerten Induktionsspule 26 maximal gemacht, d. h. ein Steuerstrom in der Steuerwicklung 32 etwa zu null gemacht. Die Impedanz der gesteuerten Induktionsspule ist dann typisch wenigstens die 100-fache derjenigen des Kondensators 22. Bei ihrer minimalen Induktivität hat die gesteuerte Induktionsspule wenig Wirkung auf den Betrieb und auf die Ausgabe des Reihenresonanzkreises. Um eine minimale Ausgabe zu erzielen, wird die gesteuerte Induktivität minimal gemacht, so dass sie bei der Betriebsfrequenz mit dem Kondensator 22 in Resonanz ist. Dies bringt effektiv eine hohe Impedanz in Reihe mit dem Reihentank und verringert die Ausgabe auf ein Minimum.
  • Als eine Variante könnte anstelle der getrennten Induktionsspule 20 die Primärwicklung des Transformators als die Resonanzinduktionsspule verwendet werden. In diesem Fall würde der Transformator mit einer für die Reihentankschaltung ausreichenden Streuinduktivität konstruiert.
  • Die Resonanzumrichterschaltungen enthalten nicht notwendig einen Transformator. Zum Beispiel ist die Diodenbrücke 28 in 2 direkt mit dem Reihentank gekoppelt, der die Induktionsspule 20 und den Kondensator 22 umfasst. Das Schaltzeichen der veränderlichen Induktionsspule 26 bedeutet in dieser Figur die veränderliche Induktionsspule, wie sie für 1 beschrieben wurde, sowie die Idc-Steuerung 34'. Diese Schaltung kann ebenfalls in einer Mehrausgangskonfiguration ausgedrückt werden.
  • 3 veranschaulicht einen Parallelresonanzumrichter, der einen Transformator verwendet. Abgesehen davon, dass die Resonanzkapazität in zwei Kondensatoren 22a und 22b verteilt ist, sind die Bauelemente und die Schaltungskonfiguration die gleichen wie in 1. Die gesteuerte Induktionsspule 26 ist parallel zu dem Kondensator 22a und die Primärwicklung des Transformators 24 ist über den Kondensator 22b geschaltet. Der Transformator ist optional, so dass alternativ die Diodenbrücke 28 über den Kondensator 22b geschaltet ist. In einer weiteren Konfiguration könnte die Last über die Induktionsspule 20 geschaltet sein.
  • In 4 ist eine symmetrisch angesteuerte Resonanzleistungsversorgung gezeigt, die gesteuerte Resonanzinduktionsspulen verwendet. Eine Festfrequenz-Wechselstromversorgung 10' enthält einen Vollbrückenwechselrichter, der zwei Paar Leistungsschalter 12' und 12'' mit antiparallelen Dioden 14' und eine Gleichstromquelle für die Brücke umfasst. Die Verbindungsstelle eines Paars der Schalter 12' ist über eine Induktionsspule 20a und einen Resonanzkondensator 22a mit einer Seite der Primärwicklung des Transformators 24 verbunden, während die Verbindungsstelle des anderen Paars der Schalter 12'' über eine Induktionsspule 20b und einen Resonanzkondensator 22b mit der anderen Seite der Primärwicklung verbunden ist. Eine Leistungswicklung 26a der gesteuerten Induktionsspule ist über den Kondensator 22a gekoppelt und eine weitere Leistungswicklung 26b der gesteuerten Induktionsspule ist über den Kondensator 22b gekoppelt. Beide Leistungswicklungen sind zusammen mit einer einzelnen Steuerwicklung 32, die durch die Idc-Steuereinheit 34 gespeist wird, auf den gleichen Kern gewickelt, um selbst bei Änderung der Induktivität zur Regelung die Symmetrie in der Schaltung sicherzustellen.
  • Die 5A10C zeigen mehrere Realisierungen der gesteuerten Resonanzinduktionsspulen. Sie verwenden sämtlich den Zusatz eines unipolaren Flusses zur Steuerung der Permeabilität der Kerne. Dieser "Gleich"-Fluss ist in den Figuren durch die mit B bezeichnete Flusskomponente reprä sentiert. Die Richtung des Flusses B hängt von der Polarität der zur Steuerung verwendeten Stromquelle ab. Die tatsächliche Richtung des Flusses B ist unerheblich. Für Steuerungszwecke wird die Amplitude des Flusses B von einem niedrigen, der typisch null ist, zu einem hohen, der typisch in einem Magnesium-Zink-Ferrit mit einer Koerzitivkraft von etwa 20 bis 30 Oersted erzielt wird, geändert.
