DE69635645T2

DE69635645T2 - Wechselstrom-Gleichstromwandler mit Unterdrückung der Eingangsstromoberwellen und einer Vielzahl von gekoppelten Primärwicklungen

Info

Publication number: DE69635645T2
Application number: DE69635645T
Authority: DE
Inventors: Francis M.S. Ho; Robert C.F. Lee; Fu-Sheng Tsai; Franki N.K. Tai Kok Tsui Poon
Original assignee: Artesyn Technologies Inc
Current assignee: Artesyn Embedded Technologies Inc
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: DE69635645D1; US5995383A; CN1074202C; CN1151630A; JPH09266670A; EP0768748A3; JP3749579B2; EP0768748B1; EP0768748A2; US5652700A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler.
STAND DER TECHNIK
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, die Strom vom Wechselstromnetz empfangen, richten die Sinuswellennetzspannung (Wechselstromnetzspannung) häufig gleich und speichern Energie in einem Kondensator. Der Kondensator wird im Allgemeinen auf die Spitzennetzspannung aufgeladen, so dass Strom nur um die Spitzen der Eingangsspannung herum in die Stromversorgung fließt. Dies hat zur Folge, dass die Wellenform des Eingangsstroms zur Stromversorgung eine Kombination aus der Fundamentalnetzfrequenz und ganzzahligen Vielfachen (Oberschwingungen) der Fundamentalnetzfrequenz ist. Die Größen dieser Oberschwingungseingangsströme können einen wesentlichen Prozentanteil der Größe des Fundamentaleingangsstroms ausmachen. Demgemäß kann der Oberschwingungseingangsstrom Verzerrungen verursachen, die mit anderen anfälligen Vorrichtungen, die mit dem Stromnetz verbunden sind, interferieren, oder er kann Verzerrungen verursachen, die sich in den Verteilungsnetzelementen anhäufen, wodurch eine unerwünschte Belastung an diesen Elementen verursacht wird.
Es können Verfahren, die oftmals als „Leistungsfaktorkorrekturverfahren" (LFK-Verfahren) bezeichnet werden, verwendet werden, um den Oberschwingungsgehalt des Eingangsstroms zu verringern, indem der Eingangsstrom in etwas umgeformt wird, das etwa einer Sinuswelle gleicht. Derartige Leistungsfaktorkreise sind jedoch im Allgemeinen komplex.
1 (Stand der Technik) ist ein Schaltplan eines solchen Leistungsfaktorkorrekturkreises. Ein Zusatzwandler, der eine Induktionsspule 1, einen Hochfrequenzschalter 2, eine Diode 3, einen Stromerfassungswiderstand 4 und einen Steuerkreis 5 umfasst, ist zwischen den Netzanschlussklemmen 6 und einem Speicherkondensator 7 angeordnet. Der Steuerkreis 5 moduliert die Leitfähigkeit des Schalters 2, um den Eingangsstrom in etwas umzuformen, das etwa einer Sinuswelle gleicht. Ein isolierender Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der einen Transformator 8, einen Hochfrequenzschalter 9, einen Steuerkreis 10 und einen Ausgangsgleichrichter 11 umfasst, verwendet den Speicherkondensator 7 als Spannungsquelle und wandelt die Spannung an dem Kondensator in einen verwendbaren Ausgangsgleichspannungspegel um, der an Ausgangsklemmen 12 angelegt wird. Der Steuerkreis 10 des Gleichspannung-Gleichspannung-Wandlers moduliert die Leitfähigkeit des Schalters 9, um eine Regelung der Ausgangsspannung bereitzustellen.
Obwohl derartige Leistungsfaktorkorrekturkreise des Stands der Technik für viele Anwendungen zufriedenstellend arbeiten, erhöhen die beiden separaten Schalter 2 und 9 und die beiden separaten Steuerkreise 5 und 10 die Komplexität und die Kosten. Des Weiteren benötigen viele Anwendungen keine nahezu vollständige Beseitigung der Oberschwingungen, sondern lediglich eine Verringerung der Oberschwingungen, so dass diese unterhalb von Werten liegen, die durch Industrienormen festgelegt werden. Es wird daher ein kostengünstigerer Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler gesucht, der Eingangsströme mit verringerten Oberschwingungen zieht, jedoch nicht zwei Steuerkreise und zwei Schalter benötigt.
