EP1314237A1 - Für die leistungsfaktorkorrektur angepasste gleichrichterschaltung - Google Patents

Für die leistungsfaktorkorrektur angepasste gleichrichterschaltung

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EP1314237A1
EP1314237A1 EP01960171A EP01960171A EP1314237A1 EP 1314237 A1 EP1314237 A1 EP 1314237A1 EP 01960171 A EP01960171 A EP 01960171A EP 01960171 A EP01960171 A EP 01960171A EP 1314237 A1 EP1314237 A1 EP 1314237A1
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EP
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pole
diode
diodes
inductance
rectifier circuit
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EP01960171A
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Ugo Francescutti
Felix Franck
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Definitions

  • Rectifier circuit adapted for power factor correction
  • the present invention relates to a rectifier circuit adapted for power factor correction, comprising a first, a second, a third and a fourth diode in a bridge arrangement, an inductance and a capacitance, a first and a second pole of the bridge arrangement being connected to a source, which has at least one AC voltage component, and the inductance is arranged in series with the third or fourth pole.
  • the bridge arrangement comprises a first pole 10, a second pole 12, a third pole 14 and a fourth pole 16, the poles 10 and 12 being connected to a source which has at least one AC voltage component.
  • the poles 14 and 16 are connected to one another via a capacitance C1, the capacitance C1 preferably being small, in particular in the range of a few dozen nF.
  • the pole 16 is connected to ground, while at the pole 14 there is first a diode D5, followed by an inductor L1.
  • the arrow 18 points in the direction of the further circuit, with a larger storage capacity following in the direction of the arrow, which then supplies the operating device with DC voltage. It is particularly advantageous, as shown here, to connect the line rectifier to an inductor in order to load it appropriately.
  • the PFC circuit there is also (not shown) at least one high-frequency switching element which controls the mains current in such a way that it becomes as proportional as possible to the voltage, that is to say sinusoidal in most cases.
  • Block 20 summarizes the elements that are part of the PFC circuit.
  • Fig. Lb shows a slightly modified variant in which the fast diode D5 is connected between the pole 16 and ground, while the inductor is connected directly to the pole 14.
  • the pole 16 is connected to ground via the inductance L1
  • the fast diode D5 is arranged at the pole 14.
  • the series connection of fast diode D5 and L1 is arranged between pole 16 and ground.
  • the present invention is based on the object of developing a generic rectifier circuit in such a way that it can be implemented with fewer components, in particular that diode D5 can be dispensed with.
  • the invention is based on the idea that the diode D5 can be replaced by the fact that two of the four diodes of the rectifier are designed as fast diodes, the capacitance C1 then having to be switched between the first and the second pole. With this measure, the fifth diode can be omitted. Another advantage results from the fact that the capacitance also acts as an x-capacitor for radio interference suppression.
  • the capacitance C1 is formed by the series connection of a first and a second partial capacitance. det, the connection point of the first and the second partial capacitance being connected to the third or the fourth pole of the bridge arrangement.
  • This measure has the advantage that the individual potentials can be defined even more reliably in relation to RF voltage.
  • the connection point between the two partial capacitances is preferably connected to the pole which is common to the two slow diodes.
  • the first diode is connected between the first and third poles, the second diode between the first and fourth poles, the third diode between the fourth and second poles, and the fourth diode between the second and third poles.
  • the first embodiment is characterized in that the first and fourth diodes are designed as fast diodes, the inductance is arranged in series with the third pole and the fourth pole is connected to ground.
  • the second and third diodes are designed as fast diodes, the inductance is arranged in series with the third pole and the fourth pole is connected to ground.
  • the first and fourth diodes are designed as fast diodes, the inductance is arranged in series with the fourth pole and the fourth pole is connected to ground via the inductance.
  • the second and third diodes are designed as fast diodes, the inductance is arranged in series with the fourth pole and the fourth pole is connected to ground.