  • Der bipolare Fluss ist in allen Fällen durch die als A bezeichnete Flusskomponente repräsentiert. Obgleich dieser "Wechsel"-Fluss in einer Richtung gezeigt ist, um das Verständnis der Wechselwirkung der "Gleich"- und der "Wechsel"-Komponente des Flusses zu erleichtern, kehrt er die Richtung in einem mehrfachen, typisch dem einfachen, der Betriebsfrequenz um. Bei der Betriebsfrequenz ist die Amplitude des Flusses A typisch quasi-sinusförmig und sein Spitzenwert wesentlich niedriger als der Maximalwert des Flusses B.
  • Die 5A und 5B zeigen eine Vorgehensweise zur Wicklung einer Resonanzinduktionsspule 40 mit einer zusätzlichen Wicklung zur Steuerung. Die Induktionsspule 40 besitzt einen E-förmigen Kern 42 mit Randschenkeln 44 und 46 und einem Mittelschenkel 48. Auf den Mittelschenkel 48 ist eine Leistungswicklung 50 mit den Enden 1 und 2 gewickelt, wobei eine Steuerwicklung einen ersten Abschnitt 54 (mit den Enden 5 und 6) auf dem Schenkel 44 und einen zweiten Abschnitt 56 (mit den Enden 7 und 8) auf dem Schenkel 46 umfasst. Der Phasenabgleich der Abschnitte 54 und 56 ist wichtig. Die Steuerwicklungen sind so konstruiert, dass sie ein Gleichstrom-Ampere-Wicklungs-Produkt liefern, das angemessen ist, um das Kernmaterial beim Maximalwert des Steuerstroms in eine tiefe Sättigung anzusteuern. Der Steuerstrom erzeugt in dem Kern den Fluss B, der das Betriebsgebiet auf der Permeabilitätskurve bestimmt und somit von einem Strom null zum Erzielen einer maximalen Permeabilität bis zu einem Sättigungsstrom, der eine niedrige Permeabilität bewirkt, kontinuierlich veränderlich ist.
  • Im Gegensatz zu einem magnetischen Verstärker oder einer Sättigungsdrossel verwendet die gesteuerte Resonanzinduktionsspule eine unipolare Sättigung. Da ihr Kern nicht schaltet, arbeitet sie mit verhältnismäßig niedrigem Leistungsverlust und Geräusch. Die Steuerwicklung ist eine Reihen- oder Parallelschaltung der zwei Wicklungsabschnitte, die in der Weise phasenabgeglichen ist, dass sich die in den zwei Abschnitten induzierten Spannungen mit Ausnahme einiger kleiner harmonischer Teilschwingungen aufheben. Somit fließt in der Steuerwicklung hauptsächlich der Steuergleichstrom mit einer kleinen Wechselstromkomponente.
  • Die Leistungswicklung ist so konstruiert, dass sie den minimal erforderlichen Induktivitätswert erzeugt. Bei tiefer Sättigung des Kernmaterials kann die minimale Induktivität in einer ersten Näherung als der Wert geschätzt werden, den die gleiche Wicklung in einer räumlich geometrischen Wicklungsinduktivität hätte. Um für einen gegebenen Kern eine gesteuerte Induktionsspule mit maximaler Nennbelastbarkeit (VA-Nennwert) zu erzeugen, sollte die Leistungswicklung normalerweise gleichmäßig über die volle Länge des Mittelschenkels 48 verteilt sein. Allerdings kann der Minimalwert der Induktivität für eine gegebene Dichte des Steuergleichflusses nicht nur durch Ändern der Anzahl der Windungen, sondern auch durch Ändern der Verteilung dieser Windungen über den mittleren Schenkel geändert werden.