US 5301095 offenbart einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit hohem Leistungsfaktor, bei dem ein Gleichrichterkreis angeordnet ist, um eine im Handel erhältliche Wechselstromversorgung gleichzurichten. Eine Schaltvorrichtung wird ein- und ausgeschaltet, so dass die gleichgerichtete Spannung an die Primärwicklung eines Transformators angelegt wird, um an der Sekundärwicklung eine Hochfrequenzspannung bereitzustellen. Die Hochfrequenzspannung wird mit Hilfe eines Gleichrichterkreises gleichgerichtet, der an die Sekundärwicklung angeschlossen ist, um eine vorherbestimmte Gleichstromausgabe zu erzeugen. Eine Drosselspule und eine Diode sind zwischen dem Gleichrichterkreis und einem Glättungskondensator angeordnet und ein Kondensator ist zwischen einer ersten Verbindung und einer zweiten Verbindung angeordnet. Die erste Verbindung verbindet die Drosselspule mit der Diode und die zweite Verbindung verbindet die Schaltvorrichtung mit der Primärwicklung des Transformators. Die Schaltvorrichtung ist mit einem Steuerkreis verbunden, der als Schaltregler dient, so dass die Schaltvorrichtung so angetrieben wird, dass sie sich als Reaktion auf ein Antriebssignal, das von dem Steuerkreis abgeleitet wird, ein- oder ausschaltet.
Ein Erfassungs- bzw. Vergleicherkreis ist an die Anschlussklemmen des Gleichstromausgangs angeschlossen und mit einem Fotokoppler (d.h. Fotodiode und Fotodetektor) gekoppelt, der den Erfassungs- bzw. Vergleicherkreis mit einem Eingang des Steuerkreises optisch verbindet.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit Wechselstrom-Eingangsstromklemmen bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
eine Gleichrichterbrücke, die mit den Wechselstrom-Eingangsstromklemmen gekoppelt ist;
einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung, einer zweiten Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei eine erste Anschlussklemme der ersten Primärwicklung mit der Gleichrichterbrücke gekoppelt ist;
einen Stromschalter mit einer ersten Anschlussklemme, einer zweiten Anschlussklemme und einer Steuerklemme, wobei die erste Anschlussklemme des Stromschalters mit einer zweiten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist;
einen Speicherkondensator mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme des Speicherkondensators mit der zweiten Anschlussklemme des Stromschalters gekoppelt ist;
einen Gleichrichterkreis, der mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist;
eine erste Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit einer zweiten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist;
eine zweite Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit der Kathode der ersten Diode gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode mit einer ersten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist; und
einen Steuerkreis mit einer Eingangsklemme, die mit dem Gleichrichterkreis gekoppelt ist, und einer Ausgangsklemme, die mit der Steuerklemme des Stromschalters gekoppelt ist, wobei der Steuerkreis der Steuerung der EIN-Perioden des Stromschalters dient, wodurch:

i) die zweite Primärwicklung in einem ersten Intervall einer Periode einer Wechselstromeingabe, wenn der Stromschalter eingeschaltet ist, mit Strom gespeist wird, der von dem Speicherkondensator fließt; und
ii) die erste Primärwicklung in einem zweiten Intervall der Periode der Wechselstromeingabe, wenn der Stromschalter eingeschaltet ist, mit Strom gespeist wird, der von den Wechselstrom-Eingangsklemmen und durch den Gleichrichterkreis fließt.

Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler erzielt eine Leistungsfaktorkorrektur von mehr als 80 Prozent bei einer Effizienz von mehr als 75 Prozent unter Verwendung nur eines einzelnen Stromschalters, nur einer einzelnen magnetischen Komponente, nur einer einzelnen Steuerschleife und eines Speicherkondensators. Die einzige magnetische Komponente ist ein Transformator mit einer ersten Primärwicklung, einer zweiten Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung. Während eines ersten Zeitintervalls einer Periode des Eingangswechselstroms wird die zweite Primärwicklung mit Energie gespeist, die zuvor in einem Speicherkondensator gespeichert war. Während eines zweiten Zeitintervalls wird die erste Primärwicklung mit Energie eines Eingangsstroms gespeist, der durch die Wechselstromeingangsklemmen fließt. Folglich zieht der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler Eingangsstrom für eine längere Zeitspanne vor dem Zeitpunkt, zu dem die Eingangsspannung einen Spitzenwert erreicht, und ebenfalls für eine längere Zeitspanne nach dem Zeitpunkt, zu dem die Eingangsspannung einen Spitzenwert erreicht. Die Größen der Eingangsstromoberschwingungen im Verhältnis zum Fundamentaleingangsstrom werden daher mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler verringert, der nur eine einzelne magnetische Komponente aufweist. Eine oder mehrere zusätzliche magnetische Komponente(n) können zur Welligkeits- und/oder Geräuschfilterung hinzugefügt werden.