  • the diodes which are not explicitly designed as fast diodes, can be designed as slow diodes.
  • Fast diode means that the duration of the switch-off reverse current is 10 ns to 100 s.
  • FIGS. 2a to 3d The embodiments according to the invention are shown by way of example in FIGS. 2a to 3d.
  • the embodiments according to FIGS. 2a and 3a go back to FIG. 1a, the embodiments according to FIGS. 2b and 3b to FIG. 1b, the embodiments according to 2c and 3c to FIG. 1c and the embodiments according to 2d and 3d to FIG , Components in Figures 2a to 2d and Figures 3a to 3d, the components of Figures la to ld correspond, have the same reference numerals and are therefore not explained again.
  • FIG. 2a to 2d differ from the embodiments of Figures la to ld in that the two diodes, which are combined in block 22 with the inductor L1 as components of the PFC circuit, are implemented as fast diodes, and the Capacitor C1 is now arranged between the first pole 10 and the second pole 12.
  • FIG. 3a to 3b differ from the embodiments of Figures 2a to 2d in that the capacitance C1 is realized by two partial capacitances C2 and C3, the connection point of the partial capacitances C2 and C3 being connected to the pole which the have two diodes in common, which do not have to be designed as fast diodes, ie the diodes which are not arranged in block 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine für die Leistungsfaktorkorrektur angepasste Gleichrichterschaltung umfassend eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Diode in Brückenanordnung, eine Induktivität und eine Kapazität, wobei ein erster und zweiter Pol der Brückenanordnung mit einer Quelle verbunden sind, die zumindest einen Wechselspannungsanteil aufweist, und die Induktivität seriell zum dritten oder vierten Pol angeordnet ist, wobei die Kapazität zwischen den ersten und den zweiten Pol geschaltet ist und zwei der vier Dioden als schnelle Dioden ausgebildet sind.

Description

Für die Leistungsfaktorkorrektur angepaßte Gleichrichterschaitung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine für die Leistungsfaktorkorrektur angepaßte Gleichrichterschaitung, umfassend eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Diode in Brückenanordnung, eine Induktivität und eine Kapazität, wobei ein erster und ein zweiter Pol der Brückenanordnung mit ei- ner Quelle verbunden sind, die zumindest einen Wechselspannungsanteil aufweist, und die Induktivität seriell zum dritten oder vierten Pol angeordnet ist.
Stand der Technik
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielhaft in den Figuren la bis ld dargestellt.
Darstellung der Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik soll mit Bezug auf die Schaltungen in den Figuren la bis ld vorgestellt werden. Ab dem Jahr 2001 ist die Einhaltung der Netzstrom-Harmonischen gemäß IEC 1000-3-2 auch für Systeme mit weniger als 25 W Netzleistung vorgeschrieben. Eine immer weiter wachsende Anzahl von Lampentypen erfordert den Einsatz von elekt- ronischen Betriebsgeräten, deren zweite Stufe nach dem Funkstörfilter ein Netzgleichrichter ist. Zur Einhaltung der IEC 1000-3-2 ist eine Leistungsfak- torkorrektur, kurz PFC (Power Factor Correction), erforderlich. Fig. la zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Netzgleichrichter, der für eine nachfolgende Leistungsfaktorkorrektur ausgelegt ist. Dabei umfasst der Netzgleichrichter vier Dioden Dl bis D4 in Brückenanordnung. Die Brücken- anordnung umfaßt einen ersten Pol 10, einen zweiten Pol 12, einen dritten Pol 14 sowie einen vierten Pol 16, wobei die Pole 10 und 12 mit einer Quelle verbunden sind, die zumindest einen Wechselspannungsanteil aufweist. Die Pole 14 und 16 sind über eine Kapazität Cl miteinander verbunden, wobei die Kapazität Cl vorzugsweise klein ist, insbesondere im Bereich von einigen Dutzend nF liegt. Der Pol 16 ist an Masse angeschlossen, während am Pol 14 zunächst eine Diode D5, daran anschließend eine Induktivität Ll folgen. Der Pfeil 18 zeigt in Richtung der weiteren Schaltung, wobei in Pfeilrichtung insbesondere eine größere Speicherkapazität folgt, die dann das Betriebsgerät mit Gleichspannung versorgt. Es ist besonders vorteilhaft, wie vorliegend dargestellt, den Netzgleichrichter an eine Induktivität anzuschließen, um ihn passend zu belasten. In der PFC-Schaltung ist weiterhin (nicht dargestellt) mindestens ein hochfrequent taktendes Schaltglied vorhanden, das den Netzstrom so steuert, daß er möglichst proportional zur Spannung, in den meisten Fällen also sinusförmig, wird.