  • Der spezifische Typ des für die Leistungswicklung verwendeten Drahts muss für seine Strombelastbarkeit bei der besonderen Betriebsfrequenz gewählt werden. Obgleich es möglich ist, die gesteuerten Induktionsspulen dieser Offenbarung bei Betriebsfrequenzen zu verwenden, die von 100 MHz unterhalb des Hörbereichs reichen könnten, reichen typische Betriebsfrequenzen von 10 kHz bis 10 MHz. Es ist festgestellt worden, dass Litzendraht oder dünne Folienwicklungen über den typischen Bereich am besten geeignet sind, da sie Verluste in der Leistungswicklung durch den Proximity-Effekt und durch den Skin-Effekt verringern können. Da die Wechselstromkomponente in der Steuerwicklung inhärent niedrig ist, kann sie allgemein mit herkömmlichem Magnetdraht gewickelt werden. Da die Wechselspannung, die in jedem Wicklungsabschnitt einer Steuerwicklung induziert wird, die (wie in 4A und 4B) die Phasenauslöschung verwendet, hoch sein kann, kann in einigen Konstruktionen Draht mit Hochspannungsisolation (wie etwa eine vierfach isolierte Polythermaleze) erforderlich sein. Diese Wicklungsbetrachtungen betreffen allgemein ebenfalls die anderen gesteuerten Induktionsspulenkonfigurationen dieser Offenbarung.
  • Es ist wichtig anzumerken, dass dann, wenn eine gesteuerte Induktionsspule in einem Parallelresonanz-Steuertank arbeitet, die Bestimmung ihrer Nennleistungsanforderung spezielle Betrachtung erfordert. Die Nennspannungsanforderung wird durch ihren Betrieb bei ihrer maximalen Induktivität bestimmt – wo der bipolare Fluss in ihrem Kern maximal ist. Allerdings ist bei ihrer maximalen Induktivität der Kupferverlust – einschließlich dessen in der Steuerwicklung – minimal.
  • Die Nennstromanforderung ist durch den Betrieb der gesteuerten Induktionsspule bei ihrer minimalen Induktivität bestimmt. Hier arbeitet der Parallelresonanz-Steuertank bei der oder in der Nähe der Resonanz. Der Strom, der in diesem Tank umläuft, und der Strom, der in der Gleichspannungs-Vorspannungswicklung fließt, sind auf ihren Maximalwerten. Die "Wechsel"-Flussauslenkungen in dem Kernmaterial sind klein:
    Somit sind die Kernverluste minimal. Das Kernverlustmaximum tritt bei einem mittleren Wert des "Gleich"-Flusses auf.
  • Somit ist zu sehen, dass der ungünstigste Fall für den Gesamtverlust in einer typischen Konstruktion, bei der der Maximalwert des Kernverlustes etwa gleich dem Maximalwert des Gesamtwicklungsverlusts ist, bei einem Arbeitspunkt zwischen der maximalen und der minimalen Induktivität auftritt.
  • Die im Folgenden beschriebenen Konfigurationen der gesteuerten Induktionsspule stellen zwei Leistungswicklungen bereit. Diese sind vorteilhaft in Schaltungen, die, wie in 4 gezeigt ist, eine symmetrische Vollbrückenansteuerung verwenden. Der größte Vorteil der Verwendung einer solchen Induktionsspule in einer symmetrischen Schaltung ist, dass die Verwendung einer einzelnen Zweiwicklungs-Induktionsspule anstelle zweier etwas kleinerer Einwicklungs-Induktionsspulen dazu neigt, die Kosten, das Gehäusevolumen und das Gewicht zu verringern. Außerdem gibt es den Vorteil, dass die Kopplung der Zweiwicklungseinheit inhärent dazu neigt, die Gleichheit der Steuerung und die Anpassung der Signalformen, die den Komponenten auf einer Seite der Last zugeordnet sind, im Vergleich zu jenen auf der anderen Seite der Last zu erzwingen. Dies wird am besten in irgendeiner der folgenden Konfigurationen unter Verwendung zweiadriger Wicklungen realisiert; d. h., die zwei Leistungswicklungen werden zusammen auf den Kern gewickelt, um eine feste Kopplung sicherzustellen. Die meisten Zeichnungen zeigen die Wicklungen getrennt, während in 6C die zweiadrigen Leistungswicklungen gezeigt sind.