Diese Zusammenfassung soll die Erfindung nicht definieren. Die Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 (Stand der Technik) ist ein vereinfachter Schaltplan eines Leistungsfaktorkorrekturkreises mit zwei Schaltern und zwei Steuerkreisen.
2 ist ein vereinfachter Schaltplan eines Leistungswandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein vereinfachtes Wellenformdiagramm, das den Betrieb des Leistungswandlers aus 2 veranschaulicht.
4–7 sind vereinfachte Schaltpläne, die den Stromfluß in dem Leistungswandler aus 2 veranschaulichen.
8 ist ein ausführlicher Schaltplan einer spezifischen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
9A–9I sind vereinfachte Schaltpläne verschiedener anderer Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
2 ist ein vereinfachter Schaltplan eines Leistungswandlers 100, der Wechselstrom, der an Eingangsklemmen 101 empfangen wird, in eine Gleichstromausgabe an Ausgangsklemmen 102 umwandelt. Der Leistungswandler 100 umfasst einen Primärkreis 103, einen Sekundärkreis 104 und einen Steuerkreis 105. Gleichrichterbrückendioden 106–109 richten die Wechselspannung gleich, die vom Wechselstromnetz an den Eingangsklemmen 101 empfangen wird. Der Leistungswandler 100 umfasst nur eine einzelne Stromschalterkomponente (Leistungsfeldeffekttransistor 110) und nur eine einzelne magnetische Komponente (Leistungstransformator 111). Der Leistungstransformator umfasst zwei Primärwicklungen 112 und 113 und eine Sekundärwicklung 114. Die Primärwicklung 112 weist N1 Windungen, die Primärwicklung 113 weist N2 Windungen und die Sekundärwicklung 114 weist N3 Windungen auf. Die Dioden 115–117 des Primärkreises ermitteln, welche Primärwicklung gespeist wird, wenn der Stromschalter 110 leitend ist. Der Speicherkondensator 118 stellt Energie bereit, um den Leistungswandler zu betreiben, wenn die Netzspannung niedrig ist.
Der Sekundärkreis 104 umfasst einen Gleichrichterkreis 119 und 120 zum Gleichrichten des Stroms, der von der Sekundärwicklung des Transformators 114 fließt. Der Steuerkreis 105 steuert die EIN-Zeit des Schalters 110, um an den Ausgangsklemmen 102 eine geregelte Gleichspannung aufrechtzuerhalten. Der Steuerkreis 105 kann den Schalter 110 mit einer variablen Frequenz, einem variablen Arbeitszyklus oder beidem antreiben. Bei einer Ausführungsform ist der Steuerkreis 105 ein integrierter Schaltkreis UC3843 von Unitrode, wobei Stift 2 mit der Ausgangsklemme 102 und Stift 6 mit dem Gatter des Schalters 110 gekoppelt ist.
3 ist ein vereinfachtes Wellenformdiagramm, das den Betrieb des Leistungswandlers aus 2 veranschaulicht. Der Betrieb des Leistungswandlers 100 ist im Zusammenhang mit vier Betriebsmodi beschrieben. Der Schalter 110 wird in jedem Betriebsmodus häufig ein- und ausgeschaltet. Im Modus eins wird Energie vom Speicherkondensator 118 durch den Transformator 111 und zu einer Last (nicht gezeigt) übertragen, die mit den Ausgangsklemmen 102 gekoppelt ist. Daraufhin wird in Modus drei die Energie, die aus dem Speicherkondensator 118 entladen wurde, vor dem nächsten Ereignis des Modus eins wieder hergestellt.