Nachteilig für die Funktion der PFC ist es, wenn die Schaltspannungen dieses hochfrequenten Schaltglieds über die Induktivität Ll aufschwingen und Rückströme - sozusagen falsch herum - in den Netzgleichrichter fließen. Dies hätte nämlich zur Folge, daß der Kondensator Cl durch den Rückstrom aufgeladen wird und deshalb in dem aus dem Netz entnommenen Strom ein Stromloch entsteht, d.h. für eine bestimmte Zeitdauer kein Strom entnommen wird. Dies ist deshalb möglich, weil die Dauer der Ausschaltrückströme in den langsamen Netzdioden Dl bis D4 etwa einer halben Periodendauer des hochfrequent taktenden Schaltglieds in der PFC-Schaltung entspricht. Als Gegenmaßnahme wird am Ausgang des Netzgleichrichters mit den Dio- den Dl bis D4 nach dem Anschluss der kleinen Kapazität Cl eine zusätzliche, allerdings schnelle Diode D5 in Serie zur PFC-Induktivität geschaltet.
Der Block 20 faßt die Elemente zusammen, die Bestandteile der PFC- Schaltung sind.
Fig. lb zeigt eine leicht modifizierte Variante, bei der die schnelle Diode D5 zwischen den Pol 16 und Masse geschaltet ist, während die Induktivität direkt mit dem Pol 14 verbunden ist. Bei der Schaltung gemäß Fig. lc ist der Pol 16 über die Induktivität Ll mit Masse verbunden, während am Pol 14 die schnelle Diode D5 angeordnet ist. Bei der Schaltung gemäß Fig. ld ist die Serienschaltung aus schneller Diode D5 und Ll zwischen Pol 16 und Masse angeordnet.
Ausgehend von diesen aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Gleichrichterschaitung derart weiterzubilden, daß sie mit weniger Bauelementen realisierbar ist, insbesondere dass auf die Diode D5 verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gleichrichterschaitung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß die Diode D5 dadurch ersetzt werden kann, daß zwei der vier Dioden des Gleichrichters als schnelle Dioden ausgebildet sind, wobei dann die Kapazität Cl zwischen den ersten und den zweiten Pol zu schalten ist. Durch diese Maßnahme kann die fünfte Diode entfallen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Kapazität zugleich als x-Kondensator für die Funkentstörung wirkt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Kapazität Cl von der Serienschaltung einer ersten und einer zweiten Teilkapazität gebil- det, wobei der Verbindungspunkt der ersten und der zweiten Teilkapazität mit dem dritten oder dem vierten Pol der Brückenanordnung verbunden ist. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß hierdurch die einzelnen Potentiale bezogen auf HF-Spannung noch zuverlässiger definiert werden können. Be- vorzugt wird hierbei der Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilkapazitäten an den Pol angeschlossen, der den beiden langsamen Dioden gemeinsam ist.