  • Abgesehen von den zwei Leistungswicklungen, die beide auf den mittleren Schenkel 48 gewickelt sind, sind die 6A und 6B die gleichen wie die 5A und 5B. Die Induktionsspule 40' besitzt eine erste Leistungswick lung 51 mit den Enden 1 und 2 im oberen Abschnitt des Schenkels 48 und eine zweite Leistungswicklung 52 mit den Enden 3 und 4 im unteren Abschnitt des Schenkels 48. Es ist zu sehen, dass Änderungen des Steuerstroms die zwei Leistungswicklungen gleich und gleichzeitig beeinflussen. Die Leistungswicklungen können wie in der Zeichnung gezeigt so gewickelt sein, dass ihre Kopplung recht lose ist, oder können so gewickelt sein, dass ihre Kopplung viel stärker ist, wobei sie zum Beispiel wie in 6C zweiadrig gewickelt sein können. Auf jeden Fall hängt die Kopplung (der Koeffizient K) stark von dem Steuergleichfluss ab.
  • In der in den 7A und 7B gezeigten Induktionsspule 40'' ist ein weiterer E-förmiger Kern 42 verwendet. Auf den mittleren Schenkel 48 ist eine einzige Steuerwicklung 68 gewickelt, während die Leistungswicklungsabschnitte 6066 auf die Randschenkel gewickelt sind. Auf den Schenkel 44 ist ein Leistungsabschnitt 60 mit den Enden 1 und 2 gewickelt, der mit einem Leistungsabschnitt 62 mit den Enden 3 und 4 auf dem Schenkel 46 in Reihe geschaltet ist. Ähnlich befindet sich auf dem Schenkel 44 ein Leistungsabschnitt 64 mit den Enden 5 und 6, der mit einem Leistungsabschnitt 66 mit den Enden 7 und 8 auf dem Schenkel 46 in Reihe geschaltet ist. Diese Konfiguration erzeugt in der Steuerwicklung sehr wenig induzierte Wechselspannung von Windung zu Windung. Für Anwendungen wie die aus 1, die eine einzelne Leistungswicklung erfordert, können die Leistungsabschnitte auf Wunsch alle in einer einzelnen Leistungswicklung verbunden sein.
  • Die 8A und 8B veranschaulichen ein Paar Ringkerne 70 und 72, jeweils mit ringförmigen Flusspfaden für den Fluss A und für den Fluss B. Auf einer Seite des Kerns 70 ist ein erster Leistungswicklungsabschnitt 60 mit den Enden 1 und 2 gewickelt, und auf einer Seite des Kerns 72 ist ein zweiter Leistungswicklungsabschnitt 62 mit den Enden 3 und 4 gewickelt.
  • Die Abschnitte 60 und 62 sind verbunden, um eine Leistungswicklung zu bilden. Auf den Kern 70 ist dem Abschnitt 60 gegenüberliegend ein dritter Leistungswicklungsabschnitt 64 mit den Enden 5 und 6 gewickelt, und auf den Kern 72 ist dem Abschnitt 62 gegenüberliegend ein vierter Leistungswicklungsabschnitt 66 mit den Enden 7 und 8 gewickelt. Die Abschnitte 64 und 66 sind verbunden, so dass sie eine weitere Leistungswicklung bilden. Um die beiden Kerne 70 und 72 ist eine Steuerwicklung 68 gewickelt. Diese Konfiguration erzeugt in der Steuerwicklung eine sehr niedrige Induktion. Sie kann in mehrfachen der zwei Ringkerne verwendet werden.
  • Die 9A und 9B zeigen eine ähnliche Struktur wie die aus 8, aber mit verschiedenen Wicklungen. Die erste Leistungswicklung 50 mit den Enden 1 und 2 ist auf einer Seite um beide Kerne gewickelt, und die zweite Leistungswicklung 52 mit den Enden 3 und 4 ist auf der anderen Seite um beiden Kerne gewickelt. Die Steuerwicklung besitzt einen ersten Abschnitt 54 mit den Enden 5 und 6, der auf den Kern 70 gewickelt ist, und einen zweiten Abschnitt 56 mit den Enden 7 und 8, der auf den Kern 72 gewickelt ist, wobei die Abschnitte in Reihe geschaltet sind. In dieser Konfiguration wird in jedem der zwei Steuerwicklungsabschnitte eine große Wechselspannung entwickelt. Es wurde festgestellt, dass zweiadrige Wicklungen der Leistungswicklungen in der Ausführungsform aus 9A besonders nützlich sind. Die zwei hier offenbarten Ringkernkonstruktionen besitzen eine viel bessere Steuerbandbreite als die mit den E-förmigen Kernen.