Wie oben erläutert, wird der Schalter 110 in Modus eins häufig ein- und ausgeschaltet. 4 stellt den Stromfluss dar, wenn der Schalter 110 in Modus eins eingeschaltet ist und 5 stellt den Stromfluss dar, wenn der Schalter 110 in Modus eins ausgeschaltet ist. Die Dioden 106–109 richten die Eingangsspannungssinuswelle v_EIN gleich, so dass die gleichgerichtete Eingangsspannung v_G, die in 3 dargestellt ist, am Knoten 121 erscheint. Das gestrichelte Erdungssymbol in 2 kennzeichnet die Erdungsreferenz für die Spannungswellenformen aus 3. Der Initiierungszustand für den Modus eins besteht darin, dass die Spannung v_Y, die in der Wicklung 113 induziert wird, der Spannung v_C im Speicherkondensator 118 entspricht, d.h.: vY = vC = vG/(N1/N2) (Gleichung 1)wobei v_Y die Spannung ist, die während der EIN-Zeit des Schalters 110 in den Modi 2, 3 und 4 (Spannung an Knoten 124) in der Wicklung 113 induziert wird, v_C die Spannung am Kondensator 118 ist (Spannung an Knoten 123), v_G die gleichgerichtete Eingangsspannung ist (Spannung an Knoten 121) und N1/N2 das Wicklungsverhältnis von Wicklung 112 zu Wicklung 113 ist. Der Einfachheit und Klarheit der Analyse und Erläuterung halber, werden die Dioden als ideale Dioden aufgefasst, die keinen Vorwärtsdiodenspannungsabfall aufweisen.
Nachdem der Zustand von Gleichung 1 aufgetreten ist, nimmt die gleichgerichtete Eingangsspannung v_G weiterhin ab und die Spannung v_C am Kondensator 118 bleibt die vergleichsweise größere Spannung. Daher leitet die Diode 116, und die Wicklung 113 wird von der Spannung im Speicherkondensator 118 gespeist, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist, wie in 4 gezeigt. Energie im Speicherkondensator 118 wird in Modus eins daher entladen, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist. Der Ausgabestrom I_LAST wird vom Kondensator 120 des Sekundärkreises während des Modus eins bereitgestellt, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist.
5 zeigt den Stromfluß in Modus eins, wenn der Schalter 110 ausgeschaltet ist. Durch Ausschalten des Schalters 110 wird ein Stromfluß im Sekundärkreis 114 induziert, der den Ausgangskondensator 120 durch die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 119 auflädt. Da der Kondensator 118 an die Wicklung 113 Energie anlegt, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist, wie in 4 gezeigt, und der Kondensator 118 nicht aufgeladen wird, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, wie in 5 gezeigt, nimmt die Spannung v_C am Kondensator 118 im Modus eins ab. Diese Abnahme von v_C (in 3 gezeigt) weist eine nahezu lineare Neigung auf, die durch den durchschnittlichen Entladestrom definiert wird. Der durchschnittliche Entladestrom I_ENTL, dessen Durchschnitt über viele Schaltzyklen ermittelt wird, ist gegeben durch: IENTL = ILAST·VAUS/vC = K118·dvC/dt (Gleichung 2)wobei I_LAST der durchschnittliche Laststrom ist, der durch die Ausgangsklemmen 102 angelegt wird, V_AUS die Größe der Gleichspannung an den Ausgangsklemmen 102 ist und K₁₁₈ die Kapazität des Speicherkondensators 118 ist. Der Steuerkreis 105 modifiziert den Arbeitszyklus der EIN- und AUS-Zeiten des Schalters 110 in Modus eins, um die Abnahme der Spannung am Kondensator 118 zu berücksichtigen und einen konstanten Energiefluss zur Wicklung 113 aufrechtzuerhalten.
Wie in 3 gezeigt, nimmt die gleichgerichtete Eingangsspannung v_G während des Modus eins ab, erreicht null, und beginnt daraufhin anzusteigen. Wenn die gleichgerichtete Eingangsspannung v_G die Spannung übersteigt, die bei eingeschaltetem Schalter 110 an der Wicklung 112 induziert wird (siehe Spannung v_G1 in 3), wird die Diode 115 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Zu diesem Zeitpunkt wechselt die Erregungsquelle für den Transformator 111 von der Primärwicklung 113 zu Primärwicklung 112. Dies ist der Übergang von Modus eins zu Modus zwei. Die Bedingung für den Übergang zu Modus zwei lautet: vG = vC·N1/N2 (Gleichung 3)
6 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises im Modus zwei, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist. Der Strom fließt von dem Wechselstromnetz durch die Gleichrichterdiode 107, durch die Wicklung 112, durch die Diode 115, durch den leitenden Schalter 110 zurück durch die Gleichrichterdiode 108 und zurück zum Wechselstromnetz. Daher wird die Wicklung 112 gespeist.