Unabhängig davon, ob die Kapazität Cl in Teilkapazitäten aufgeteilt wird oder nicht, lassen sich folgende vier besonders bevorzugten Ausführungs- formen realisieren:
Hierbei sei die erste Diode zwischen dem ersten und dem dritten Pol, die zweite Diode zwischen dem ersten und dem vierten Pol, die dritte Diode zwischen dem vierten und dem zweiten Pol und die vierte Diode zwischen dem zweiten und dem dritten Pol geschaltet. Dann zeichnet sich die erste Ausführungsform dadurch aus, daß die erste und die vierte Diode als schnelle Dioden ausgebildet sind, die Induktivität seriell zum dritten Pol angeordnet ist und der vierte Pol mit Masse verbunden ist. Bei der zweiten Ausführungsform, ist die zweite und die dritte Diode als schnelle Diode ausgebildet, die Induktivität seriell zum dritten Pol angeordnet und der vierte Pol mit Masse verbunden. Bei der dritten Ausführungsform ist die erste und die vierte Diode als schnelle Diode ausgebildet, die Induktivität seriell zum vierten Pol angeordnet und der vierte Pol über die Induktivität mit Masse verbunden. Bei der vierten Ausführungsform ist die zweite und die dritte Diode als schnelle Diode ausgebildet, die Induktivität seriell zum vierten Pol ange- ordnet und der vierte Pol mit Masse verbunden. Die Dioden, die nicht explizit als schnelle Dioden auszubilden sind, können als langsame Dioden ausgebildet werden. Schnelle Diode bedeutet hierbei, dass die Dauer des Ausschaltrückstroms 10 ns bis 100 s beträgt. Von einer langsamen Diode spricht man bei einer Dauer des Ausschaltrückstroms zwischen 1 μs und 20 μs.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü- chen.
Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es stellen dar:
Fig. la bis ld vier für die Leistungsfaktorkorrektur angepasste, aus dem
Stand der Technik bekannte Gleichrichterschaltungen;
Fig. 2a bis 2d vier für die Leistungsfaktorkorrektur angepasste, erfindungsgemäße Gleichrichterschaltungen mit einer Einzelkapazität Cl; und
Fig. 3a bis 3d vier weitere für die Leistungsfaktorkorrektur angepasste, erfindungsgemäße Gleichrichterschaltungen, bei denen die Kapazität Cl durch zwei Teilkapazitäten realisiert ist, wobei der Mittelpunkt der beiden Teilkapazitäten mit dem dritten oder dem vierten Pol der Brückenanordnung verbunden ist.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind beispielhaft in den Figu- ren 2a bis 3d dargestellt. Hierbei gehen die Ausführungsformen gemäß Fig. 2a und 3a auf Fig. la zurück, die Ausführungsformen gemäß Fig. 2b und 3b auf Fig. lb, die Ausführungsformen gemäß 2c und 3c auf Fig. lc und die Ausführungsformen gemäß 2d und 3d auf Fig. ld. Bauelemente in den Figuren 2a bis 2d und Figuren 3a bis 3d, die Bauelementen der Figuren la bis ld entsprechen, tragen dasselbe Bezugszeichen und werden daher nicht nochmals erklärt.
Die Ausführungsformen der Figuren 2a bis 2d unterscheiden sich von den Ausführungsformen der Figuren la bis ld dadurch, daß jeweils die beiden Dioden, die im Block 22 mit der Induktivität Ll als Bestandteile der PFC- Schaltung zusammengefaßt sind, als schnelle Dioden realisiert sind, und der Kondensator Cl nunmehr zwischen dem ersten Pol 10 und dem zweiten Pol 12 angeordnet ist.
Die in den Figuren 3a bis 3b dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich von den Ausführungsformen der Figuren 2a bis 2d dadurch, daß die Kapazität Cl durch zwei Teilkapazitäten C2 und C3 realisiert ist, wobei der Verbindungspunkt der Teilkapazitäten C2 und C3 mit dem Pol verbunden ist, den die beiden Dioden gemeinsam haben, die nicht als schnelle Dioden ausgebildet werden müssen, d.h. die Dioden, die nicht im Block 22 angeord- net sind.