  • Eine in den 10A, 10B und 10C gezeigte gesteuerte Induktionsspule 90 verwendet einen orthogonalen Steuerfluss zum Ändern der Permeabilität des Kerns. Ein Ringkern umfasst zwei Kernhälften 92 und 94, die in einer Mittelebene verbunden sind. Wie in 10B gezeigt ist, enthält ein ring förmiger Hohlraum in der Kernhälfte 92 die Steuerwicklung 100, wobei lediglich die Spulenenden 5 und 6 durch eine Öffnung in der Kernhälfte herausführen. Bei den verbundenen Kernhälften ist auf einer Seite des Kerns eine erste Leistungswicklung 96 mit den Enden 1 und 2 gewickelt und ist auf der anderen Seite des Kerns eine zweite Leistungswicklung 98 mit den Enden 3 und 4 gewickelt. Wie durch die Flusslinien A und B gezeigt ist, läuft der "Wechsel"-Fluss um den Ring um, während der "Gleich"-Fluss B parallel zur Ringachse oder orthogonal zu dem "Wechsel"-Fluss ist. Diese Konstruktion kann mit einer oder mit zwei Leistungswicklungen realisiert sein, die auf einen oder mehrere Kerne gewickelt sind, wobei jeder Kern seine eigene eingebettete Steuerwicklung aufweist. Dies liefert die minimale Wechselstrominduktion in der Gleichstrom-Steuerwicklung und das niedrigste umgebende Flussfeld (Streufeld) – falls die Leistungswicklungen gleichförmig über 360 Grad verteilt sind. Andererseits verursacht die orthogonale Flusssteuerung verhältnismäßig wenig Änderung der Permeabilität auf dem Pfad des "Wechsel"-Flusses und besitzt somit einen begrenzten Steuerbereich der Induktivität (allgemein weniger als 5 zu 1).
  • Somit ist zu sehen, dass Resonanzumrichter zur Erzeugung einer oder mehrerer geregelter Ausgaben von einer einzelnen Wechselstromleistungsversorgung zur effizienten Leistungsumsetzung unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Bauelementen für Gehäuse mit verringerter Größe und niedrigeren Kosten im Vergleich zu früheren Resonanzumrichter-Konfigurationen hergestellt werden können. Außerdem ermöglichen der große Steuerbereich der gesteuerten Induktionsspule und die Verwendung von Transformatoren mit niedriger Magnetisierungsinduktivität Ausgangsströme jenseits des Ausgangsspannungsschwellenwerts herkömmlicher Reihenresonanzumrichter; somit liefert der Umrichter bei niedrigerer Eingangsspannung mehr Ausgangsstrom, als es bei einer herkömmlichen Leistungsumrichtungs-Schaltungsanordnung möglich ist.

Claims (18)

  1. Resonanzumrichter (18), der eine Gleichstromausgabe aus einer Wechselstromquelle (10) mit einer festen Betriebsfrequenz liefert, wobei der Resonanzumrichter (18) eine Reihentankschaltung (20, 22) umfasst, die durch die Wechselstrom-Leistungsquelle (10) angesteuert wird, um die Gleichspannungsausgabe zu liefern, wobei die Reihentankschaltung eine Tankinduktionsspule (20) und einen Tankkondensator (22) enthält, die in Reihe geschaltet sind, wobei der Resonanzumrichter ferner eine Paralleltankschaltung (22, 26) umfasst, wobei die Paralleltankschaltung den Resonanzkondensator (22) und eine Induktionsspule (26) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (26) eine gesteuerte Induktionsspule (26) ist, die mit dem Tankkondensator (22) gekoppelt ist, wobei die gesteuerte Induktionsspule (26) eine Leistungswicklung (26') und eine Steuerwicklung (32), die auf einen Kern (42) mit veränderlicher Permeabilität gewickelt sind, enthält, wobei die Leistungswicklung (26') zu dem Tankkondensator (22) parallel geschaltet ist; und eine Steuerschaltung (34), die auf die Gleichstromausgabe reagiert und mit der Steuerwicklung (32) gekoppelt ist, die Permeabilität des Kerns (42) steuert, um durch Ändern der Induktivität der gesteuerten Induktionsspule (26) die effektive Impedanz des Tankkondensators (22) zu ändern und dadurch die Gleichstromausgabe zu regeln.