5 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises in Modus zwei, wenn der Schalter 110 ausgeschaltet ist. Durch Ausschalten des Schalters 110 wird ein Stromfluss in der Sekundärwicklung 114 induziert, der den Ausgangskondensator 120 durch die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 119 auflädt.
Da im Modus zwei keine Energie vom Speicherkondensator 118 gezogen wird, bleibt die Spannung am Kondensator 118 konstant und im Wesentlichen die gesamte Energie, die von der gleichgerichteten Eingangspannung v_G zur Wicklung 112 übertragen wird, wird zum Ausgangskondensator 120, zu den Ausgangsklemmen 102 und zur Last übertragen. Der Eingangsstrom vom Wechselstromnetz, der durch die Wicklung 112 fließt und dessen Durchschnitt über viele Schaltzyklen ermittelt wird, ist gegeben durch: iEIN = ILAST·VAUS/vEIN (Gleichung 4)
Da die gleichgerichtete Eingangspannung v_G über die gesamte Zeit des Modus zwei mit der Zeit weiterhin zunimmt, wie in 3 gezeigt, nimmt die Summe der Spannung v_G und der Spannung an der Wicklung 112 während der AUS-Zeit des Schalters 110 ebenfalls zu. Wenn diese summierte Spannung die Spannung am Kondensator 118 überschreitet, wird die Diode 117 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und Strom fließt vom Wechselstromnetz in den Kondensator 118. Dies ist der Beginn von Modus drei. Die Iniziierungsbedingung für Modus drei lautet: vC = vEIN + V112 = vEIN + VAUS·N1/N3 (Gleichung 5)wobei V₁₁₂ die Spannung an der Wicklung 112 während der AUS-Zeit des Schalters 110 ist. V₁₁₂ ist ein konstanter Wert im Modus zwei und hängt von der Ausgangsspannung und dem Wicklungsverhältnis ab.
6 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises, wenn der Schalter 110 während des Modus drei eingeschaltet ist. 7 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises, wenn der Schalter 110 während des Modus drei ausgeschaltet ist. Die Energie, die während Modus eins aus dem Kondensator 118 entladen wird, wird im Modus drei wieder aufgeladen. Der Steuerkreis 105 ändert den Arbeitszyklus von EIN- und AUS-Zeiten des Schalters 110, um zusätzliche Energie in der Induktanz von Wicklung 112 zu speichern, um sowohl eine Energieübertragung zum Ausgang als auch für eine Wiederaufladung des Kondensators 118 bereitzustellen. Der Ladestrom i_LAD in dem Speicherkondensator 118 lautet in Modus drei, wenn der Schalter 110 ausgeschaltet ist: iLAD = K118·dvC/dt = K118·d(V112 + vG)/dt (Gleichung 6)
Modus vier beginnt an der Spitze der Eingangsspannung v_EIN, wenn der Ladestrom i_LAD in den Kondensator 118 aufhört zu fließen. 6 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises in Modus vier, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist, und 5 veranschaulicht den Betrieb des Schaltkreises in Modus vier, wenn der Schalter 110 ausgeschaltet ist. Durch Ausschalten des Schalters 110 in Modus vier wird ein Stromfluß im Sekundärkreis 114 induziert, der den Ausgangskondensator 120 durch die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 119 auflädt.
Da der Kondensator 118 auf die Spitzenspannung der Eingangsspannung plus der Spannung der Wicklung 112 während Modus drei, wie in 7 gezeigt, aufgeladen wurde, wird die Diode 117 in Modus vier jetzt umgekehrt vorgespannt, wenn die Eingangsspannung abzunehmen beginnt. Die Diode 115 leitet jedoch, so dass die Wicklung 112 gespeist wird, wenn der Schalter 110 eingeschaltet ist, wie in 6 gezeigt. Da von dem Kondensator 118 keine Energie gezogen wird, bleibt die Spannung am Kondensator 118 konstant und die Energie, die vom Eingang zur Wicklung 112 übertragen wird, wird zur Last übertragen. Der Eingangstrom ist, wie in Modus zwei, durch die Gleichung 4 definiert. Wenn die Eingangsspannung v_EIN abnimmt, so dass die Bedingungen der Gleichung eins erreicht werden, beginnt Modus eins wieder.