Claims

Patentansprüche
1. Für die Leistungsfaktorkorrektur angepaßte Gleichrichterschaitung umfassend eine erste (Dl), eine zweite (D2), eine dritte (D3) und eine vierte (D4) Diode in Brückenanordnung, eine Induktivität (Ll) und eine Kapazität (Cl), wobei ein erster (10) und ein zweiter Pol (12) der Brücken- anordnung mit einer Quelle (U) verbunden sind, die zumindest einen
Wechselspannungsanteil aufweist, und die Induktivität (Ll) seriell zum dritten (14) oder vierten Pol (16) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazität (Cl) zwischen den ersten (10) und den zweiten Pol (12) geschaltet ist und zwei der vier Dioden (Dl, D2, D3, D4) als schnelle
Dioden ausgebildet sind.
2. Gleichrichterschaitung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazität (Cl) von der Serienschaltung einer ersten (C2) und einer zweiten Teilkapazität (C3) gebildet ist, wobei der Verbindungspunkt der ersten (C2) und der zweiten Teilkapazität (C3) mit dem dritten (14) oder dem vierten Pol (16) der Brückenanordnung verbunden ist.
3. Gleichrichterschaitung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der ersten (C2) und der zweiten Teilkapazität (C3) mit dem Verbindungspunkt der Dioden verbunden ist, die nicht als schnelle Dioden auszubilden sind.
4. Gleichrichterschaitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Diode (Dl) zwischen den ersten (10) und den dritten Pol (14), die zweite Diode (D2) zwischen den ersten (10) und den vierten Pol (16), die dritte Diode (D3) zwischen den vierten (16) und den zweiten Pol (12) und die vierte Diode (D4) zwischen den zweiten (12) und den dritten Pol (14) geschaltet ist,
wobei die erste (Dl) und die vierte Diode (D4) als schnelle Dioden ausgebildet sind, die Induktivität (Ll) seriell zum dritten Pol (14) angeordnet ist und der vierte Pol (16) mit Masse verbunden ist.
5. Gleichrichterschaitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Diode (Dl) zwischen den ersten (10) und den dritten Pol (14), die zweite Diode (D2) zwischen den ersten (10) und den vierten Pol (16), die dritte Diode (D3) zwischen den vierten (16) und den zweiten Pol (12) und die vierte Diode (D4) zwischen den zweiten (12) und den dritten Pol (14) geschaltet ist,
wobei die zweite (D2) und die dritte Diode (D3) als schnelle Dioden ausgebildet sind, die Induktivität (Ll) seriell zum dritten Pol (14) angeordnet ist und der vierte Pol (16) mit Masse verbunden ist.
. Gleichrichterschaitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Diode (Dl) zwischen den ersten (10) und den dritten Pol (14), die zweite Diode (D2) zwischen den ersten (10) und den vierten Pol (16), die dritte Diode (D3) zwischen den vierten (16) und den zweiten
Pol (12) und die vierte Diode (D4) zwischen den zweiten (12) und den dritten Pol (14) geschaltet ist,
wobei die erste (Dl) und die vierte Diode (D4) als schnelle Dioden ausgebildet sind, die Induktivität (Ll) seriell zum vierten Pol (16) angeord- net ist und der vierte Pol (16) über die Induktivität (Ll) mit Masse verbunden ist.
7. Gleichrichterschaitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Diode (Dl) zwischen den ersten (10) und den dritten Pol (14), die zweite Diode (D2) zwischen den ersten (10) und den vierten Pol
(16), die dritte Diode (D3) zwischen den vierten (16) und den zweiten Pol (12) und die vierte Diode (D4) zwischen den zweiten (12) und den dritten Pol (16) geschaltet ist,
wobei die zweite (D2) und die dritte Diode (D3) als schnelle Dioden ausgebildet sind, die Induktivität (Ll) seriell zum vierten Pol (16) angeordnet ist und der vierte Pol (16) über die Induktivität (Ll) mit Masse verbunden ist.
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