  2. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, der wenigstens eine zusätzliche Tankschaltung (20, 22) umfasst, die durch die Wechselstromquelle (10) angesteuert wird und durch eine zusätzliche gesteuerte Induktionsspule (26) unabhängig gesteuert wird, um eine getrennte Gleichstromausgabe zu erzeugen.
  3. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem mit der Reihentankschaltung (22, 20) eine Last (24) in Reihe geschaltet ist.
  4. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem zu der Reihentankschaltung (20, 22) eine Last (24) parallel geschaltet ist.
  5. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, der einen Transformator (24) enthält, dessen Primärwicklung mit dem Tankkondensator (22) und mit der Tankinduktionsspule (20) gekoppelt ist und dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter (28) und mit einem Filter (30) gekoppelt ist, um die Gleichstromausgabe zu liefern.
  6. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem die Tankinduktionsspule (20) und der Tankkondensator (22) der Reihentankschaltung etwa beim Doppelten der festen Betriebsfrequenz in Resonanz sind und die gesteuerte Induktionsspule (26) eine minimale Induktivität besitzt, die bei der Betriebsfrequenz mit dem Tankkondensator (22) in Resonanz ist.
  7. Resonanzumrichter nach Anspruch 6, bei dem die Steuerschaltung (34) Gleichstrom an die Steuerwicklung (32) anlegt, um in dem Kern (42) einen Fluss zu erzeugen, um die Induktivität der Leistungswicklung (26') zu beeinflussen.
  8. Resonanzumrichter nach Anspruch 6, bei dem: der Kern (42) E-förmig mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schenkel (44, 46, 48) ist, wobei der dritte Schenkel (48) zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel (44, 46) positioniert ist; die Leistungswicklung (26') um den dritten Schenkel (48) gewickelt ist; und die Steuerwicklung (32) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (54, 56) enthält, die um den ersten bzw. um den zweiten Schenkel (44, 46) gewickelt sind.
  9. Resonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem: die Tankschaltung eine Primärwicklung eines Transformators (24) enthält; eine Seite der Primärwicklung über einen ersten Tankkondensator (22a) und über eine erste Tankinduktionsspule (20a) mit einem ersten Anschluss der Wechselstromversorgung (10) verbunden ist; die andere Seite der Primärwicklung über einen zweiten Tankkondensator (22b) und eine zweite Tankinduktionsspule (20b) mit der Wechselstromversorgung (10) verbunden ist; und die gesteuerte Induktionsspule (26) eine erste Leistungswicklung (26a), die zu dem ersten Tankkondensator (22a) parallel geschaltet ist, und eine zweite Leistungswicklung (26b), die zu dem zweiten Tankkondensator (22b) parallel geschaltet ist, enthält.
  10. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem die Steuerwicklung (32) sowie die erste und die zweite Leistungswicklung (26a, 26b) auf den Kern (42) gewickelt sind, wobei die Steuerschaltung (34) Gleichstrom an die Steuerwicklung (32) anlegt, um in dem Kern (42) einen Fluss zu erzeugen, um die Induktivität der ersten und der zweiten Leistungswicklung (26a, 26b) zu beeinflussen.
  11. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem die erste und die zweite Leistungswicklung (26a, 26b) zweiadrig auf den Kern gewickelt sind, wobei die Steuerschaltung (34) an die Steuerwicklung (32) Gleichstrom anlegt, um in dem Kern (42) einen Fluss zu erzeugen, um die Induktivität der ersten und der zweiten Leistungswicklung (26a, 26b) zu beeinflussen.
  12. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (42) E-förmig mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schenkel (44, 46, 48) ist, wobei der dritte Schenkel (48) zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel (44, 46) positioniert ist; die erste und die zweite Leistungswicklung (26a, 26b) um den dritten Schenkel (48) gewickelt sind; und die Steuerwicklung (32) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (54, 56) enthält, die um den ersten bzw. um den zweiten Schenkel (44, 46) gewickelt sind.
  13. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (42) E-förmig mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schenkel (44, 46, 48) ist, wobei der dritte Schenkel (48) zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel (44, 46) positioniert ist; die Steuerwicklung (32) um den dritten Schenkel (48) gewickelt ist; die erste Leistungswicklung (26a) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (60, 62) enthält, die um den ersten bzw. um den zweiten Schenkel (44, 46) gewickelt sind; und die zweite Leistungswicklung (26b) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (64, 66) enthält, die um den ersten bzw. um den zweiten Schenkel (44, 46) gewickelt sind.
  14. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (42) einen ersten und einen zweiten axial ausgerichteten Ringkern (70, 72) enthält; die erste Leistungswicklung (26a) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (60, 62) enthält, die um eine erste Seite des ersten und des zweiten Ringkerns (70, 72) gewickelt sind; die zweite Leistungswicklung (26b) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (64, 66) enthält, die um eine zweite Seite des ersten und des zweiten Ringkerns (70, 72), die der ersten Seite gegenüberliegt, gewickelt sind; und die Steuerwicklung (32) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (54, 56) enthält, die zwischen den miteinander verbundenen Abschnitten (60, 62; 64, 66) der ersten und der zweiten Leistungswicklung (26a, 26b) um den ersten bzw. um den zweiten Ringkern (70, 72) gewickelt sind.
  15. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (42) einen ersten und einen zweiten axial ausgerichteten Ringkern (70, 72) enthält; die erste und die zweite Leistungswicklung (26a, 26b) sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Ringkern (70, 72) zweiadrig gewickelt sind; und die Steuerwicklung (32) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (54, 56) enthält, die zwischen der ersten und der zweiten Leistungswicklung (26a, 26b) um den ersten bzw. um den zweiten Ringkern (70, 72) gewickelt sind.
  16. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (42) einen ersten und einen zweiten axial ausgerichteten Ringkern (70, 72) enthält; die erste Leistungswicklung (26a) einen ersten und einen zweiten miteinander verbundenen Abschnitt (60, 62) enthält, die um eine erste Seite des ersten und des zweiten Ringkerns (70, 72) gewickelt sind; die zweite Leistungswicklung (26b) einen dritten und einen vierten miteinander verbundenen Abschnitt (64, 66) enthält, die um eine zweite Seite des ersten und des zweiten Ringkerns (70, 72), die der ersten Seite gegenüberliegt, gewickelt sind; und die Steuerwicklung (32) zwischen dem ersten und dem dritten Abschnitt (60, 64) auf den ersten Ringkern (70) und zwischen dem zweiten und dem vierten Abschnitt (62, 64) auf den zweiten Ringkern (72) gewickelt ist.
  17. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (90) eine erste und eine zweite axial ausgerichtete Ringkernhälfte (92, 94) enthält, die an einer Grenzfläche in einer Ebene quer zur Kernachse miteinander verbunden sind; die Steuerwicklung (100) in einem ringförmigen inneren Hohlraum der ersten Kernhälfte (92) angeordnet ist; die erste Leistungswicklung (96) auf einer Seite des Kerns (90) senkrecht zu der Steuerwicklung (100) gewickelt ist; und die zweite Leistungswicklung (98) auf der anderen Seite des Kerns (90) senkrecht zu der Steuerwicklung (100) gewickelt ist.
  18. Resonanzumrichter nach Anspruch 9, bei dem: der Kern (90) eine erste und eine zweite axial ausgerichtete Ringkernhälfte (92, 94) enthält, die an einer Grenzfläche in einer Ebene quer zu der Kernachse miteinander verbunden sind; die Steuerwicklung (100) in einem ringförmigen inneren Hohlraum der ersten Kernhälfte (92) angeordnet ist; und die erste und die zweite Leistungswicklung (96, 98) senkrecht zu der Steuerwicklung (100) zweiadrig auf den Kern (90) gewickelt sind.
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