Wie aus der Wellenform des absoluten Werts des Eingangsstroms vom Wechselstromnetz in 3 ersichtlich, fließt der Eingangstrom für ein wesentliches Zeitintervall um die Spitze der Eingangspannung. Dieses wesentliche Zeitintervall hat einen verringerten Gehalt an Oberschwingungen im Eingangsstrom zur Folge. Für gleichgerichtete Eingangsspannungen, die angemessen hoch sind (beispielsweise größer als die Spannung V_G2, in 3), überträgt der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler Energie über die erste Primärwicklung 112 von den Wechselstromnetzklemmen zu den Ausgangsklemmen. Für gleichgerichtete Eingangspannungen, die zu niedrig sind (beispielsweise geringer als die Spannung V_G1 in 3), schaltet der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler in einem Betrieb um, bei dem Energie, die in dem Kondensator 118 gespeichert ist, über die zweite Primärwicklung 113 zu den Ausgangsklemmen übertragen wird. Der Grad der Leitfähigkeit kann durch Einstellen des Verhältnisses von N1/N2 programmiert werden. Wenn N1/N2 verkleinert wird, wird die Gradanzahl der Leitfähigkeit erhöht.
Bei einer Ausführungsform weist ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung Eigenschaften auf, die weiter unten in Tabelle 1 für eine Sinuswelleneingangsspannung von 220 V und eine Last von 45 W dargelegt sind. Es ist zu beachten, dass dieser Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nur einen Schalter, eine magnetische Komponente (einen Transformator mit zwei Primärwicklungen) und eine Steuerschleife aufweist. Das Wicklungsverhältnis N1/N2 beträgt etwa 0,8. Die Schaltfrequenz liegt um 100 bis 120 kHz und der Speicherkondensator ist (hinsichtlich der Kapazität und der Größe) in der Größenordnung von 47 Mikrofarad klein.
TABELLE 1
Der Gesamtoberschwingungseingangsstrom als quadratischer Mittelwert (quadratisches Mittel) in der oben stehenden Tabelle setzt alle Oberschwingungskomponenten des Eingangsstroms (den quadratischen Mittelwert) zur Größe des Eingangsstroms ins Verhältnis. Der Effizienzwert in der oben stehenden Tabelle ist der Strom, der an die Ausgangsklemmen als Prozentwert des Stroms angelegt wird, der von den Eingangsklemmen des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers gezogen wird. Der Leitfähigkeitsgrad ist die Gesamtgradanzahl, während der über eine einzelne Periode der Sinuswelleneingangsspannung ein bedeutender Strom von den Eingangsklemmen gezogen wird.
8 ist ein ausführlicher Schaltplan einer spezifischen Ausführungsform eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Induktionsspule 800398 und der Kondensator C5 sind zum Filtern elektromagnetischer Interferenzen (EMI) von Frequenzen von mehr als 10 kHz vorgesehen. Die Induktionsspule 800398 ist somit skaliert, um Frequenzen in der Größenordnung des Tausendfachen der Netzfrequenz zu beeinflussen und weist eine Größe von weniger als etwa 1 mH auf. Trotz des Vorhandenseins der Induktionsspule 800398 zwischen den Gleichrichterbrückendioden 106 bis 109 und der ersten Primärwicklung 112 ist die Induktionsspule 800398 lediglich zur EMI-Filterung bereitgestellt und wird nicht als Teil des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers angesehen. Die Induktionsspule 800398 könnte entfernt werden und der Schaltkreis würde nach wie vor als Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler arbeiten. Der Schalter 110 ist ein 600-Volt-Feldeffekttransistor.
9A bis 9I sind vereinfachte Schaltpläne verschiedener anderer Ausführungsformen. In jedem der Schaltpläne sind die Wechselstromeingangsklemmen mit 101, die Gleichstromausgangsklemmen mit 102, die Gleichrichterdioden mit 106 bis 109, die erste Primärwicklung, die zweite Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit 112, 113 und 114, der Schalter mit 110, der Speicherkondensator mit 118, der Steuerkreis mit 105, und der Ausgangskondensator mit 120 gekennzeichnet. Die Dioden 116 und 117 sind ebenfalls gekennzeichnet.
Bei der Ausführungsform aus 9A ist eine zusätzliche Diode 115A bereitgestellt. Die Anode der Diode 115A ist mit dem Knoten 121 am Ausgang der Gleichrichterbrückendioden gekoppelt und die Kathode der Diode 115A ist mit einer dritten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung 113 gekoppelt, so dass der Eingangsstrom während der Modi 2, 3 und 4 auf die Dioden 115 und 115A und ebenfalls auf die Wicklung 112 und einen Teil der Wicklungen 113 aufgeteilt wird. Bei der Ausführungsform aus 9B ist die Kathode der Diode 115 mit einer dritten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung 113 gekoppelt, so dass die Gesamtanzahl der Windungen N1 für die Gleichungen 1 und 3 der Summe der Windungen von Wicklung 112 und eines Teils von Wicklung 113 entspricht. Die Anzahl der Windungen N1 für Gleichung 5 entspricht den Windungen von Wicklung 112. Dies hat die Wirkung der Verringerung der Höchstspannung am Kondensator 118, während andere Betriebseigenschaften gleich bleiben. Bei der Ausführungsform aus 9C weist der Transformator eine dritte Primärwicklung 112A auf. Diese dritte Primärwicklung 112A arbeitet in den Modi 2, 3 und 4 während der EIN-Zeit des Schalters 110. Während der AUS-Zeit des Schalters 110 führt die Primärwicklung 112 während Modus 3 den Strom. Die Ausführungsform aus 9D ist dieselbe wie die Ausführungsform aus 9C, abgesehen davon, dass die Wicklung 112A als Teil von Wicklung 113 kombiniert ist. Die Ausführungsform aus 9E entspricht der aus 9C, abgesehen davon, dass der Sekundärkreis der eines Vorwärtswandlers ist, der ein mittelwertbildendes Filter verwendet, das aus der Diode 119A und der Induktionsspule 119B besteht. Bei dieser Ausführungsform wandeln die Primärwicklungen 112 und 112A die gleichgerichtete Eingangspannung während Modus drei um, um den Kondensator 118 auf einen höheren Pegel aufzuladen, während gleichzeitig eine Energieübertragung zur Sekundärwicklung während der EIN-Zeit des Schalters 110 bereitgestellt wird. Die Wicklung 113 verwendet Energie vom Kondensator 118, wenn die Eingangsspannung sehr niedrig ist. Die Ausführungsform aus 9F entspricht der aus 9E, abgesehen davon, dass ein Abschnitt der Primärwicklung 113 die Primärwicklung 112A ersetzt. Die Ausführungsform aus 9F ist dieselbe wie die Ausführungsform aus 9D, abgesehen davon, dass der Ausgangsgleichrichterkreis aus 9E verwendet wird. Die Ausführungsformen aus 9G und 9H veranschaulichen, dass ein zweiter Schalter 110A verwendet werden kann. Bei der Ausführungsform aus 9G führt der Schalter 110A während der Modi 2, 3 und 4 den Eingangsstrom, während der Schalter 110 während Modus 1 den Eingangstrom führt. Dadurch kann der Schalter individuell für den Strom und die Spannung ausgelegt werden, die in diesen separaten Schaltkreisfunktionen auftreten. Bei der Ausführungsform aus 9H ist ein zusätzlicher Vergleicher hinzufügt, um den Pegel der gleichgerichteten Eingangsspannung zu ermitteln, wenn sich der Stromnetzug von Wicklung 112 zu Wicklung 113 und daher vom Eingangsnetz zum Speicherkondensator ändert. Bei der Ausführungsform aus 9I bilden die Primärwicklung 125, die Primärwicklung 113 und die Sekundärwicklung 114 einen Transformator. Die Induktionsspule 126 ist eine separate Induktionsspule, die eine Induktanz von mehr als etwa 100 mH aufweisen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung zum Zweck der Einweisung im Zusammenhang mit bestimmten spezifischen Ausführungsformen veranschaulicht ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zusätzliche magnetische Komponenten können zu dem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler zum Filtern hinzugefügt werden. Demgemäß können verschiedene Anpassungen, Modifikationen und Kombinationen der Merkmale der spezifischen Ausführungsformen durchgeführt werden, ohne vom Bereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (100) mit Wechselstrom-Eingangsstromklemmen, der Folgendes umfasst: eine Gleichrichterbrücke (106–109), die mit den Wechselstrom-Eingangsstromklemmen gekoppelt ist; einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung (112), einer zweiten Primärwicklung (113) und einer Sekundärwicklung (114), wobei eine erste Anschlussklemme der Primärwicklung (112) mit der Gleichrichterbrücke (106–109) gekoppelt ist; einen Stromschalter (110) mit einer ersten Anschlussklemme, einer zweiten Anschlussklemme und einer Steuerklemme, wobei die erste Anschlussklemme des Stromschalters (110) mit einer zweiten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung (113) gekoppelt ist; einen Speicherkondensator (118) mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme des Speicherkondensators (118) mit der zweiten Anschlussklemme des Stromschalters (110) gekoppelt ist; einen Gleichrichterkreis (119), der mit der Sekundärwicklung (114) des Transformators gekoppelt ist; eine erste Diode (117) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit einer zweiten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung (112) des Transformators gekoppelt ist; eine zweite Diode (116) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit der Kathode der ersten Diode (117) gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode (116) mit einer ersten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung (113) gekoppelt ist; und einen Steuerkreis (105) mit einer Eingangsklemme, die mit dem Gleichrichterkreis (119) gekoppelt ist, und einer Ausgangsklemme, die mit der Steuerklemme des Stromschalters (110) gekoppelt ist, wobei der Steuerkreis (105) der Steuerung der EIN-Perioden des Stromschalters dient, wodurch: i) die zweite Primärwicklung (113) in einem ersten Intervall einer Periode einer Wechselstromeingabe, wenn der Stromschalter (110) eingeschaltet ist, mit Strom gespeist wird, der von dem Speicherkondensator (118) fließt; und ii) die erste Primärwicklung (112) in einem zweiten Intervall der Periode der Wechselstromeingabe, wenn der Stromschalter (110) eingeschaltet ist, mit Strom gespeist wird, der von den Wechselstrom-Eingangsklemmen und durch den Gleichrichterkreis (106–109) fließt.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, wobei der Transformator die einzige magnetische Komponente des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromschalter der einzige Stromschalter des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während einer AUS-Zeit des Schalters Energie zur Sekundärwicklung übertragen wird.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 4, wobei während einer EIN-Zeit des Schalters im Wesentlichen keine Energie zur Sekundärwicklung übertragen wird.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während einer EIN-Zeit des Schalters Energie zur Sekundärwicklung übertragen wird.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 6, wobei während einer AUS-Zeit des Schalters im Wesentlichen keine Energie zur Sekundärwicklung übertragen wird.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, wobei während einer AUS-Zeit des Schalters Energie zur Sekundärwicklung übertragen wird und während einer EIN-Zeit des Schalters Energie zu einer anderen Sekundärwicklung des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers übertragen wird.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, wobei die erste Anschlussklemme der ersten Primärwicklung durch einen Hochfrequenzfilterinduktionsspule mit der Gleichrichterbrücke gekoppelt ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine dritte Diode mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme der dritten Diode mit der zweiten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung gekoppelt ist und die zweite Anschlussklemme der dritten Diode mit der zweiten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine dritte Diode mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme der dritten Diode mit der zweiten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung gekoppelt ist und die zweite Anschlussklemme der dritten Diode mit einer dritten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine dritte Diode mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme der dritten Diode mit der ersten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung gekoppelt ist und die zweite Anschlussklemme der dritten Diode mit einer dritten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1, wobei der Transformator des Weiteren eine dritte Primärwicklung umfasst, wobei eine erste Anschlussklemme der dritten Primärwicklung mit der ersten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung gekoppelt ist und der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler des Weiteren Folgendes umfasst: eine dritte Diode mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme der dritten Diode mit einer zweiten Anschlussklemme der dritten Primärwicklung gekoppelt ist und die zweite Anschlussklemme der dritten Diode mit der zweiten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist.
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 10, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine vierte Diode mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme, wobei die erste Anschlussklemme der vierten Diode mit der ersten Anschlussklemme der ersten Primärwicklung gekoppelt ist und die zweite Anschlussklemme der vierten Diode mit einer dritten Anschlussklemme der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist.