EP1573891B1 - Resonance converter and method for driving variable loads - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a switching power supply for driving variable ohmic-capacitive or ohmic-inductive loads, comprising a resonant circuit, an electromechanical energy converter, a switch and a control device.
- Switching power supplies with or without resonant circuit usually do not come without inductive electromagnetic components. To achieve a low-loss switching operation such circuits can be operated only up to a certain maximum frequency and only with resonant inductive elements or broadband transformers or inductors. Such components are volume-intensive and cause a significant share of the costs of the entire device.
- a self-or externally excited half-bridge circuit which works with bipolar transistors, reverse-sequence diodes, a series resonant circuit and inductive base feedback.
- An exemplary embodiment of such a half-bridge circuit is disclosed in the following document (1): Lowbridge, M. Maytum, K. Rutgers, "Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors” (Texas Instruments, 1992 ).
- the load circuit is predominantly inductive, whereby a low-loss switching in different load cases is possible.
- This circuit can also be classified as a class D amplifier.
- ZVS Zero Voltage Switching
- This circuit also requires a resonant inductance in the load circuit, but achieves zero-voltage behavior (ZVS) in parallel with a sufficiently large capacitance.
- ZVS zero-voltage behavior
- the parallel capacitance to the switch is chosen to be as small as possible in order to achieve the zero-voltage behavior (ZVS) without problems by means of a resonance inductance
- this parallel capacitance is made as large as possible to be the maximum voltage across the switch to be as small as possible during turn-off.
- the capacitance is chosen too large, the voltage can not return to zero, and impermissible switch-on losses occur.
- any desired transformation ratios can be realized.
- these components usually do not provide predominantly inductive input behavior.
- Such electromechanical converters are usually also very narrow-band and can transmit only sinusoidal oscillations with regard to their frequency behavior.
- a hard-switching converter topology is therefore less suitable for their operation.
- resonant operation favorably also in a resonant converter topology, must be chosen.
- a capacitive input and output behavior is essentially predetermined by a piezoceramic material
- such a converter can only replace conventional inductances or transformers if care is taken in the event of a desired inductive load circuit behavior for additional inductive shaping of the load circuit.
- a half-bridge circuit such an inductive load circuit behavior is required to keep the switching losses small.
- the simplest measure is an additional, albeit small conventional inductance in the load circuit insert. If the turn-on losses are small enough due to correspondingly low input voltage levels (eg extra-low voltages up to 24 V), a capacitive behavior of the electromagnetic converter in the half-bridge may also be acceptable.
- the switching in a resonant case using a piezoelectric transformer can be designed so that the switching losses are minimized when a Umladezeit the relatively large input capacitances of the piezoelectric transformer by accurately observing required driving times by temporarily switching off both switches (dead times) bridged becomes.
- a precisely adjustable high-side and low-side driver circuit is required, which further usually has an integrated circuit.
- An embodiment of such a circuit is published in the following document (3): RL Lin, Lee FC, EM Baker, DY Chen, "Inductor-less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps ", APEC2001, Anaheim, CA, USA, Proceedings, Vol. 2, pp. 664-669 ,
- a class E resonant circuit the predominantly capacitive input behavior of a piezo transformer is beneficial in that the magnitude of the input capacitance can be adjusted to an electrically required value and thus not disturbing, as is the case with a half-bridge or other inductively-acting load circuit.
- Such class E circuits with a piezoelectric transformer are already known from the following document (4): T.Abe, Sh. Jomura, T. Tamakai, "Discharge tube driving device and piezoelectric transformer," EP 0 665 600 B1 , European Patent of 21.07.1999.
- such a circuit usually requires an additional input parallel capacitance if the input capacitance of the piezoelectric transformer is not sufficiently large. This is not the case in a transformer-off case where the input capacitance of some embodiments of piezoelectric transformers may be too large.
- an input-side smoothing choke prevents a direct action of high-frequency current oscillations on an input or on a smoothing capacitor with respect to a non-input side smoothing or Resonanzinduktterrorism, so that an input-side smoothing reactor (hereinafter called inductor inductance) is preferable to other arrangements of inductance.
- phase lock loop is a typical way of frequency tuning.
- PLL phase lock loop
- US 5,866,968 a possibility is described to adjust the phase shift between the output voltage and the drive signal of a circuit according to (4) so that a PLL circuit with a simple oscillator / driver IC can be realized.
- This class E control circuit is well suited for piezotransformers with high transformation properties, since the maximum voltage at the output of the transformer is a significant point at the same time for the rated power. Because of the low current load in the high transformation, the frequency characteristic of the output voltage will almost correspond to an idle case, so that the transformation ratio between idle and nominal load changes little.
- a phase control by sampling the zero crossings of output voltage and output current in a half-bridge circuit is again inaccurate because of the dispersion of Umlade réelle at the input of the piezoelectric transformer, so that there is an evaluation of the amplitude of the output current is required to adjust the rated power.
- an inversion circuit for igniting a cold cathode arc tube by using a piezoelectric transformer includes a piezoelectric transformer for supplying a voltage signal to the arc tube, a driver for driving the piezoelectric transformer, and a voltage controlled oscillator for generating an oscillation pulse voltage signal having an oscillation frequency controlled by a control voltage.
- a control circuit For generating the control voltage, a control circuit is used, which generates the control voltage based on a detected phase difference between a voltage at the output of the driver and a voltage at a connected to the output of the piezoelectric transformer voltage divider.
- the object of the present invention is to provide a resonant converter and a method for efficiently driving variable loads.
- the present invention is based on the finding that a piezotransformer can be used for driving variable loads in a rated load operation for the Abtransformationsfall by a switch for switching a voltage applied to the piezotransformer voltage signal is used whose switching frequency based on a phase shift between a switch current and a load current is controlled.
- a negative switch current profile can and should occur by eg an antiparallel diode to the switch in all operating cases, whereby the zero voltage switching (ZVS) can always be guaranteed.
- a voltage transformation ratio of the piezoelectric transformer is just chosen to match the load impedance, and an input capacitance of the piezotransformer is selected so that it can resonantly store the required reactive power component, so that neither the Switch voltage is exceeded, nor does the voltage return to zero.
- the external capacitance shown there parallel to the switch is unnecessary, since the input capacitance of the piezoelectric transformer for a mains voltage application can be chosen sufficiently large, while their value is achieved in low-voltage applications of a piezoelectric transformer less well and below Circumstances is too small.
- the circuit according to the invention requires comparatively to half-bridge circuits for mains voltage applications only a low-side driver and thus has a reasonable tax expense. This simplifies the control effort for the entire circuit and is comparable to a driving effort of a hard-switching DC-DC converter (flyback or boost arrangement).
- the switch comes only for a short time, and comparable to the effect of a power source, in a reverse operation and therefore operates very low loss especially at a use of MOS transistors, but also when using IGBT with reverse diode even at high frequencies up to 100 kHz ,
- the present invention makes it possible, within certain limits, to drive variable loads with low loss and with a simple driving effort at high frequencies, with only a minimal amount of circuitry including, for example, a switch (MOSFET or IGBT with a reverse diode), an input direct current choke (Drosselihdukttechnik) and an electromechanical Energy converter (piezoelectric transformer) is obtained.
- a rectified mains voltage with certain fluctuations in the input voltage is just as useful as a constant input DC voltage.
- the converter (resonant converter) generates a nearly sinusoidal output voltage due to a high quality of the electromechanical transformer, whereby the crest factor at downstream ohmic loads, such as gas discharge lamps, can be kept sufficiently small.
- the electromechanical transducer piezoelectric transformer
- the electromechanical transducer satisfies the requirement of up-transformation in an unloaded state, so that a low-pressure gas discharge lamp can be easily ignited.
- a lamp Prior to ignition, such a lamp represents a very large resistance, which in an ignited state (combustion mode) changes into a defined load with a negative differential resistance, and can be approximately approximated with an ohmic resistance at an operating point.
- the ignition circuit realized by further components in a conventional ballast can be realized in a ballast with a piezoelectric transformer exclusively by this transformer, whereby a further cost reduction is brought about.
- a load-dependent phase shift between a load current and a switch current such a rated load point is set that it can be regulated via a phase locked loop (PLL).
- PLL phase locked loop
- a simple integrated drive circuit can be used.
- a detection of an input or a lamp voltage is not required for an adjustment of an operating point, since a parameter dependence of a phase shift is small enough to adjust the lamp power alone via a setpoint adjustment of the phase shift.
- the amplitude of the output current need not be sampled for approximate power adjustment because of the change in the transformation ratio If the load changes, the nominal power can be reproduced exactly enough on the phase shift of the current zero crossings of the switch and load current.
- Fig. 1 is a rough representation of a resonance converter according to the invention is shown, which comprises a source 101, a switch 103, a piezo transformer 105, a variable load 107 and a control device 109.
- a voltage supplied by the source 101 or a current supplied thereby is switched by means of the switch 103 at a switching frequency, whereby an input signal is applied to the piezo transformer 105, which is converted into an output signal having a frequency which is the switching frequency of the switch 103 depends.
- This output signal serves to drive a load 107, for example a low-pressure gas discharge lamp, whose load characteristic is variable.
- the switching frequency at which the switch 103 is switched is controlled by the controller 109 based on a phase shift between the current through the switch 103 and the load current through the load 107.
- This phase shift can be determined from a plurality of signals which can be tapped, for example, before and after the piezo transformer 105 and before or after the switch 103.
- Fig. 2 shows an embodiment of a resonance converter, wherein a control device for controlling the switching frequency is not shown.
- the source 101 is coupled to a first terminal 2011 of an input choke 201.
- a second terminal 2013 of the input choke 201 is coupled to a first input 1031 of the switch 103.
- the first input 1031 of the switch 103 is coupled to a first terminal 1051 of an input port 1052 of the piezotransformer.
- the source 101 is further coupled to a second input 1033 of the switch 103, which is further coupled to a second terminal 1053 of the input port 1052 of the piezo transformer 105.
- the variable load 107 is connected between a first terminal 1055 of an output gate 1056 of the piezotransformer and a second terminal 1057 of the output gate 1056.
- the switch 103 further has a control input 1035, to which a control signal can be applied, which controls the switching frequency of the switch 103.
- the source 101 which may be a DC voltage source
- an approximately constant or sawtooth DC current is fed via the input choke 201.
- the switch 103 is operated with a relative on time D and an operating frequency f, so that a resonance of the converter 105 is reached, and an output signal, such as a voltage, the variable load 107, such as a gas discharge lamp or other ohmic-capacitive load, drives.
- Fig. 3 is a detailed circuit diagram of a resonant converter including a class E amplifier.
- the source 101 is first coupled to the first terminal 2011 of the input choke 201.
- the second terminal of the inductor inductor is coupled to the first input 1031 of the switch 103, the first input 1031 being further coupled to the first terminal 1051 of the converter 105.
- the source 101 is also coupled to the second input 1033 of the switch 103, the second input 1033 being further coupled to the second terminal 1053 of the converter 105.
- the load 107 is arranged between the first terminal 1055 and the second terminal 1057 of the output port of the converter 105.
- the switch 103 in this embodiment comprises a voltage-controlled power switch 1037 whose source or emitter is coupled to the first input 1031 of the switch and whose drain or collector is coupled to the second input 1033 of the switch 103 are.
- the control input 1035 of the switch 103 is simultaneously implemented as a gate of the voltage-controlled circuit breaker 1037 in this embodiment.
- a diode 1039 is connected in the flow direction.
- FIG. 1 a simplified equivalent circuit diagram of a piezotransformer 105 is shown in FIG.
- the equivalent circuit comprises an input capacitance 10501, which is connected between the first terminal 1051 and the second terminal 1053 of the input port of the piezo transformer 105 and is thus arranged parallel to the switch 103.
- the equivalent circuit of the converter 105 comprises a resonant circuit consisting of a series circuit of a capacitance 10502, an inductor 10503 and a resistor 10504.
- the resonant circuit which is further characterized by a high quality, consists of the capacitance 10502, the inductor 10503 and the resistor 10504, is connected between the first terminal 1051 of the converter 105 and another terminal 10506 a primary side of the transformer assembly 10505. Parallel to a secondary side of the transmission arrangement 10505, an output capacitance 10508 is arranged.
- the piezo transformer 105 is characterized in that the transmission ratio ü is subject to change depending on the load 107.
- the voltage controlled power switch 1037 may be, for example, a fast IGBT (eg, a field stop IGBT) or a MOS transistor (For example, a cool MOS transistor), which is used together with an anti-parallel reverse diode. In the following the operation of the circuit shown in Fig. 3 will be explained.
- the voltage-controlled power switch 1037 When the voltage-controlled power switch 1037 is made conductive by application of a control signal to the control input 1035, a current flowing through the voltage-controlled power switch can not rise abruptly due to the input reactor 201. In addition, the input capacitance 10501 of the converter 105 is discharged. If the voltage-controlled power switch 1035 is switched off again by applying a corresponding control signal, that is to say in a blocking state, then a voltage across the voltage-controlled power switch only grows slowly, since the input capacitance 10501 charges up.
- the voltage-controlled power switch at the gate 1035 can therefore be de-energized with respect to the collector / emitter or drain / source, so that no turn-on losses occur.
- Such a current-controlled antiparallel diode is not necessarily designed as a fast diode, so that in this case also a low-cost slow diode can be used.
- the switch 103 is now operated at a predetermined frequency, the resonant circuit consisting of the capacitance 10502, the inductor 10503 and the resistor 10504 is excited. If a resonant frequency of the resonant circuit is reached, the converter 105 reaches a maximum voltage transfer ratio u.
- a piezoelectric transformer can be, for example, a voltage transfer function (at a defined input voltage 101 and a defined load 107) with respect to the frequency as described by a Gaussian function (bell curve), as illustrated for example in Fig. 3a.
- the voltage transfer function reaches a maximum value in the load state.
- the voltage transfer function decreases such that it follows a course of the Gaussian curve. For example, at a frequency f 1 above the resonant frequency, the voltage transfer function has assumed a value that is significantly less than the value of the voltage transfer function in the resonant case. If the frequency decreases again in the over-resonant mode, the voltage transfer ratio ü increases again.
- the gas discharge lamp exemplarily connected to the secondary side of the transformation arrangement 10505 is characterized by a variable load characteristic.
- a high voltage is applied, which enables the ignition of the gas discharge lamp 301. If the gas discharge lamp 301 is ignited in the no-load state, then the voltage applied to the gas discharge lamp 301 drops while the load current flowing through the gas discharge lamp increases.
- Is a nominal load operation (load condition) achieved that is, the gas discharge lamp is converted into a combustion operation, so its load behavior, as already stated, be approximated by a variable resistance in each operating point, wherein a negative differential characteristic of the ohmic resistance occurs.
- the voltage transfer function chosen by a suitable design of the electro-mechanical transducer 105 so broad that a deviation from the resonant frequency, a suitable reduction of the voltage transfer ratio occurs, it can be counteracted an increase in a voltage at the gas discharge lamp during load operation.
- the piezoelectric transformer because of its capacitive output due to the capacitance 10508, acts as a class E converter with a predominantly capacitive output load.
- the transmitted total power does not decrease to such a degree as if a constant ohmic resistance were operated as a load with the same frequency change.
- the transmitted total power is divided into the reactive power conducted via the capacitor 10508 and the active power conducted via the load 107.
- the transmitted total power can drop less with a deviation from the resonant frequency less than a constant ohmic load with the same converter, as a larger capacitive reactive power due to larger output voltage on the capacity 10508 is performed.
- the piezoelectric transformer 105 is designed so that it generates at about a same or only a slightly different resonant frequency with respect to the load case (ie, burning operation of the gas discharge lamp) a load-less up-transformation of the output voltage, so that an ignition of the gas discharge lamp is made possible.
- This attribute is achievable in piezoelectric transformers due to an undamped mechanical vibration in a load-free state in a simple and cost-effective manner by narrowing the resonance curve shown in Fig. 3a in the unloaded state, and the broadband resonant curve in the load state encloses the narrowband load-free curve.
- phase angle ⁇ LT which is determined by the zero crossings of the switch current I S and the load current I L is not zero and relatively large in this exemplary diagram, since the load current I L has a larger capacitive component, which is equivalent to the fact that Gas discharge lamp has not yet been converted to its nominal operation (approximately ohmic resistance), where the phase angle ⁇ LT is smaller and may even become almost zero.
- the reverse time t rev becomes ever smaller and can become almost zero, so that the negatively flowing reverse current through the diode 1039 disappears.
- the frequency-dependent voltage transmission ratio of a piezoelectric transformer is used in the embodiment shown in FIG. 3 according to the invention to realize a frequency-dependent power transmission in response to a variable load, as has already been explained with reference to FIG. 3a. This will be explained in detail below with reference to the voltage transfer ratio of a piezoelectric transformer 105 shown in FIG. 5 depending on a load characteristic of a gas discharge lamp 301.
- the resonant frequency in an unloaded operation is higher than the optimum one Frequency under load (for example, for maximum power or for maximum efficiency).
- the resonant frequency of the electromechanical transducer is realized without load only slightly above the resonant frequency under load, which is technically easily possible by a suitable design of a piezoelectric transformer.
- the rated frequency for the nominal load combustion mode is intended to coincide approximately with the resonant frequency in a no-load condition.
- the converter is initially driven starting from the resonant frequency with a frequency which is preferably variable around the no-load resonance point, which increases slowly and / or slowly decreases again, and follows a curve of a voltage transfer ratio curve 501 shown in FIG ,
- a phase angle ⁇ LT between the load current and the switch current is evaluated for controlling and regulating the converter constructed in this way in order, for example, to realize a superresonant control.
- FIG. 5 Also illustrated in FIG. 5 is an example waveform of the phase angle ⁇ LT at rated load versus frequency (curve 507) together with the voltage transfer functions in a no-load condition (ignition) and a load condition (rated load).
- the phase angle ⁇ LT steadily decreases until a maximum power transmission is reached, while it increases in the direction of load-free operation.
- the load changes so that below f OPT the rated load or an even larger load (small voltage transfer ratio ü) occurs, and above f OPT a smaller load (greater voltage transfer ratio ü) up to the no-load ignition characteristic in association with the function of the phase angle ⁇ LT 507 occurs.
- the supersorant range above a frequency f opt can be used for controlling or regulating the gas discharge lamp power. Accordingly, it is therefore not necessary to detect a maximum value of the gas discharge lamp current to perform the control or the regulation of the converter. It is sufficient to sample the phase angle ⁇ LT between the switch and the load current and set it to a nominal value. If the frequency becomes smaller, the active power transfer increases in an over-resonant operation up to its maximum at the resonance frequency.
- the switch current embodies approximately the input current of the piezo transformer 105, which is distributed via the transformation ratio to the load (gas discharge lamp) and to the output capacitance 10508 of the converter 105.
- FIG. 5a shows a dependence of the output power transmission on the input voltage at a constant output impedance.
- the power can be increased under rated load by increasing the input voltage from a minimum rated input voltage 505 'to a higher input voltage 503' to a maximum load characteristic 501 '.
- the output power can not be increased significantly, this being dependent on the volume of the piezoelectric transformer used. A smaller volume allows only a smaller maximum load. It is therefore important to ensure that the piezotransformer is designed at least for a load slightly greater than the rated load, so that the control circuit of FIG. 8 remains functional beyond the rated load.
- phase angle ⁇ LT The course of the phase angle ⁇ LT at a constant frequency is shown once again in FIG. 6 as a function of an input voltage U in applied to the gas discharge lamp.
- U in the phase angle ⁇ LT decreases, since in this case more active power is transmitted to the gas discharge lamp, see, for example, Fig. 5a, überresonanter operation.
- This has the consequence that the active component of the lamp current increases. From this example it is clear that variations in the input voltage U in reflected also in the size of the phase angle ⁇ LT.
- such fluctuations of the voltage U in can be compensated by more power is passed to the gas discharge lamp by lowering the frequency at a falling input voltage U in in the over-resonant mode of operation.
- phase angle ⁇ LT can be set by setting a different transmission ratio u as a function of the input voltage. This phase angle is at constant output voltage due to the parallel circuit of the approximately constant capacitance 10508 and the load 107 in load operation, a measure of the size of the load current, and thus for the output power.
- FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a resonance converter according to the invention for low-pressure gas discharge lamps, including switching frequency control. Since this embodiment is based on the embodiment shown in Fig. 3, the functionalities will not be described again with the same reference numerals in the following.
- the embodiment shown in FIG. 7 initially comprises an input rectifier 701 having a first mains terminal 70101 and a second mains terminal 70103. Between an output 7015 and an input 7017 of the input rectifier 701 is a capacitance 703, e.g. a charge capacitor can be coupled. In addition to the capacitor 703, a drive part 705 is further coupled together with a resistor 70501. The output 7015 of the input rectifier 701 is further coupled to the first terminal 2011 of the input inductor 201. The drive part 705 further has a control output 7051, which according to the present invention is coupled to the control input 1035 of the switch 103, which in this embodiment comprises the current-controlled power switch 1037.
- a capacitance 703 e.g. a charge capacitor can be coupled.
- a drive part 705 is further coupled together with a resistor 70501.
- the output 7015 of the input rectifier 701 is further coupled to the first terminal 2011 of the input inductor 201.
- the drive part 705 further has
- the drive part 705 further has a first one Input 7053 and a second input 7055 on.
- the first input 7053 is coupled to the second input 1033 of the switch.
- a sense resistor 707 is further arranged between the first input 7053 of the drive part 705 and the input 7017 of the input rectifier 701.
- a second sense resistor 709 is arranged between the load 107 and the second terminal 1057 of the converter 105.
- the second input 7055 of the driver 705 is coupled between the load 107 and the second sense resistor 709.
- the drive part 705 further has a power supply input 7057, which is coupled to the input 7017 of the input rectifier 701 via a capacitor 70111, which may be designed, for example, as a blocking capacitor. Between the second terminal 1053 of the converter 105 and the power supply input 1057 of the drive part 705, a first diode 70131 is coupled in the flow direction. Between the input 7017 of the input rectifier 701 and the first terminal 1051 of the input port of the converter 105, there is further coupled a parallel circuit consisting of an external capacitance 70151 and a diode 70171 operated in the forward direction.
- a parallel circuit consisting of an external capacitance 70151 and a diode 70171 operated in the forward direction.
- the task of the control part 705 is to detect the indicated in Fig. 7 with an arrow switch current I S and the load current I L suitable to determine a phase difference between the two currents, and so at the control output 7051, a control signal for controlling the Switching frequency of the switch 103 output.
- a variable dependent on the switch current I S is initially generated, which can be applied to the first input 7053 of the control part 705.
- the switch current I s at the first sense resistor 707 is converted to a voltage applied to the first input 7053.
- the size dependent on the switch current can be generated by any functionality, such as a current mirror or a current-controlled voltage source.
- the piezotransformer 105 with a voltage transfer ratio ü drives a gas discharge lamp with the load resistor 107, through which the load current I L flows.
- a second sense resistor 709 is used in the exemplary embodiment shown in FIG. 7, so that the load current I L generates a voltage across the resistor 709 which is applied to the second input 7055 of the drive part 705 is applied.
- the phase difference between the switch current I S and the load current I L is first determined in the drive part 705 and, as has already been described above, a control signal is output which controls the switching frequency of the switch 103.
- the power supply of the drive part 701 is realized via a primary-side connection of the piezoelectric transformer 105 via a pumping circuit with the diodes 70131 and 70171, and via the external capacitor 70151, while the capacitor 70111 (blocking capacitor) Supply voltage of the control part 701 smoothes.
- a simple power supply device contains no special requirements for electromagnetic compatibility and without further options for dimming or power factor correction, only three capacitances 703, 70111 and 70151, which are designed for example as capacitors, an input rectifier 701 (mains rectifier), an input choke 201, a piezo transformer 105, for example a fast IGBT 1037 with a reverse diode 1039, a possibly integrated control section 705, two diodes 70131 and 70171 as well as some miniature resistors.
- the ballast thus obtained can thus be accommodated in a compact design in the smallest space, for example, a height of 10 mm is easily accessible.
- a size EF 13 up to a power of 18 watts is sufficient for the input choke 201 (choke inductance).
- a cylindrical design with a height of 9mm and a diameter of 20mm may also be considered sufficient for 18W.
- the transistor 1037 for example, implemented as a fieldstop IGBT, can be housed in a small SOT package, and the drive IC (IC) for the driver 705 can be packaged in a standard 8-pin package.
- a complete integration of the 1039 reverse diode, such as a Fieldstop IGBT 1037 and a drive IC is also cost-effective in an 8-pin package as a multi-chip solution.
- FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the control device 109 according to the invention together with the switch 103 and the load resistor 107.
- the control device 109 comprises first a device 801 for detecting a dependent of the switch current I S size, means 803 for detecting a dependent of the load current I L size and a phase locked loop 805.
- the phase locked loop 805 comprises in this embodiment means 807 for determining the Phase shift between switch current and load current from the quantities detected by device 801 and device 803.
- the device 807 has a first input 8071, a second input 8073 and an output 8075.
- the output 8075 of the device 807 is via a Resistor 8091 and a capacitor 8093 coupled to a reference potential, such as ground.
- Means 805 further includes a voltage controlled oscillator 811 (VCO) and a gate driver 813.
- VCO voltage controlled oscillator
- An input 81101 of the VCO 811 is coupled between the resistor 8091 and the capacitor 8093.
- An output 81103 of the VCO is coupled to an input of the gate driver 813 whose output is coupled to the control input 1035 of the switch 103.
- the device 801 has a comparator 8011 with a first input 80111, a second input 80112 and an output 80113.
- the first input 80111 of the comparator 8011 is coupled to the second input 1033 of the switch 103.
- the second input 80112 is coupled to the output 80131 of a reference source 8013.
- the output 80113 of the comparator 8011 is coupled to the first input 8071 of the device 107.
- the device 803 comprises a comparator 8031 having a first input 80311 and a second input 80312 and an output 80313.
- the first input 80311 of the comparator 80131 is coupled between the resistors 107 and 709.
- the second input 80312 of the comparator 8031 is coupled to the output 8031 of the reference source 8013.
- the output 80313 of the comparator 8031 is further coupled to the second input 8073 of the device 807.
- the switch current at the sense resistor 707 is converted into a voltage applied to the first input 80111 of the comparator 8011.
- a reference signal supplied from the reference source 8013 is applied.
- the comparator 8011 thus samples the zero crossings of the switch current I S by a comparison between the one falling on the sense resistor 707 Voltage and the reference signal near zero.
- an output signal is thus output whose instantaneous phase results from the comparison between the signals present at the inputs 80111 and 80112 and which in this embodiment represents a variable dependent on the switch current I S.
- a symmetrical arrangement is located on the load side.
- the load current I L is converted into a voltage applied to the first input 80311.
- the second input 80312 is also the reference signal 80131, which is supplied by the reference source 8013.
- the load current is sampled via the sense resistor 709 and the comparator 8031 outputs at its output 80313 an output signal representing a magnitude dependent on the switch current I L.
- the two second inputs 80112 and 80312 are coupled to the same output 80131 of the reference source 8013.
- This reference source is designed in this embodiment as a DC voltage source.
- reference source 8013 may be any source, such as an AC source, or other arrangement such as a current or voltage controlled voltage source that provides a predetermined, eg, time-dependent reference signal.
- the switch current and the load current at the two sense resistors 707 and 709 are sampled.
- the switch current and the load current can be sampled using any functionality, such.
- Means 807 is for detecting the phase shift between the switch current and the load current from the detected quantities applied to the two inputs 8071 and 8073.
- means 807 is implemented as a phase detector which is part of phase locked loop 805.
- the phase difference signal determined by the phase detector 807 which further depends on its frequency dependency on whether there is an over-resonant or an under-resonant operation, is integrated by the integrator 809, in this embodiment as a filter consisting of a resistor and a capacitor.
- the filter output signal is applied to the input 81101 of the VCO 811, which generates a suitable frequency f and an associated duty cycle D f from the filter output signal. This output signal is forwarded to the control input 8035 of the switch 103.
- the integrator device 809 which in this example is particularly cost-effective, can also be implemented in other ways, for example by a suitably connected operational amplifier, or another time-delaying circuit.
- the switch 103 includes a voltage controlled power switch 1037.
- the output of the VCO 813 is supplied to the gate driver 813, the output of which is passed to a gate of, for example, a field stop IGBT or MOSFET as possible embodiments of the voltage controlled power switch.
- the device 807 is implemented as a phase detector for detecting the phase difference and generating a difference signal. This has the advantage that for controlling the switch 103, the phase locked loop 805 can be used, which can be realized inexpensively.
- Fig. 8 works as follows: When the output load increases (smaller ohmic resistance), Thus, a smaller transmission ratio will occur according to FIG. 5. At the same time, however, the phase angle ⁇ LT decreases in the over-resonant case, so that the voltage Up which is output at the output of the device 809 increases. Via the VCO 811, a larger frequency is set by the filter 809 at the gate of the fieldstop IGBT 1037, for example, which causes a reduction of the transmitted power. This leads to the over-resonant characteristic of FIG. 5 to a smaller transmission ratio ü. However, since the output load has a negative differential resistance when it is a gas discharge lamp (fluorescent lamp), the output voltage increases and the lamp current decreases disproportionately.
- a gas discharge lamp fluorescent lamp
- the VCO 811 may therefore have a means, not shown, to store the angelege frequency at the time of ignition.
- the ignition frequency in überresonanten branch of the load curve in Fig. 3a This ignition frequency is then not targeted during control under load, or only by an amount defined by the parameters of the piezo transformer 105 falls below, so that even a disproportionate change in the phase voltage U p to smaller values no frequency reduction in the sub-resonant operation permits.
- the VCO 811 can continue to have a device, not shown, to ensure a minimum, lower limit frequency in load operation, which ensures this behavior.
- the VCO 811 is further characterized by a duty cycle D f , which is adjustable.
- D f a duty cycle
- these switch-on times are supplied by the voltage-controlled oscillator 811 in such a way that the current in the switch only rises during the switch-on time, as illustrated in FIG. 4 by the profile of I S in an interval marked by t on .
- the VCO 811 is therefore designed so that it provides a duty cycle D f necessary for this purpose. This can be realized, for example, by means not shown in FIG. 8 for setting a predetermined duty cycle of the output signal of the oscillator 811.
- a resonant inverter consisting of a self-excited or a foreign-excited class E amplifier with a mode tuned to resonance frequency at a high frequency using a high load circuit electromechanical power converter, high efficiency, and limited load variation and input voltage swing, by using a dynamically fast switch with at least about three times reverse bias voltage versus the maximum DC input voltage. Since only one switch and a relatively simple drive circuit are required, the circuit can be realized as a one-chip solution (eg in a SMART-POWER technology) or in a known cost-effective multi-chip design without a need a bridge-capable high-voltage technology for the drive circuit.
- a resonance inductance is thus no longer required, just as little as a high-side driver device, which is not the case for comparable half-bridge solutions with narrow-band energy converters, or only with restrictions with regard to the control accuracy.
- no reactive components capacitor, inductors
- the inverse voltage transfer ratio 1 / ⁇ (input voltage / output voltage) of the electromechanical transducer is selected to be 1.5: 1 to 5: 1 in terms of sinusoidal transmission at resonant frequency to accommodate typical grid applications for discharge lamps (eg, low pressure lamps).
- the input mains voltage can be between 80 and, for example, 260 volts AC.
- From the electrical filter behavior of the electronic-mechanical transducer eg piezoelectric transformer
- a load voltage burning voltage
- a load adjustment with optimal switch voltage limit for the described network applications can not be achieved, which is why the correct dimensioned gear ratio in rated load operation is an essential idea of the inventive solution.
- the input capacitance of the electromechanical transducer is to be chosen so that in addition to the parallel to the converter input switched semiconductor switch no further parallel capacitance is needed.
- the value of this input capacitance will be between 100 pF and 1 nF at a frequency of typically 100 kHz and a power of 10 to 20 watts, depending on the input voltage.
- the value of the capacitance should be about 500 pF to 1 nF, for a large input voltage (160 to 260 V AC), this value should be selected as 100 pF to 500 pF.
- the parallel acting capacity of the switch is on the order of less than 200 pF.
- the value of the input capacitance shifts up (higher power) or down (smaller power).
- a construction of a piezoelectric transformer Preferably, a circular or a laterally oscillating piezoelectric transformer is used here.
- a piezoelectric transformer which works on the basis of a thickness vibration or a rose type transformer is less suitable for this application because they do not allow a corresponding transformation ratio in the given power range and the required input capacitance at a sufficient efficiency. It should be noted, however, that these two types of piezotransformers can be used according to the invention.
- the negative differential resistance of a gas discharge lamp in the burning operation helps to stabilize the class E zero-voltage circuit, and as a load in conjunction with a narrow-band electromechanical converter, this is better suited than a constant ohmic resistance.
- the piezoelectric transformer is designed so that its voltage transfer function has a sufficient bandwidth, which, as already mentioned, follows in frequency about a Gaussian function, and is chosen so wide that at a deviation from the resonance frequency Reduction of the voltage transfer ratio ü occurs, which counteracts the increase in the voltage at the gas discharge lamp.
- a control or regulation for gas discharge lamps via detection of the lamp current can be technically reliably implemented if the frequency bandwidth is up to the drop to half a power at least about 5 to 10% of the nominal frequency.
- the behavior changes
- the class-E circuit with respect to the zero voltage circuit and the switch current load hardly, so that no significant changes in the switch maximum current, the switch reverse current and the switch maximum voltage occur at approximately constant relative on-time. This is due to the fact that the output capacitance of the piezoelectric transformer is large enough (eg a few nanofarads) to take enough reactive power even in the no-load condition, and resonantly fed back to the input when the load becomes smaller than its nominal value.
- the class E converter responds to an increased capacitive or less resistive output load with an increase in reactive current component without violating the zero voltage condition.
- the inherent output capacitance of the piezoelectric transformer has a stabilizing effect in this sense.
- the switch voltage continues to return to zero even if the gas discharge lamp has been extinguished or removed again.
- This only increases the proportion of reverse current in the switch.
- the maximum reverse current is equal to the maximum inrush current of the switch (ignition mode).
- detection of end-of-life effects or load circuit interruption can be done by sampling the reverse current in the switch without having to monitor the lamp voltage.
- the transformation ratio of the electromechanical transducer changes little, so that the power changes approximately with the square of the input voltage. If the DC input voltage of the converter decreases, the active current and the reactive current in the load circuit decrease accordingly, and the switch reverse current decreases. If the reverse bias of the switch is large, the input capacitance of the piezoelectric transformer can be reduced to achieve zero voltage switching (ZVS) to lower input voltages. If, however, the reverse voltage reserve of the switch is small, the input voltage must not fall below a certain minimum value.
- a switch a component whose maximum permitted voltage in any possible operating state of a gas discharge lamp with electromechanical transducer (piezoelectric transformer) is exceeded. Therefore, a non-avalanche-proof switch (MOSFET or IGBT) is well suited for this application, since the output capacitance of the converter, which acts on the input, has a compensating effect with decreasing resistive load, and a maximum transmittable power can not be exceeded.
- MOSFET or IGBT non-avalanche-proof switch
- non-avalanche-resistant components in particular field stop IGBT as a switch
- the present application is cheaper by no protective element against overvoltages must be used on the switch, since the output circuit already ensures the protection of the switch by its electromechanical and thus electrical properties.
- the phase angle between the load current and the switch current can be evaluated for controlling and regulating a converter constructed in this way.
- the switch current is superimposed only by the DC component of the input inductor, which changes the phase shift by a fixed amount, and therefore not or only little depends on the power or input voltage. If the input throttle of the converter is chosen so small that the inductor current can decay to zero or less than zero, one can significantly reduce the proportion of superimposed DC flow from the throttle or almost make it to zero, because then the inductor current is typically in the moment switching on the switch reaches about a zero crossing. Even if the input choke is selected to be larger, a phase detection for power control is possible and only slightly adapted to the respective value of the input choke, since the effective input current in this application is much smaller than the load current.
- the fluctuation of the input voltage can be compensated via the phase detection and a corresponding frequency change, since the capacitive component of the output current in the converter increases, if due to decreasing input voltage, the active power is smaller.
- the electromechanical transducer usually has the property to transmit at a decreasing input voltage with this square decreasing power.
- the converter can only react with an increase in the output voltage even if a small input voltage is applied.
- the transformation ratio shifts towards larger values and the transformer internal losses increase slightly.
- the inherent output capacitance of the converter is subjected to a larger voltage, whereby the capacitive current component increases and the ohmic current component decreases.
- the enlargement of the transformation ratio can be adjusted by a design of the electromechanical transducer so that the output voltage from maximum load (minimum load resistance) to smaller loads (larger load resistance) increases so that the resulting equivalent resistance with respect to the input remains approximately constant or changes little.
- the size of the input choke can also be used to adjust the power within certain limits at a given frequency. If the input choke is made larger, the transmission power increases, because at the same frequency, because of the electrical characteristics of the class E converter, the effective stored energy in the input choke increases, which is passed to the load circuit.
- the adjustment of the power through the input inductor is possible only within smaller limits because of the limited bandwidth of the electromechanical transducer and will affect the overall performance insignificantly within the usual tolerances of inductive components.
- the adjustment of the input choke can be used to adjust the operating point, if another adjustment should not be made. An advantage of the finite design of the input choke is thus the possibility to adjust the lamp power.
- the input choke is made too large, it can cause an improved smoothing of the current harmonics to the network (noise voltage), but also causes a necessary adjustment of the input capacitance of the converter to smaller values at a power increase and at a constant transformation ratio or a smaller step-down ratio and more consistent or larger input capacitance of the converter.
- the values for the input choke required for a typical implementation of the invention are to be chosen between 3mH and 20mH at a typical frequency of 100kHz ,
- a PLL control loop is put into operation in time after the detection of the ignition, in which the zero crossings are sampled by the switch and load current and passed on to a phase detector. Furthermore, this phase difference is passed to a filter which generates a smoothed output voltage. This is switched to a suitable VCO (voltage controlled oscillator), which should be adjusted to a desired value (setpoint comparison) and has a suitable gain.
- VCO voltage controlled oscillator
- the output signal of the VCO is returned as a frequency signal with associated duty cycle according to the invention (constant or slightly variable within said range) via a driver to the switch (gate of an IGBT or MOSFET). In this case, the duty cycle may increase slightly with decreasing frequency and slightly decrease with increasing frequency or it is kept constant.
- the phase difference signal is positively turned on, thereby producing an approximately constant power.
- load change load reduction
- the converter will keep the power approximately constant by first "determining" that the phase angle has become larger due to sinking load.
- the resulting phase voltage Up has become smaller, according to the diagram. If it is given positive to the VCO, then the frequency drops slightly and the power is increased again. As a result, the phase angle decreases again, and the phase difference voltage increases again according to the diagram.
- the regulation comes eventually to a new actual value of the lamp power, but not very different from the initial value.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zum Treiben von veränderlichen ohmisch-kapazitiven oder ohmisch-induktiven Lasten, das einen Resonanzkreis, einen elektromechanischen Energiewandler, einen Schalter sowie eine Steuereinrichtung aufweist.The present invention relates to a switching power supply for driving variable ohmic-capacitive or ohmic-inductive loads, comprising a resonant circuit, an electromechanical energy converter, a switch and a control device.
Schaltnetzteile mit oder ohne Resonanzkreis kommen meist nicht ohne induktive elektromagnetische Bauelemente aus. Zur Erzielung eines verlustarmen Schaltbetriebs können solche Schaltungen nur bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz und nur mit resonanten induktiven Elementen oder breitbandigen Transformatoren oder Induktivitäten betrieben werden. Derartige Komponenten sind volumenintensiv und verursachen einen signifikanten Kostenanteil am gesamten Gerät.Switching power supplies with or without resonant circuit usually do not come without inductive electromagnetic components. To achieve a low-loss switching operation such circuits can be operated only up to a certain maximum frequency and only with resonant inductive elements or broadband transformers or inductors. Such components are volume-intensive and cause a significant share of the costs of the entire device.
Beispielsweise ist eine selbst- oder fremderregte Halbbrückenschaltung anzuführen, die mit Bipolartransistoren, Reversdioden, einem Serienresonanzkreis sowie induktiver Basisrückkopplung arbeitet. Eine beispielhafte Ausführungsform einer derartigen Halbbrückenschaltung ist in folgender Schrift (1) offenbart:
Weiterhin gibt es HF-Verstärker (HF; HF = Hochfrequenz) der Klasse E mit nur einem Schalter und einem hohen Wirkungsgrad. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (2) veröffentlicht:
Bei einem Einsatz von hochfrequenten piezoelektrischen Transformatoren (Piezotransformatoren) oder anderen Energieumformern mit einer elektromechanischen Energiewandlung lassen sich beliebige Transformationsverhältnisse realisieren, jedoch bieten diese Bauelemente meistens kein vorwiegend induktives Eingangsverhalten. Solche elektromechanischen Wandler sind meist auch sehr schmalbandig und können bezüglich ihres Frequenzverhaltens nur sinusförmige Schwingungen übertragen. Eine hart schaltende Konvertertopologie ist deshalb für deren Betrieb weniger geeignet. Somit muß der Resonanzbetrieb, günstigerweise auch in einer Resonanzkonvertertopologie, gewählt werden. Da durch ein piezokeramisches Material im wesentlichen ein kapazitives Eingangs- und Ausgangsverhalten vorgegeben ist, kann ein solcher Wandler die konventionellen Induktivitäten oder Transformatoren nur dann ersetzen, wenn im Fall eines gewünschten induktiven Lastkreisverhaltens für zusätzliche induktive Formung des Lastkreises Sorge getragen wird. Bei einer Halbbrückenschaltung ist ein solches induktives Lastkreisverhalten gefordert, um die Schaltverluste klein zu halten. Als einfachste Maßnahme läßt sich eine zusätzliche, wenn auch kleine konventionelle Induktivität in den Lastkreis einfügen. Wenn die Einschaltverluste aufgrund entsprechend niedriger Eingangsspannungspegel (z. B. Kleinspannungen bis 24 V) klein genug sind, kann auch ein kapazitives Verhalten des elektromagnetischen Wandlers in der Halbbrücke akzeptabel sein.When using high-frequency piezoelectric transformers (piezotransformers) or other energy converters with an electromechanical energy conversion, any desired transformation ratios can be realized. However, these components usually do not provide predominantly inductive input behavior. Such electromechanical converters are usually also very narrow-band and can transmit only sinusoidal oscillations with regard to their frequency behavior. A hard-switching converter topology is therefore less suitable for their operation. Thus, resonant operation, favorably also in a resonant converter topology, must be chosen. Since a capacitive input and output behavior is essentially predetermined by a piezoceramic material, such a converter can only replace conventional inductances or transformers if care is taken in the event of a desired inductive load circuit behavior for additional inductive shaping of the load circuit. In a half-bridge circuit such an inductive load circuit behavior is required to keep the switching losses small. The simplest measure is an additional, albeit small conventional inductance in the load circuit insert. If the turn-on losses are small enough due to correspondingly low input voltage levels (eg extra-low voltages up to 24 V), a capacitive behavior of the electromagnetic converter in the half-bridge may also be acceptable.
Schließlich kann auch das Schalten in einem Resonanzfall unter Verwendung eines piezoelektrischen Transformators so gestaltet werden, daß die Schaltverluste minimiert werden, wenn eine Umladezeit der relativ großen Eingangskapazitäten des piezoelektrischen Transformators durch ein exaktes Einhalten von erforderlichen Ansteuerzeiten durch ein zeitweises Ausschalten beider Schalter (Totzeiten) überbrückt wird. Hierzu ist jedoch eine genau einstellbare High-Side- und Low-Side-Treiberschaltung erforderlich, die ferner meist einen integrierten Schaltkreis aufweist. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (3) veröffentlicht:
Bei einer Resonanzschaltung der Klasse E ist das vorwiegend kapazitive Eingangsverhalten eines Piezotransformators nutzbringend, indem die Größe der Eingangskapazität auf einen elektrisch erforderlichen Wert angepaßt werden kann und somit nicht störend wirkt, wie es bei einer Halbbrücke oder einer anderen zielgemäß induktiv wirkenden Lastkreisschaltung der Fall ist. Derartige Schaltungen der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator sind bereits aus der folgenden Schrift (4) bekannt: T.Abe, Sh. Jomura, T. Tamakai, "Discharge tube driving device and piezoelectric transformer therefore",
Solche Schaltungen werden in Schrift (4) jedoch nicht für den technisch in Netzspannungsanwendungen gegebenen Fall einer großen Eingangsspannung und einer kleinen Ausgangsspannung eingesetzt, sondern zur Hochtransformation von einer kleineren Spannung auf eine größere verwendet. Diese Beschränkung auf kleine Eingangsspannungen war bisher vorwiegend durch die fehlende Verfügbarkeit dynamisch schneller, hochsperrender Leistungsschalter bestimmt, welche nun inzwischen kostengünstig hergestellt werden können, z. B. Fieldstop-IGBT (IGBT; IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) bis 1700 V oder Cool-MOS-Transistoren bis 800 V.However, such circuitry is not used in document (4) for the case of a large input voltage and a small output voltage, which is technically used in mains voltage applications, but is used to up-transform from a smaller voltage to a larger one. This limitation to small input voltages was previously determined mainly by the lack of availability dynamically faster, high-blocking circuit breaker, which can now be produced inexpensively, for. B. Fieldstop IGBT (IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) up to 1700 V or Cool MOS transistors up to 800 V.
Bei Kleinspannungsanwendungen wird eine Klasse-E-Schaltung nach Schrift (4) und nach Schrift (2) meist im optimalen Betrieb mit der relativen Einschaltzeit von D = 0,5 eingesetzt. Meistens benötigt eine solche Schaltung im Falle der Hochtransformation eine zusätzliche eingangsseitige Parallelkapazität, falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators nicht ausreichend groß ist. Dies ist in einem Abtransformationsfall nicht gegeben, wo die Eingangskapazität mancher Ausführungsformen von piezoelektrischen Transformatoren zu groß sein kann.In low-voltage applications, a class E circuit according to document (4) and according to document (2) is usually used in optimum operation with the relative on-time of D = 0.5. In the case of the high transformation, such a circuit usually requires an additional input parallel capacitance if the input capacitance of the piezoelectric transformer is not sufficiently large. This is not the case in a transformer-off case where the input capacitance of some embodiments of piezoelectric transformers may be too large.
Außerdem gibt es Eintransistorschaltungen mit einem Piezotransformator, die eine Resonanzinduktivität erfordern, die nicht, oder nicht ausschließlich, glättend wirkt und somit für eine hohe Frequenz von ca. 50 bis 200 kHz durch eine geeignete Wahl von einem Magnetmaterial und einem Litzendraht geeignet sein muß. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in der Schrift (5),
Bezüglich der Steuerung von Schaltungen mit einem piezoelektrischen Wandler ist die Phasenregelung (PLL; PLL= Phase Lock Loop) ein typischer Weg der Frequenzabstimmung. In der Schrift (7),
Aus "
Aus der
Ferner ist aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Resonanzkonverter sowie ein Verfahren zum effizienten Treiben von veränderlichen Lasten zu schaffen.The object of the present invention is to provide a resonant converter and a method for efficiently driving variable loads.
Diese Aufgabe wird durch einen Resonanzkonverter zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 16 gelöst.This object is achieved by a resonant converter for driving variable loads according to
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Piezotransformator zum Treiben von veränderlichen lasten in einem Nennlastbetrieb für den Abtransformationsfall eingesetzt werden kann, indem ein Schalter zum Schalten eines an den Piezotransformator anlegbaren Spannungssignals verwendet wird, dessen Schaltfrequenz auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom gesteuert wird.The present invention is based on the finding that a piezotransformer can be used for driving variable loads in a rated load operation for the Abtransformationsfall by a switch for switching a voltage applied to the piezotransformer voltage signal is used whose switching frequency based on a phase shift between a switch current and a load current is controlled.
Durch die vorgestellte Erfindung wird ein Schaltnetzteil oder Oszillator definiert, welches grundsätzlich wie ein Verstärker der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator aufgebaut ist, jedoch in seiner Betriebsweise von einem Optimum, das durch D = 0,5 gegeben ist, nach unten hin abweicht, so daß der Schalterstrom während der Einschaltzeit nur ansteigend verläuft, wobei D typischerweise in einem Intervall von 0,25 bis 0,45 liegt, und ein Maximum einer Schalterspannung auf einen etwa dreifachen Wert der Eingangsspannung begrenzbar wird. D wird hierbei als relative Einschaltzeit nur des positiven Verlaufs des Schalterstroms betrachtet. Zusätzlich kann und sollte ein negativer Schalterstromverlauf durch z.B. eine antiparallele Diode zum Schalter in allen Betriebsfällen auftreten, wodurch das Nullspannungsschalten (ZVS) stets gewährleistet werden kann.By the presented invention, a switching power supply or oscillator is defined, which is basically constructed as a class E amplifier with a piezoelectric transformer, but in its operation from an optimum, which is given by D = 0.5, deviates downward, so that the switch current during the on-time is only increasing, where D is typically in an interval of 0.25 to 0.45, and a maximum of a switch voltage is limited to an approximately three times the value of the input voltage. D is considered as the relative on-time of only the positive history of the switch current. In addition, a negative switch current profile can and should occur by eg an antiparallel diode to the switch in all operating cases, whereby the zero voltage switching (ZVS) can always be guaranteed.
Diese Maßnahme zur sinnvollen Begrenzung der Schalterspannung in Netzspannungsanwendungen ist aus der Schrift (6),
Um in dieser Schaltung keine zusätzlichen reaktiven Lastkreiskomponenten zu benötigen, wird ein Spannungstransformationsverhältnis des piezoelektrischen Transformators gerade so gewählt, daß die Lastimpedanz angepaßt wird, und es wird eine Eingangskapazität des Piezotransformators so gewählt, daß sie den erforderlichen Blindleistungsanteil resonant speichern kann, so daß weder die Schalterspannung überschritten wird, noch die Spannungsrückkehr auf Null ausbleibt. Gegenüber der Schaltung nach Schrift (4) wird die dort gezeigte externe Kapazität parallel zu dem Schalter überflüssig, da die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators für eine Netzspannungsanwendung ausreichend groß gewählt werden kann, während ihr Wert bei Kleinspannungsanwendungen von einem piezoelektrischen Transformator weniger gut erreicht wird und unter Umständen zu klein ist.In order to avoid the need for additional reactive load circuit components in this circuit, a voltage transformation ratio of the piezoelectric transformer is just chosen to match the load impedance, and an input capacitance of the piezotransformer is selected so that it can resonantly store the required reactive power component, so that neither the Switch voltage is exceeded, nor does the voltage return to zero. Compared with the circuit according to document (4), the external capacitance shown there parallel to the switch is unnecessary, since the input capacitance of the piezoelectric transformer for a mains voltage application can be chosen sufficiently large, while their value is achieved in low-voltage applications of a piezoelectric transformer less well and below Circumstances is too small.
Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Schaltung vergleichsweise zu Halbbrückenschaltungen für Netzspannungsanwendungen nur einen Low-Side-Treiber und weist damit einen vertretbaren Ansteueraufwand auf. Dadurch vereinfacht sich der Ansteueraufwand für die gesamte Schaltung und ist mit einem Ansteueraufwand eines hart schaltenden DC-DC-Konverters (Flyback- oder Boost-Anordnung) vergleichbar.In addition, the circuit according to the invention requires comparatively to half-bridge circuits for mains voltage applications only a low-side driver and thus has a reasonable tax expense. This simplifies the control effort for the entire circuit and is comparable to a driving effort of a hard-switching DC-DC converter (flyback or boost arrangement).
Außerdem kommt der Schalter nur kurzzeitig, und vergleichbar wie bei der Wirkung einer Stromquelle, in einen Reversbetrieb und arbeitet deshalb insbesondere bei einer Verwendung von MOS-Transistoren, aber auch bei einer Verwendung von IGBT mit Reversdiode selbst bei hohen Frequenzen bis über 100 kHz sehr verlustarm.In addition, the switch comes only for a short time, and comparable to the effect of a power source, in a reverse operation and therefore operates very low loss especially at a use of MOS transistors, but also when using IGBT with reverse diode even at high frequencies up to 100 kHz ,
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, in gewissen Grenzen veränderliche Lasten verlustarm und mit einem einfachen Ansteueraufwand bei hohen Frequenzen zu treiben, wobei nur ein minimaler Schaltungsaufwand, einschließlich beispielsweise eines Schalters (MOSFET oder IGBT mit einer Reversdiode), einer Eingangsgleichstromdrossel (Drosselihduktivität) und eines elektromechanischen Energiewandlers (piezoelektrischer Transformator) anfällt. Dabei ist eine gleichgerichtete Netzspannung mit gewissen Schwankungen der Eingangsspannung ebenso verwendbar wie eine konstante Eingangsgleichspannung. Der Konverter (Resonanzkonverter) erzeugt wegen einer hohen Güte des elektromechanischen Transformators eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung, wodurch der Crestfaktor bei nachgeschalteten ohmschen Lasten, wie beispielsweise Gasentladungslampen, ausreichend klein gehalten werden kann. Dieses ist bei einer konventionellen Schaltung, wie sie beispielsweise in der Schrift (2) offenbart ist, nur bei einer großen Lastkreisgüte möglich, welche wiederum eine erhöhte Stromdichtebelastung einer entkoppelnden Kapazität, ebenso wie einer Schalterparallelkapazität zur Folge hätte. Die so verwendete Schaltung arbeitet insgesamt verlustarm und die maximal verwendbare Frequenz wird im wesentlichen nur durch die dynamischen Verluste des Schalters begrenzt. Ein Fieldstop-IGBT ist durch seine kurze Tailzeit und ein entlastetes Ausschalten für diese Anwendung sehr gut geeignet.The present invention makes it possible, within certain limits, to drive variable loads with low loss and with a simple driving effort at high frequencies, with only a minimal amount of circuitry including, for example, a switch (MOSFET or IGBT with a reverse diode), an input direct current choke (Drosselihduktivität) and an electromechanical Energy converter (piezoelectric transformer) is obtained. In this case, a rectified mains voltage with certain fluctuations in the input voltage is just as useful as a constant input DC voltage. The converter (resonant converter) generates a nearly sinusoidal output voltage due to a high quality of the electromechanical transformer, whereby the crest factor at downstream ohmic loads, such as gas discharge lamps, can be kept sufficiently small. This is possible in a conventional circuit, as disclosed for example in document (2), only with a large load circuit quality, which in turn would result in an increased current density load of a decoupling capacity, as well as a switch-parallel capacity. The circuit used in this way works in total with low losses and the maximum usable frequency is essentially limited only by the dynamic losses of the switch. A fieldstop IGBT is through its short tail time and a relieved switch off are very well suited for this application.
Somit werden in der Erfindung wenige kostengünstige Bauelemente so kombiniert, daß die technischen Erfordernisse der Abtransformation aus gleichgerichteter Netzspannung für typische Brennspannungen für Niederdruckgasentladungslampen erfüllt werden. Gleichzeitig erfüllt der elektromechanische Wandler (piezoelektrischer Transformator) die Forderung der Auftransformation in einem unbelasteten Zustand, so daß eine Niederdruckgasentladungslampe problemlos gezündet werden kann. Vor dem Zünden stellt eine solche Lampe einen sehr großen Widerstand dar, welcher in einem gezündeten Zustand (Brennbetrieb) in eine definierte Last mit einem negativen differentiellen Widerstand übergeht, und näherungsweise mit einem ohmschen Widerstand in einem Betriebspunkt angenähert werden kann. Die durch weitere Bauelemente in einem konventionellen Vorschaltgerät realisierte Zündschaltung kann in einem Vorschaltgerät mit einem piezoelektrischen Transformator ausschließlich durch diesen Transformator realisiert werden, wodurch eine weitere Kostenreduktion herbeigeführt wird.Thus, in the invention, a few low-cost components are combined to meet the technical requirements of off-line rectification offsetting for typical burn voltages for low pressure gas discharge lamps. At the same time, the electromechanical transducer (piezoelectric transformer) satisfies the requirement of up-transformation in an unloaded state, so that a low-pressure gas discharge lamp can be easily ignited. Prior to ignition, such a lamp represents a very large resistance, which in an ignited state (combustion mode) changes into a defined load with a negative differential resistance, and can be approximately approximated with an ohmic resistance at an operating point. The ignition circuit realized by further components in a conventional ballast can be realized in a ballast with a piezoelectric transformer exclusively by this transformer, whereby a further cost reduction is brought about.
Weiterhin wird durch eine Ausnutzung einer lastabhängigen Phasenverschiebung zwischen einem Laststrom und einem Schalterstrom ein solcher Nennlastpunkt eingestellt, daß dieser über einen Phasenregelkreis (PLL; PLL = Phase Lock Loop) geregelt werden kann. Dabei kann bei einer ausreichenden Bandbreite eines piezoelektrischen Transformators eine einfache integrierte Ansteuerschaltung verwendet werden. Eine Erfassung einer Eingangs- oder einer Lampenspannung ist dabei zu einer Einstellung eines Arbeitspunktes nicht erforderlich, da eine Parameterabhängigkeit einer Phasenverschiebung klein genug ist, um allein über einen Sollwertabgleich der Phasenverschiebung die Lampenleistung zu justieren. Ebenfalls muß die Amplitude des Ausgangsstromes zum Zwecke einer ungefähren Leistungseinstellung nicht abgetastet werden, da sich aufgrund der Änderung des Transformationsverhältnisses bei Laständerung die Nennleistung genau genug auf die Phasenverschiebung der Stromnulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abbilden läßt.Furthermore, by utilizing a load-dependent phase shift between a load current and a switch current, such a rated load point is set that it can be regulated via a phase locked loop (PLL). In this case, with a sufficient bandwidth of a piezoelectric transformer, a simple integrated drive circuit can be used. A detection of an input or a lamp voltage is not required for an adjustment of an operating point, since a parameter dependence of a phase shift is small enough to adjust the lamp power alone via a setpoint adjustment of the phase shift. Also, the amplitude of the output current need not be sampled for approximate power adjustment because of the change in the transformation ratio If the load changes, the nominal power can be reproduced exactly enough on the phase shift of the current zero crossings of the switch and load current.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein grobes Blockschaltbild, das einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters zeigt;
- Fig. 2
- ein Schaltungsdiagramm eines Resonanzkonverters, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters nicht dargestellt ist;
- Fig. 3
- ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Resonanzkonverters aus Fig. 2;
- Fig. 3a
- eine frequenzabhängige Spannungsübertragungsfunktion eines piezoelektrischen Transformators im lastfreien Zündbetrieb und im Lastbetrieb.
- Fig. 4
- qualitative Kurvenverläufe von einem Schalterstrom IS und einem Laststrom IL;
- Fig. 5
- und 5a Verläufe eines Phasenwinkels ΦLT in Abhängigkeit von der Frequenz, sowie frequenzabhängige Spannungsübertragungsfunktionen in Abhängigkeit von der Ausgangslast und der Eingangsspannung;
- Fig. 6
- den Phasenwinkel ΦLT bei einer konstanten Frequenz in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung Uin;
- Fig. 7
- eine Schaltung zum Treiben einer veränderlichen Last gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 8
- eine Ansteuerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 1
- a rough block diagram showing a basic structure of a resonance converter according to the invention;
- Fig. 2
- a circuit diagram of a resonant converter, wherein a control device for controlling the switching frequency of the switch is not shown;
- Fig. 3
- a detailed circuit diagram of the resonant converter of Fig. 2;
- Fig. 3a
- a frequency-dependent voltage transfer function of a piezoelectric transformer in no-load ignition and load operation.
- Fig. 4
- qualitative curves of a switch current I S and a load current I L ;
- Fig. 5
- and FIG. 5a shows characteristics of a phase angle Φ LT as a function of the frequency, as well as frequency-dependent voltage transfer functions as a function of the output load and the input voltage;
- Fig. 6
- the phase angle Φ LT at a constant frequency as a function of an input voltage U in ;
- Fig. 7
- a variable load driving circuit according to another embodiment of the present invention; and
- Fig. 8
- a drive circuit according to another embodiment of the present invention;
In Fig. 1 ist eine grobe Darstellung eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters gezeigt, der eine Quelle 101, einen Schalter 103, einen Piezotransformator 105, eine veränderliche Last 107 sowie eine Steuereinrichtung 109 umfaßt. Eine von der Quelle 101 gelieferte Spannung oder ein durch diese gelieferter Strom wird mittels des Schalters 103 mit einer Schaltfrequenz geschaltet, wodurch an dem Piezotransformator 105 ein Eingangssignal anliegt, das in ein Ausgangssignal umgesetzt wird, das eine Frequenz aufweist, die von der Schaltfrequenz des Schalters 103 abhängt. Dieses Ausgangssignal dient zum Treiben einer Last 107, beispielsweise einer Niederdruckgasentladungslampe, deren Lastcharakteristik veränderlich ist. Die Schaltfrequenz, mit der der Schalter 103 geschaltet wird, wird von der Steuereinrichtung 109 auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen dem Strom durch den Schalter 103 und dem Laststrom durch die Last 107 gesteuert. Diese Phasenverschiebung kann aus mehreren Signalen, die beispielsweise vor und nach dem Piezotransformator 105 sowie vor oder nach dem Schalter 103 abgegriffen werden können, ermittelt werden.In Fig. 1 is a rough representation of a resonance converter according to the invention is shown, which comprises a
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Resonanzkonverters, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz nicht dargestellt ist. Dabei ist die Quelle 101 mit einem ersten Anschluß 2011 einer Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Ein zweiter Anschluß 2013 der Eingangsdrossel 201 ist mit einem ersten Eingang 1031 des Schalters 103 gekoppelt. Der erste Eingang 1031 des Schalters 103 ist mit einem ersten Anschluß 1051 eines Eingangstors 1052 des Piezotransformators gekoppelt. Die Quelle 101 ist ferner mit einem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt, der ferner mit einem zweiten Anschluß 1053 des Eingangstors 1052 des Piezotransformators 105 gekoppelt ist. Die veränderliche Last 107 ist zwischen einen ersten Anschluß 1055 eines Ausgangstors 1056 des Piezotransformators und einen zweiten Anschluß 1057 des Ausgangstors 1056 geschaltet. Der Schalter 103 weist ferner einen Steuereingang 1035 auf, an den ein Steuersignal anlegbar ist, der die Schaltfrequenz des Schalters 103 steuert. Im folgenden wird die Funktionsweise des in Fig. 2 gezeigten Resonanzkonverters näher beschrieben.Fig. 2 shows an embodiment of a resonance converter, wherein a control device for controlling the switching frequency is not shown. In this case, the
Von der Quelle 101, die eine Gleichspannungsquelle sein kann, wird ein etwa konstanter oder auch sägezahnförmiger Gleichstrom über die Eingangsdrossel 201 eingespeist. Der Schalter 103 wird dabei mit einer relativen Einschaltzeit D und einer Betriebsfrequenz f betrieben, so daß eine Resonanz des Wandlers 105 erreicht wird, und ein Ausgangssignal, beispielsweise eine Spannung, die veränderliche Last 107, beispielsweise eine Gasentladungslampe oder eine andere ohmisch-kapazitive Last, treibt.From the
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Schaltungsdiagramm eines Resonanzkonverters, der einen Verstärker der Klasse E umfaßt. Die Quelle 101 ist zunächst mit dem ersten Anschluß 2011 der Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Der zweite Anschluß der Drosselinduktivität ist mit dem ersten Eingang 1031 des Schalters 103 gekoppelt, wobei der erste Eingang 1031 ferner mit dem ersten Anschluß 1051 des Wandlers 105 gekoppelt ist. Die Quelle 101 ist darüber hinaus mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt, wobei der zweite Eingang 1033 ferner mit dem zweiten Anschluß 1053 des Wandlers 105 gekoppelt ist. Zwischen dem ersten Anschluß 1055 und dem zweiten Anschluß 1057 des Ausgangstors des Wandlers 105 ist die Last 107 angeordnet. Der Schalter 103 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel einen spannungsgesteuerten Leistungsschalter 1037, dessen Source oder Emitter mit dem ersten Eingang 1031 des Schalters und dessen Drain oder Kollektor mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt sind. Der Steuereingang 1035 des Schalters 103 ist in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als ein Gate des spannungsgesteuerten Leistungsschalters 1037 ausgeführt. Zwischen dem zweiten Eingang 1033 und dem ersten Eingang 1031 ist in Flußrichtung eine Diode 1039 geschaltet.Fig. 3 is a detailed circuit diagram of a resonant converter including a class E amplifier. The
Weiterhin ist in Fig. 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Piezotransformators 105 gezeigt. Das Ersatzschaltbild umfaßt eine Eingangskapazität 10501, die zwischen den ersten Anschluß 1051 und den zweiten Anschluß 1053 des Eingangstors des Piezotransformators 105 geschaltet ist und somit parallel zum Schalter 103 angeordnet ist. Ferner umfaßt das Ersatzschaltbild des Wandlers 105 einen Resonanzkreis, der aus einer seriellen Schaltung aus einer Kapazität 10502, einer Induktivität 10503 sowie einem Widerstand 10504 besteht. Darüber hinaus umfaßt das Ersatzschaltbild des Wandlers 105 eine Übertrageranordnung 10505, deren inverses Übertragungsverhältnis 1/ü (1/ü = effektive Eingangsspannung zu effektive Ausgangsspannung) frequenzabhängig ist und erfindungsgemäß bei einem Nennlastbetrieb, bei dem der Blindleistungsanteil kleiner als der Wirkleistungsanteil ist, zwischen 1,5:1 und 5:1 beträgt. Der Resonanzkreis, der sich ferner durch eine hohe Güte auszeichnet, besteht aus der Kapazität 10502, der Induktivität 10503 sowie dem Widerstand 10504, ist zwischen dem ersten Anschluß 1051 des Wandlers 105 und einem weiteren Anschluß 10506 einer Primärseite der Übertrageranordnung 10505 geschaltet. Parallel zu einer Sekundärseite der Übertragungsanordnung 10505 ist eine Ausgangskapazität 10508 angeordnet.Furthermore, a simplified equivalent circuit diagram of a
Der Piezotransformator 105 zeichnet sich dadurch aus, daß das Übertragungsverhältnis ü in Abhängigkeit von der Last 107 einer Änderung unterworfen ist. Die zwischen den Anschlüssen 1055 und 1057 geschaltete Gasentladungslampe 301, die durch den Lastwiderstand 107 verkörpert ist, ist an den Wandler als Last angeschlossen. Der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1037 kann beispielsweise ein schneller IGBT (z. B. ein Fieldstop-IGBT) oder ein MOS-Transistor (z.B. ein Cool-MOS-Transistor) sein, der zusammen mit einer antiparallelen Reversdiode verwendet wird. Im folgenden wird die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung erläutert.The
Wird der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1037 durch ein Anlegen eines Steuersignals an den Steuereingang 1035 leitend gemacht, so kann ein Strom, der durch den spannungsgesteuerten Leistungsschalter fließt, aufgrund der Eingangsdrossel 201 nicht sprunghaft ansteigen. Darüber hinaus wird die Eingangskapazität 10501 des Wandlers 105 entladen. Wird der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1035 durch ein Anlegen eines entsprechenden Steuersignals wieder abgeschaltet, d. h. in einen Sperrzustand überführt, so wächst eine Spannung über dem spannungsgesteuerten Leistungsschalter nur langsam an, da sich die Eingangskapazität 10501 auflädt. Durch die Wirkung des Resonanzkreises des Wandlers 105 im eingeschwungenen Zustand wird trotz positiv weiterfließendem Eingangsstrom durch die Drossel 201 eine Stromumkehr im Schalter erreicht, wodurch auch die Kapazität 10501 wieder entladen wird. Die Spannung über dem Schalter 103 wird somit wieder zu null, und es beginnt ein negativer Strom durch den Schalter zu fließen. Die Freilaufdiode 1039 hat die Aufgabe, schon vor einem Einschalten des spannungsgesteuerten Leistungsschalters 1037 einen Reversstrom zu führen. Dabei kann eine relative bzw. eine absolute Einschaltzeit des Schalters nahe zu konstant bleiben, da die Diode nicht geschaltet werden muß, sondern einer stromgeführten Betriebsweise unterliegt. Solange die Diode den Reversstrom führt, kann der spannungsgesteuerte Leistungsschalter am Gate 1035 daher bezüglich Kollektor/Emitter oder Drain/Source spannungslos geschaltet werden, so daß keine Einschaltverluste anfallen. Eine solche stromgesteuerte antiparallele Diode ist nicht notwendigerweise als eine schnelle Diode auszuführen, so daß hierbei auch eine kostengünstige langsame Diode eingesetzt werden kann.When the voltage-controlled
Wird nun der Schalter 103 mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben, so wird der Resonanzkreis, bestehend aus der Kapazität 10502, der Induktivität 10503 und dem Widerstand 10504, angeregt. Wird dabei eine Resonanzfrequenz des Resonanzkreises erreicht, so erreicht der Wandler 105 ein maximales Spannungsübertragungsverhältnis ü. Bei einer Verwendung eines piezoelektrischen Transformators läßt sich beispielsweise eine Spannungsübertragungsfunktion (bei einer definierten Eingangsspannung 101 und einer definierten Last 107) bezüglich der Frequenz etwa durch eine Gauß'sche Funktion (Glockenkurve) beschreiben, wie es beispielsweise in Fig. 3a veranschaulicht ist. Bei einer Resonanzfrequenz fR erreicht die Spannungsübertragungsfunktion im Lastzustand einen Maximalwert. Wird die Resonanzfrequenz fR überschritten, was einem überresonanten Fall entspricht, so sinkt die Spannungsübertragungsfunktion derart, daß sie einem Verlauf der Gauß'schen Kurve folgt. Beispielweise bei einer Frequenz f1 oberhalb der Resonanzfrequenz hat die Spannungsübertragungsfunktion einen Wert angenommen, der deutlich geringer ist als der Wert der Spannungsübertragungsfunktion in dem resonanten Fall. Wird bei dem überresonanten Betrieb die Frequenz wieder geringer, so steigt das Spannungsübertragungsverhältnis ü wieder an.If the
Dieses frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis eines piezoelektrischen Transformators, das in Fig. 3a dargestellt ist, wird nun gemäß der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um veränderliche Lasten zu treiben. Die an der Sekundärseite der Transformationsanordnung 10505 beispielhaft angeschlossene Gasentladungslampe zeichnet sich durch eine veränderliche Lastcharakteristik aus. Um eine Gasentladungslampe zu zünden, ist es notwendig, daß an dem Ausgangstor des Wandlers 105 eine hohe Spannung anliegt, die das Zünden der Gasentladungslampe 301 ermöglicht. Wird die Gasentladungslampe 301 im lastfreien Zustand gezündet, so sinkt die an der Gasentladungslampe 301 anliegende Spannung, während der durch die Gasentladungslampe fließende Laststrom wächst. Wird ein Nennlastbetrieb (Lastzustand) erreicht, d. h. wird die Gasentladungslampe in einen Brennbetrieb überführt, so kann ihr Lastverhalten, wie bereits ausgeführt, durch einen veränderlichen ohmschen Widerstand in jedem Betriebspunkt angenähert werden, wobei eine negative differentielle Kennlinie des ohmschen Widerstands auftritt.This frequency dependent voltage transfer ratio of a piezoelectric transformer shown in Fig. 3a is now exploited according to the present invention to drive variable loads. The gas discharge lamp exemplarily connected to the secondary side of the
Wird nun die Spannungsübertragungsfunktion durch eine geeignete Auslegung des elektromechanischen Wandlers 105 so breit gewählt, daß bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz eine geeignete Verkleinerung des Spannungsübertragungsverhältnisses auftritt, so kann einem Ansteigen einer Spannung an der Gasentladungslampe im Lastbetrieb entgegengewirkt werden. Steigt die Ausgangsspannung zwischen dem ersten Anschluß 1055 und dem zweiten Anschluß 1057 des Wandlers 105 an, so wirkt der piezoelektrische Transformator wegen seines kapazitiven Ausgangs aufgrund der Kapazität 10508 wie ein Klasse-E-Konverter mit einer vorwiegend kapazitiven Ausgangslast. Dadurch sinkt die übertragene Gesamtleistung nicht in einem solchen Maße ab, als wenn ein konstanter ohmscher Widerstand bei einer gleichen Frequenzänderung als Last betrieben würde. Die übertragene Gesamtleistung teilt sich in die über die Kapazität 10508 geführte Blindleistung und die über die Last 107 geführte Wirkleistung auf. Durch ein Absinken des Laststroms, aber einem gleichzeitigen Ansteigen der Lastspannung (Brennspannung) kann die übertragene Gesamtleistung bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz weniger stark absinken als bei einer konstanten ohmschen Last mit dem gleichen Wandler, da eine aufgrund größerer Ausgangsspannung größere kapazitive Blindleistung über die Kapazität 10508 geführt wird.Now, if the voltage transfer function chosen by a suitable design of the electro-
Ferner wird der Piezotransformator 105 so ausgelegt, daß er bei etwa einer gleichen oder nur einer geringfügig abweichenden Resonanzfrequenz gegenüber dem Lastfall (d. h. Brennbetrieb der Gasentladungslampe) eine belastungslose Hochtransformation der Ausgangsspannung erzeugt, so daß ein Zünden der Gasentladungslampe ermöglicht wird. Diese Eigenschaft ist bei piezoelektrischen Transformatoren aufgrund einer ungedämpften mechanischen Schwingung in einem belastungslosen Zustand auf eine einfache und kostengünstige Weise erreichbar, indem die in Fig. 3a gezeigte Resonanzkurve im belastungslosen Zustand schmalbandiger wird, und die breitbandige Resonanzkurve im Lastzustand die schmalbandige lastfreie Kurve umschließt.Further, the
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der qualitativen Kurvenverläufe des Schalterstroms IS, Laststroms IL und dem zu detektierenden Phasenwinkel ΦLT. Außerdem sind eine Periodendauer T, eine Ausschaltzeit toff, eine Reverszeit trev und die Einschaltzeit ton dargestellt. Der Phasenwinkel ΦLT, der durch die Nulldurchgänge des Schalterstroms IS und des Laststroms IL bestimmt wird, ist in diesem beispielhaften Diagramm ungleich Null und relativ groß, da der Laststrom IL einen größeren kapazitiven Anteil aufweist, was gleichbedeutend damit ist, daß die Gasentladungslampe noch nicht in ihren Nennbetrieb (näherungsweise ohmscher Wiederstand) überführt worden ist, wo der Phasenwinkel ΦLT kleiner wird und sogar fast zu null werden kann. Gleichzeitig wird dann auch die Reverszeit trev immer kleiner und kann nahezu null werden, so daß der negativ fließende Reversstrom durch die Diode 1039 verschwindet.4 shows a diagram of the qualitative curves of the switch current I S , load current I L and the phase angle Φ LT to be detected. In addition, a period T, a switch-off time t off , a reverse time t rev and the turn-on time t on are shown. The phase angle Φ LT , which is determined by the zero crossings of the switch current I S and the load current I L is not zero and relatively large in this exemplary diagram, since the load current I L has a larger capacitive component, which is equivalent to the fact that Gas discharge lamp has not yet been converted to its nominal operation (approximately ohmic resistance), where the phase angle Φ LT is smaller and may even become almost zero. At the same time, the reverse time t rev becomes ever smaller and can become almost zero, so that the negatively flowing reverse current through the
Das frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis eines piezoelektrischen Transformators wird in dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß ausgenutzt, um eine frequenzabhängige Leistungsübertragung in Abhängigkeit von einer veränderlichen Last zu realisieren, wie es bereits anhand von Fig. 3a erläutert worden ist. Dies wird im folgenden anhand des in Fig. 5 dargestellten Spannungsübertragungsverhältnisses eines piezoelektrischen Transformators 105 in Abhängigkeit von einer Lastcharakteristik einer Gasentladungslampe 301 detailliert erklärt.The frequency-dependent voltage transmission ratio of a piezoelectric transformer is used in the embodiment shown in FIG. 3 according to the invention to realize a frequency-dependent power transmission in response to a variable load, as has already been explained with reference to FIG. 3a. This will be explained in detail below with reference to the voltage transfer ratio of a
Bei den meisten Piezotransformatoren ist die Resonanzfrequenz in einem unbelasteten Betrieb höher als die optimale Frequenz unter Last (beispielsweise für eine maximale Leistung oder auch für einen maximalen Wirkungsgrad). Um diese Eigenschaft für eine Steuerung an einer Gasentladungslampe zu nutzen, wird die Resonanzfrequenz des elektromechanischen Wandlers ohne Last nur wenig oberhalb der Resonanzfrequenz unter Last realisiert, was technisch problemlos durch eine geeignete Auslegung eines piezoelektrischen Transformators möglich ist. Die Nennfrequenz für den Nennlastbrennbetrieb soll dabei etwa mit der Resonanzfrequenz in einem lastfreien Zustand übereinstimmen. Zum Einschalten der Gasentladungslampe wird zunächst ausgehend von der Resonanzfrequenz der Konverter mit einer um den lastlosen Resonanzpunkt herum vorzugsweise veränderlichen Frequenz angesteuert, welche periodisch langsam ansteigt und/oder langsam wieder abgesenkt wird, und einem Verlauf einer in Fig. 5 dargestellten Kurve 501 des Spannungsübertragungsverhältnisses folgt.In most piezotransformers, the resonant frequency in an unloaded operation is higher than the optimum one Frequency under load (for example, for maximum power or for maximum efficiency). To use this property for a control on a gas discharge lamp, the resonant frequency of the electromechanical transducer is realized without load only slightly above the resonant frequency under load, which is technically easily possible by a suitable design of a piezoelectric transformer. The rated frequency for the nominal load combustion mode is intended to coincide approximately with the resonant frequency in a no-load condition. To switch on the gas discharge lamp, the converter is initially driven starting from the resonant frequency with a frequency which is preferably variable around the no-load resonance point, which increases slowly and / or slowly decreases again, and follows a curve of a voltage
Nach einer Detektion eines kleiner werdenden Reversstroms, der durch den Schalter 103 fließt, und eines ausreichend großen Gasentladungslampenstroms kann eine Zündung der Gasentladungslampe festgestellt werden, wie es in Fig. 5 für den überresonanten Fall dargestellt ist. Direkt nach der Zündung der Gasentladungslampe sinkt die an ihr anliegende Spannung, wobei der Laststrom anwächst, was zur Folge hat, daß das Spannungsübertragungsverhältnis geringer wird, wie es durch die Kurve 503 dargestellt ist (kapazitive Last). Der Verlauf des Spannungsübertragungsverhältnisses bei einem Brennbetrieb der Gasentladungslampe ist durch die Kurve 505 beschrieben. Ausgehend von den in Fig. 5 dargestellten Verläufen der verschiedenen Spannungsübertragungsverhältnisse in Abhängigkeit von dem Lastverhalten der Gasentladungslampe sowie der Frequenz wird nun deutlich, daß das frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis zu einer effizienten Steuerung einer an die Gasentladungslampe abgegebenen Leistung herangezogen werden kann, indem der Piezotransformator 105 bei verschiedenen nahe beieinander liegenden Frequenzen angeregt wird, was sich beispielsweise durch eine geeignete Schaltfrequenz des Schalters 103 realisieren läßt.After a detection of a decreasing reverse current flowing through the
Erfindungsgemäß wird zu einer Steuerung und einer Regelung des so aufgebauten Konverters ein Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Laststrom und dem Schalterstrom ausgewertet, um beispielsweise eine überresonante Regelung zu realisieren.According to the invention, a phase angle φ LT between the load current and the switch current is evaluated for controlling and regulating the converter constructed in this way in order, for example, to realize a superresonant control.
In Fig. 5 ist ferner ein beispielhafter Verlauf des Phasenwinkels ΦLT zum Beispiel bei Nennlast in Abhängigkeit von der Frequenz (Kurve 507) zusammen mit den Spannungsübertragungsfunktionen in einem lastlosen Zustand (Zünden) und in einem Lastzustand (Nennlast) veranschaulicht. Es ist zu erkennen, daß sich der Phasenwinkel ΦLT bis zu einem Erreichen einer maximalen Leistungsübertragung stetig verkleinert, während er in Richtung eines lastfreien Betriebs ansteigt. Dabei verändert sich die Last so, daß unterhalb von fOPT die Nennlast oder eine noch größere Last (kleines Spannungsübertragungsverhältnis ü) auftritt, und oberhalb von fOPT eine kleinere Last (größeres Spannungsübertragungsverhältnis ü) bis hin zur lastlosen Zündcharakteristik in Zuordnung zur Funktion des Phasenwinkels ΦLT 507 auftritt.Also illustrated in FIG. 5 is an example waveform of the phase angle φ LT at rated load versus frequency (curve 507) together with the voltage transfer functions in a no-load condition (ignition) and a load condition (rated load). It can be seen that the phase angle Φ LT steadily decreases until a maximum power transmission is reached, while it increases in the direction of load-free operation. In this case, the load changes so that below f OPT the rated load or an even larger load (small voltage transfer ratio ü) occurs, and above f OPT a smaller load (greater voltage transfer ratio ü) up to the no-load ignition characteristic in association with the function of the
Zu einer Steuerung oder einer Regelung der Gasentladungslampenleistung kann daher beispielsweise der überresonante Bereich oberhalb von einer Frequenz fopt verwendet werden. Hiernach ist es daher nicht notwendig, einen Maximalwert des Gasentladungslampenstroms zu erfassen, um die Steuerung bzw. um die Regelung des Konverters vorzunehmen. Es ist ausreichend, den Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Schalter- und dem Laststrom abzutasten und auf einen Nominalwert einzustellen. Wird die Frequenz kleiner, so steigt die Wirkleistungsübertragung bei einem überresonanten Betrieb bis zu ihrem Maximum bei der Resonanzfrequenz an.For example, the supersorant range above a frequency f opt can be used for controlling or regulating the gas discharge lamp power. Accordingly, it is therefore not necessary to detect a maximum value of the gas discharge lamp current to perform the control or the regulation of the converter. It is sufficient to sample the phase angle Φ LT between the switch and the load current and set it to a nominal value. If the frequency becomes smaller, the active power transfer increases in an over-resonant operation up to its maximum at the resonance frequency.
Dies hat zur Folge, daß ein kapazitiver Anteil des Laststroms abnimmt und der Gasentladungslampenstrom, welcher bei der gezündeten Gasentladungslampe (Brennbetrieb) näherungsweise in Phase mit der Lampenspannung fließt, näher an die Phase des Schalterstroms herankommt. Der Schalterstrom verkörpert während des Einschaltens etwa den Eingangsstrom des Piezotransformators 105, welcher sich über das Transformationsverhältnis auf die Last (Gasentladungslampe) und auf die Ausgangskapazität 10508 des Wandlers 105 verteilt.This has the consequence that a capacitive portion of the load current decreases and the gas discharge lamp current, which in the ignited gas discharge lamp (combustion operation) approximately in phase with the lamp voltage flows closer to the phase of the switch current approaches. During switching on, the switch current embodies approximately the input current of the
Weiterhin ist in Fig. 5a eine Abhängigkeit der Ausgangsleistungsübertragung von der Eingangsspannung bei einer konstanten Ausgangsimpedanz gezeigt. Die Leistung kann unter Nennlast durch Ansteigen der Eingangsspannung von einer minimalen Nenneingangsspannung 505' über eine höhere Eingangsspannung 503' bis zu einer Maximallastkennlinie 501' gesteigert werden. Darüber hinaus kann die Ausgangsleistung nicht mehr wesentlich erhöht werden, wobei dieses vom verwendeten Volumen des Piezotransformators abhängig ist. Ein kleineres Volumen erlaubt nur eine kleinere Maximallast. Es ist deshalb darauf zu achten, daß der Piezotransformator mindestens für eine um etwas größere Last als die Nennlast ausgelegt wird, damit die Regelschaltung nach Fig. 8 über die Nennlast hinaus funktionstüchtig bleibt.Furthermore, FIG. 5a shows a dependence of the output power transmission on the input voltage at a constant output impedance. The power can be increased under rated load by increasing the input voltage from a minimum rated input voltage 505 'to a higher input voltage 503' to a maximum load characteristic 501 '. In addition, the output power can not be increased significantly, this being dependent on the volume of the piezoelectric transformer used. A smaller volume allows only a smaller maximum load. It is therefore important to ensure that the piezotransformer is designed at least for a load slightly greater than the rated load, so that the control circuit of FIG. 8 remains functional beyond the rated load.
Der Verlauf des Phasenwinkels ΦLT bei einer konstanten Frequenz ist noch einmal in Fig. 6 in Abhängigkeit von einer an der Gasentladungslampe anliegenden Eingangsspannung Uin gezeigt. Bei einer steigenden Spannung Uin sinkt der Phasenwinkel ΦLT, da in diesem Fall mehr Wirkleistung an die Gasentladungslampe übertragen wird, siehe z.B. Fig. 5a, überresonanter Betrieb. Dies hat zur Folge, daß der Wirkanteil des Lampenstroms zunimmt. Anhand dieses Beispiels wird deutlich, daß Schwankungen der Eingangsspannung Uin sich auch in der Größe des Phasenwinkels ΦLT wiederspiegeln. Darüber hinaus können solche Schwankungen der Spannung Uin ausgeglichen werden, indem bei einer sinkenden Eingangsspannung Uin bei der überresonanten Betriebsweise mehr Leistung an die Gasentladungslampe durch Frequenzabsenkung weitergegeben wird. Bei einer steigenden Eingangsspannung kann weniger Leistung an die Gasentladungslampe übertragen werden, indem die Frequenz erhöht wird. Wird der Phasenwinkel dabei etwa konstant gehalten, so bleibt auch die übertragene Wirkleistung an der Last etwa konstant. Indem die Gasentladungslampe aufgrund ihres schwach negativen differentiellen ohmschen Widerstands die Ausgangsspannung nahezu konstant hält, ist durch die Einstellung eines in Abhängigkeit von der Eingangsspannung unterschiedlichen Übertragungsverhältnisses ü durch Frequenzänderung ein etwa konstanter Phasenwinkel ΦLT einstellbar. Dieser Phasenwinkel ist bei konstanter Ausgangsspannung aufgrund der Parallelschaltung der etwa konstanten Kapazität 10508 und der Last 107 im Lastbetrieb ein Maß für die Größe des Laststroms, und somit für die Ausgangsleistung.The course of the phase angle Φ LT at a constant frequency is shown once again in FIG. 6 as a function of an input voltage U in applied to the gas discharge lamp. At a rising voltage U in the phase angle Φ LT decreases, since in this case more active power is transmitted to the gas discharge lamp, see, for example, Fig. 5a, überresonanter operation. This has the consequence that the active component of the lamp current increases. From this example it is clear that variations in the input voltage U in reflected also in the size of the phase angle Φ LT. In addition, such fluctuations of the voltage U in can be compensated by more power is passed to the gas discharge lamp by lowering the frequency at a falling input voltage U in in the over-resonant mode of operation. With increasing input voltage, less power can be transmitted to the gas discharge lamp be increased by increasing the frequency. If the phase angle is kept approximately constant, the transmitted active power at the load also remains approximately constant. Since the gas discharge lamp keeps the output voltage almost constant due to its weakly negative differential ohmic resistance, an approximately constant phase angle φ LT can be set by setting a different transmission ratio u as a function of the input voltage. This phase angle is at constant output voltage due to the parallel circuit of the approximately
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters für Niederdruckgasentladungslampen inklusive Schaltfrequenzsteuerung gezeigt. Da dieses Ausführungsbeispiel auf dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel basiert, werden im folgenden die Funktionalitäten mit gleichen Bezugszeichen nicht noch einmal beschrieben.FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a resonance converter according to the invention for low-pressure gas discharge lamps, including switching frequency control. Since this embodiment is based on the embodiment shown in Fig. 3, the functionalities will not be described again with the same reference numerals in the following.
Zusätzlich zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zunächst einen Eingangsgleichrichter 701 mit einem ersten Netzanschluß 70101 und einen zweiten Netzanschluß 70103. Zwischen einem Ausgang 7015 und einem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 ist eine Kapazität 703, die beispielsweise ein Ladekondensator sein kann, gekoppelt. Parallel zu der Kapazität 703 ist ferner ein Ansteuerteil 705 zusammen mit einem Widerstand 70501 gekoppelt. Der Ausgang 7015 des Eingangsgleichrichters 701 ist ferner mit dem ersten Anschluß 2011 der Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen Steuerausgang 7051 auf, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Steuereingang 1035 des Schalters 103, der in diesem Ausführungsbeispiel den stromgesteuerten Leistungsschalter 1037 umfaßt, gekoppelt ist. Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen ersten Eingang 7053 sowie einen zweiten Eingang 7055 auf. Der erste Eingang 7053 ist mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters gekoppelt. Zwischen dem ersten Eingang 7053 des Ansteuerteils 705 und dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 ist ferner ein Sense-Widerstand 707 angeordnet. Zwischen der Last 107 und dem zweiten Anschluß 1057 des Wandlers 105 ist ein zweiter Sense-Widerstand 709 angeordnet. Der zweite Eingang 7055 des Ansteuerteils 705 ist zwischen die Last 107 und dem zweiten Sense-Widerstand 709 gekoppelt.In addition to the embodiment shown in FIG. 3, the embodiment shown in FIG. 7 initially comprises an
Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen Stromversorgungseingang 7057 auf, der mit dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 über eine Kapazität 70111, die beispielsweise als ein Blockkondensator ausgeführt sein kann, gekoppelt ist. Zwischen dem zweiten Anschluß 1053 des Wandlers 105 und dem Stromversorgungseingang 1057 des Ansteuerteils 705 ist eine erste Diode 70131 in Flußrichtung gekoppelt. Zwischen dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 und dem ersten Anschluß 1051 des Eingangstors des Wandlers 105 ist ferner eine Parallelschaltung, bestehend aus einer externen Kapazität 70151 sowie einer Diode 70171, die in Flußrichtung betrieben wird, gekoppelt. Im folgenden wird die Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Resonanzkonverters erklärt. Dabei wird jedoch nicht noch einmal auf der Funktionalitäten eingegangen, die anhand des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels bereits diskutiert worden sind.The
Die Aufgabe des Ansteuerteils 705 besteht darin, den in Fig. 7 mit einem Pfeil gekennzeichneten Schalterstrom IS sowie dem Laststrom IL geeignet zu erfassen, um eine Phasendifferenz zwischen den beiden Strömen zu bestimmen, und so an dem Steuerausgang 7051 ein Steuersignal zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters 103 auszugeben. Dazu wird zunächst eine von dem Schalterstrom IS abhängige Größe erzeugt, die an dem ersten Eingang 7053 des Ansteuerteils 705 anlegbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Schalterstrom IS an dem ersten Sense-Widerstand 707 in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 7053 anliegt. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß die von dem Schalterstrom abhängige Größe mit Hilfe einer beliebigen Funktionalität generiert werden kann, beispielsweise durch einen Stromspiegel oder durch eine stromgesteuerte Spannungsquelle.The task of the
Ausgangsseitig treibt der Piezotransformator 105 mit einem Spannungsübertragungsverhältnis ü eine Gasentladungslampe mit dem Lastwiderstand 107, durch den der Laststrom IL fließt. Zum Erfassen einer von dem Laststrom IL abhängigen Größe wird in dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweiter Sense-Widerstand 709 verwendet, so daß der Laststrom IL über dem Widerstand 709 eine Spannung erzeugt, die an dem zweiten Eingang 7055 des Ansteuerteils 705 anliegt. Auf der Basis dieser beiden Spannungen wird in dem Ansteuerteil 705 zunächst die Phasendifferenz zwischen dem Schalterstrom IS und dem Laststrom IL bestimmt, und es wird, wie es bereits oben beschrieben worden ist, ein Steuersignal ausgegeben, das die Schaltfrequenz des Schalters 103 steuert.On the output side, the
Der Widerstand 70501 liefert eine Startversorgung des Ansteuerteils 705. Die Stromversorgung des Ansteuerteils 701 wird über einen primärseitigen Anschluß des piezoelektrischen Transformators 105 über eine Pumpschaltung mit den Dioden 70131 und 70171, sowie über die externe Kapazität 70151 realisiert, während die Kapazität 70111 (Blockkondensator) die Versorgungsspannung des Ansteuerteils 701 glättet. Somit enthält ein einfaches Energieversorgungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ohne besondere Anforderungen an eine elektromagnetische Verträglichkeit und ohne weitere Optionen für Dimmen oder Leistungsfaktorkorrektur nur noch drei Kapazitäten 703, 70111 und 70151, die beispielsweise als Kondensatoren ausgeführt werden, einen Eingangsgleichrichter 701 (Netzgleichrichter), eine Eingangsdrossel 201, einen Piezotransformator 105, beispielsweise einen schnellen IGBT 1037 mit einer Reversdiode 1039, ein möglicherweise integriertes Ansteuerteil 705, zwei Dioden 70131 und 70171 sowie einige Kleinstwiderstände.The power supply of the
Das somit erhaltene Vorschaltgerät läßt sich damit in kompakter Bauweise auf kleinstem Raum unterbringen, wobei beispielsweise eine Bauhöhe von 10 mm leicht erreichbar ist. Für die Eingangsdrossel 201 (Drosselinduktivität) ist beispielsweise eine Baugröße EF 13 bis zu einer Leistung von 18 Watt ausreichend. Für den piezoelektrischen Transformator 105 kann beispielsweise eine zylinderförmige Ausführung bei einer Höhe von 9 mm und einem Durchmesser von 20 mm ebenfalls für 18 Watt als genügend angesehen werden. Der Transistor 1037, beispielsweise als Fieldstop-IGBT ausgeführt, kann in einem kleinen SOT-Gehäuse untergebracht werden, und der Ansteuer-IC (IC; IC = Integrated Circuit) für die Ansteuerschaltung 705 läßt sich in einem 8-poligen Standardgehäuse verpacken. Eine Komplettintegration von der Reversdiode 1039, beispielsweise einem Fieldstop-IGBT 1037 sowie einem Ansteuer-IC, ist in einem 8-poligen Gehäuse als eine Multi-Chip-Lösung ebenfalls kostengünstig realisierbar.The ballast thus obtained can thus be accommodated in a compact design in the smallest space, for example, a height of 10 mm is easily accessible. For example, a size EF 13 up to a power of 18 watts is sufficient for the input choke 201 (choke inductance). For example, for the
In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 109 zusammen mit dem Schalter 103 sowie dem Lastwiderstand 107 dargestellt.FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the
Die Steuereinrichtung 109 umfaßt zunächst eine Einrichtung 801 zum Erfassen einer von dem Schalterstrom IS abhängigen Größe, eine Einrichtung 803 zum Erfassen einer von dem Laststrom IL abhängigen Größe sowie eine Phasenregelschleife 805. Die Phasenregelschleife 805 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel eine Einrichtung 807 zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen Schalterstrom und Laststrom aus den von der Einrichtung 801 und von der Einrichtung 803 erfaßten Größen. Die Einrichtung 807 weist einen ersten Eingang 8071, einen zweiten Eingang 8073 sowie einen Ausgang 8075 auf. Der Ausgang 8075 der Einrichtung 807 ist über einen Widerstand 8091 und eine Kapazität 8093 mit einem Referenzpotential, beispielsweise Masse, gekoppelt.The
Die Einrichtung 805 weist ferner einen spannungsgesteuerten Oszillator 811 (VCO; VCO = Voltage Controlled Oscillator) sowie einen Gate-Treiber 813 auf. Ein Eingang 81101 des VCO 811 ist zwischen dem Widerstand 8091 und der Kapazität 8093 gekoppelt. Ein Ausgang 81103 des VCO ist mit einem Eingang des Gate-Treibers 813 gekoppelt, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 1035 des Schalters 103 gekoppelt ist. Die Einrichtung 801 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Komparator 8011 auf mit einem ersten Eingang 80111, einem zweiten Eingang 80112 sowie einem Ausgang 80113 auf. Der erste Eingang 80111 des Komparators 8011 ist mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt. Der zweite Eingang 80112 ist mit dem Ausgang 80131 einer Referenzquelle 8013 gekoppelt. Der Ausgang 80113 des Komparators 8011 ist mit dem ersten Eingang 8071 der Einrichtung 107 gekoppelt. Die Einrichtung 803 umfaßt einen Komparator 8031 mit einem ersten Eingang 80311 und einem zweiten Eingang 80312 sowie einem Ausgang 80313. Der erste Eingang 80311 des Komparators 80131 ist zwischen den Widerständen 107 und 709 gekoppelt. Der zweite Eingang 80312 des Komparators 8031 ist mit dem Ausgang 8031 der Referenzquelle 8013 gekoppelt. Der Ausgang 80313 des Komparators 8031 ist ferner mit dem zweiten Eingang 8073 der Einrichtung 807 gekoppelt.
Im folgenden wird die Funktionsweise des in dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.In the following, the operation of the embodiment shown in Fig. 8 will be explained.
In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Schalterstrom an dem Sense-Widerstand 707 in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 80111 des Komparators 8011 anliegt. An dem zweiten Eingang 80112 des Komparators 8011 liegt ein Referenzsignal an, das von der Referenzquelle 8013 geliefert wird. Der Komparator 8011 tastet somit die Nulldurchgänge des Schalterstroms IS durch einen Vergleich zwischen der an dem Sense-Widerstand 707 abfallenden Spannung und dem Referenzsignal nahe Null ab. An dem Ausgang 80113 des Komparators 8011 wird somit ein Ausgangssignal ausgegeben, dessen momentane Phase aus dem Vergleich zwischen den an den Eingängen 80111 und 80112 anliegenden Signale resultiert und das in diesem Ausführungsbeispiel eine von dem Schalterstrom IS abhängige Größe repräsentiert. Eine dazu symmetrische Anordnung befindet sich auf der Lastseite. An dem Sense-Widerstand 709 wird der Laststrom IL in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 80311 anliegt. An dem zweiten Eingang 80312 liegt ebenfalls das Referenzsignal 80131 an, das von der Referenzquelle 8013 geliefert wird. Durch einen Vergleich mit dem Referenzsignal nahe Null wird der Laststrom über den Sense-Widerstand 709 abgetastet und der Komparator 8031 gibt an seinem Ausgang 80313 ein Ausgangssignal aus, das eine von dem Schalterstrom IL abhängige Größe repräsentiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden zweiten Eingänge 80112 und 80312 mit demselben Ausgang 80131 der Referenzquelle 8013 gekoppelt. Diese Referenzquelle ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Gleichspannungsquelle ausgeführt. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Referenzquelle 8013 eine beliebige Quelle sein kann, wie z.B. eine Wechselspannungsquelle, oder eine andere Anordnung wie beispielsweise eine strom- oder spannungsgesteuerte Spannungsquelle, die ein vorbestimmtes z.B. zeitabhängiges Referenzsignal liefert.In the embodiment shown in FIG. 8, the switch current at the
In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel werden der Schalterstrom und der Laststrom an den beiden Sense-Widerständen 707 und 709 abgetastet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß wie der Schalterstrom auch der Laststrom mit Hilfe einer beliebigen Funktionalität abgetastet werden kann, wie z. B. einem Stromspiegel mit einem Widerstand als Last oder auch einer stromgesteuerten Spannungsquelle, oder durch eine gesonderte Last- oder Schalterstromproportionale Signalquelle, z.B. als Anzapfung des Übertragers 105 (Piezo-Trafo) in Fig. 7.In the embodiment shown in FIG. 8, the switch current and the load current at the two
Die Einrichtung 807 dient zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen dem Schalterstrom und dem Laststrom aus den erfaßten Größen, die an den beiden Eingängen 8071 und 8073 anliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 807 als ein Phasendetektor ausgeführt, der ein Teil der Phasenregelschleife 805 ist. Das von dem Phasendetektor 807 ermittelte Phasendifferenzsignal, das ferner bezüglich seiner Frequenzabhängigkeit davon abhängt, ob ein überresonanter oder ob ein unterresonanter Betrieb herrscht, wird durch die Integratoreinrichtung 809, in diesem Ausführungsbeispiel als ein Filter ausgeführt, bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator, aufintegriert. Das Filterausgangssignal liegt an dem Eingang 81101 des VCO 811 an, der ausgehend von dem Filterausgangssignal eine geeignete Frequenz f und einen dazugehörigen Duty-Cycle Df erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird an den Steuereingang 8035 der Schalter 103 weitergeleitet. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Integratoreinrichtung 809, die in diesem Beispiel besonders kostengünstig ausgeführt ist, auch in anderer Weise implementiert sein kann, wie beispielsweise durch einen geeignet verschalteten Operationsverstärker, oder eine andere zeitverzögernde Schaltung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Schalter 103 einen spannungsgesteuerten Leistungsschalter 1037. Das Ausgangssignal des VCO 813 wird dem Gate-Treiber 813 zugeführt, dessen Ausgangssignal auf ein Gate von beispielsweise einem Fieldstop-IGBT oder einem MOSFET als mögliche Ausführungsformen des spannungsgesteuerten Leistungsschalters weitergegeben wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 807 als ein Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz und zum Erzeugen eines Differenzsignals ausgeführt. Dies hat den Vorteil, daß zum Steuern des Schalters 103 die Phasenregelschleife 805 verwendet werden kann, die sich kostengünstig realisieren läßt.In this embodiment, the
Die Regelung nach Fig. 8 funktioniert wie folgt: Wenn sich die Ausgangslast vergrößert (kleinerer ohmscher Widerstand), so wird sich nach Fig. 5 ein kleineres Übertragungsverhältnis einstellen. Gleichzeitig verkleinert sich dabei aber im überresonanten Fall der Phasenwinkel φLT, so daß die Spannung Up, die am Ausgang der Einrichtung 809 ausgegeben wird, ansteigt. Über den VCO 811 wird zeitverzögert durch das Filter 809 eine größere Frequenz an dem Gate des beispielsweise Fieldstop-IGBT 1037 eingestellt, welche eine Reduzierung der übertragenen Leistung bewirkt. Damit gelangt man auf den überresonanten Kennlinie nach Fig. 5 zu einem kleineren Übertragungsverhältnis ü. Da jedoch die Ausgangslast, wenn es sich um eine Gasentladungslampe (Leuchtstofflampe) handelt, einen negativen differentiellen Widerstand besitzt, erhöht sich die Ausgangsspannung, und der Lampenstrom sinkt überproportional ab. Somit gelangt man auf eine Übertragungskennlinie oberhalb der bisherigen Kennlinie nach Fig. 5, so daß durch die Veränderung der Ausgangsimpedanz wieder ein größerer Phasenwinkel φLT eingestellt wird, wie es in Fig. 5 ebenfalls gezeigt ist (gepunktete Kennlinie 507). Wenn sich der Phasenwinkel erhöht, so wird auch die Phasendifferenzspannung Up wieder absinken, und die Regelung kommt zu einem statischen Endwert.The control of Fig. 8 works as follows: When the output load increases (smaller ohmic resistance), Thus, a smaller transmission ratio will occur according to FIG. 5. At the same time, however, the phase angle φ LT decreases in the over-resonant case, so that the voltage Up which is output at the output of the
Gleiches gilt für Änderungen der Eingangsspannung: Wenn die Eingangsspannung des Konverters ansteigt, so verkleinert sich der Phasenwinkel φLT nach Fig. 6. Damit wird nach Fig. 5a eine größere Ausgangsleistung übertragen. Die Phasendifferenzspannung Up steigt dadurch wieder an und erhöht zeitverzögert über die Einrichtung 809 die Frequenz f, so daß sich entsprechend Fig. 5a die übertragene Leistung reduziert. Dieses hat wiederum einen Anstieg des Phasenwinkels φLT zur Folge, so daß die Regelung zum Stillstand kommt.The same applies to changes in the input voltage: When the input voltage of the converter increases, so the phase angle φ LT decreases as shown in FIG. 6. Thus, a larger output power is transmitted according to Fig. 5a. The phase difference voltage U p thereby increases again and, with a time delay, increases the frequency f via the
Gelangt die Regelung aus irgendeinem Grund in den unterresonanten Betrieb (Fig. 5, Fig. 5a), so würde sie nicht mehr funktionieren. Der VCO 811 verfügt deshalb gegebenenfalls über eine nicht gezeigte Einrichtung, um die angelege Frequenz zum Zeitpunkt des Zündens zu speichern. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des Piezotransformators 105 befindet sich die Zündfrequenz im überresonanten Zweig der Lastkurve in Fig. 3a. Diese Zündfrequenz wird dann zielgemäß während der Regelung unter Last nicht, oder nur um einen durch die Parameter des Piezotransformators 105 definierten Betrag unterschritten, so daß auch eine überproportionale Änderung der Phasenspannung Up zu kleineren Werten keine Frequenzabsenkung in den unterresonanten Betrieb zuläßt. Hierzu kann der VCO 811 weiterhin über eine nicht gezeigte Einrichtung zur Sicherstellung einer minimalen, unteren Grenzfrequenz im Lastbetrieb verfügen, welche dieses Verhalten sicherstellt.If, for some reason, the control enters the sub-resonant mode (Fig. 5, Fig. 5a), it would no longer function. The
Wie bereits erwähnt, zeichnet sich der VCO 811 ferner durch einen Duty-Cycle Df aus, der einstellbar ist. Um die Funktionsweise des Oszillators 811 zu erklären, wird erneut zu Fig. 4 zurückgekehrt. Der erfindungsgemäße Verstärker der Klasse E wird so betrieben, daß der Schalter nach Nullwerden der Schalterspannung, gegebenenfalls zeitverzögert, eingeschaltet wird. Dabei ergeben sich Einschaltzeiten von typischerweise DE = 0,25 ... 0,45, um eine optimale Begrenzung der Schalterspannung zu erreichen. Diese Einschaltzeiten werden erfindungsgemäß von dem spannungsgesteuerten Oszillator 811 geliefert, und zwar derart, daß der Strom im Schalter während der Einschaltzeit nur ansteigend verläuft, wie es in Fig. 4 durch den Verlauf von IS in einem durch ton markierten Intervall verdeutlicht ist. Der VCO 811 ist daher so ausgeführt, daß er einen hierzu notwendigen Duty-Cycle Df liefert. Dies kann beispielsweise durch eine in Fig. 8 nicht eingezeichnete Einrichtung zum Einstellen eines vorbestimmten Tastverhältnisses des Ausgangssignals des Oszillators 811 realisiert werden.As already mentioned, the
Aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bedeuten, daß ein resonanter Wechselrichter, bestehend aus einem selbst- oder einem fremderregten Verstärker der Klasse E, mit einer auf Resonanzfrequenz abgestimmter Betriebsweise bei einer hohen Frequenz unter Verwendung eines elektromechanischen Energiewandlers mit hoher Lastkreisgüte, einen hohen Wirkungsgrad sowie eine begrenzte Laständerung und eine begrenzte Eingangsspannungsschwankung zuläßt, indem ein dynamisch schneller Schalter mit mindestens etwa dreifacher Sperrspannung gegenüber der maximalen Eingangsgleichspannung verwendet wird. Da nur ein Schalter und eine relativ einfache Ansteuerschaltung erforderlich sind, läßt sich die Schaltung als eine Ein-Chip-Lösung (z. B. in einer SMART-POWER-Technologie) realisieren, oder in bekannter kostengünstiger Multi-Chip-Ausführung ohne eine Notwendigkeit einer brückenfähigen Hochvolt-Technologie für die Ansteuerschaltung. Unter Verwendung von beispielsweise üblichen Hochvoltleistungsschaltern (z. B. Fieldstop-IGBT bis 1700V, Cool-MOS bis 800V) ist ein Betrieb an gleichgerichteter Netzspannung möglich. Die benötigte Ansteuerschaltung arbeitet insbesondere bei Verwendung von MOS-Transistoren oder schnellen IGBT wegen des kapazitiven Gateverhaltens sehr verlustarm, ebenso der Schalter und der elektromechanische Wandler. Durch die Verwendung von MOS-Schaltern oder auch schnellen IGBT ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielbar. Wegen daraus resultierender möglicher Frequenzerhöhung bis etwa 200 kHz oder auch mehr verkleinern sich die kapazitiven und die induktiven Bauelemente der Gesamtanordnung, wie beispielsweise die Eingangsdrossel. Eine Resonanzinduktivität ist somit nicht mehr erforderlich, ebensowenig wie eine High-Side-Treibereinrichtung, was für vergleichbare Halbbrückenlösungen mit schmalbandigen Energiewandlern nicht, oder nur unter Einschränkungen bezüglich der Ansteuergenauigkeit, gegeben ist. Außerdem sind im Lastkreis keine reaktiven Bauelemente (Kondensatoren, Induktivitäten) erforderlich und werden vollständig durch den piezoelektrischen Transformator ersetzt.From the above-described embodiments according to the present invention, it will be apparent that the improvements over the prior art mean that a resonant inverter consisting of a self-excited or a foreign-excited class E amplifier with a mode tuned to resonance frequency at a high frequency using a high load circuit electromechanical power converter, high efficiency, and limited load variation and input voltage swing, by using a dynamically fast switch with at least about three times reverse bias voltage versus the maximum DC input voltage. Since only one switch and a relatively simple drive circuit are required, the circuit can be realized as a one-chip solution (eg in a SMART-POWER technology) or in a known cost-effective multi-chip design without a need a bridge-capable high-voltage technology for the drive circuit. Using, for example, conventional high-voltage circuit breakers (eg Fieldstop IGBT up to 1700V, Cool-MOS up to 800V), operation at rectified mains voltage is possible. The required drive circuit operates very low loss, in particular when using MOS transistors or fast IGBT because of the capacitive gate behavior, as well as the switch and the electromechanical transducer. Through the use of MOS switches or fast IGBT a high switching speed can be achieved. Because of the resulting possible increase in frequency up to about 200 kHz or even more, the capacitive and the inductive components of the overall arrangement, such as the input choke, decrease in size. A resonance inductance is thus no longer required, just as little as a high-side driver device, which is not the case for comparable half-bridge solutions with narrow-band energy converters, or only with restrictions with regard to the control accuracy. In addition, no reactive components (capacitors, inductors) are required in the load circuit and are completely replaced by the piezoelectric transformer.
Gegenüber einer aufwendigen Auswertung des Laststromes zur Einstellung der Nennleistung nach Schrift (3) ist für die gewählte Klasse-E-Schaltung nur ein Phasenvergleich zwischen den Nulldurchgängen von Laststrom und Schalterstrom erforderlich, um die Nennleistung einzustellen. Dadurch vereinfacht sich die Regelschaltung und läßt sich als Analogschaltung auf einer kleineren Chipfläche integrieren als wenn aufwendige Auswerteschaltungen für die Amplitude des Laststroms verwendet würden, oder diese Auswertung durch kostenintensive Brückentreiber-Ics vorgenommen wird.Compared to a complex evaluation of the load current for setting the rated power according to document (3) is for the selected class-E circuit only a phase comparison between the zero crossings of load current and switch current required to set the nominal power. This simplifies the control circuit and can be integrated as an analog circuit on a smaller chip area than if complex evaluation circuits for the amplitude of the load current would be used, or this evaluation is made by costly bridge driver ICs.
Das inverse Spannungsübertragungsverhältnis 1/ü (Eingangsspannung/Ausgangsspannung) des elektromechanischen Wandlers wird bezüglich einer Sinusübertragung bei Resonanzfrequenz in Anpassung an typische Netzanwendungen für Entladungslampen (z. B. Niederdrucklampen) erfindungsgemäß mit 1,5:1 bis 5:1 gewählt. Dabei kann die Eingangsnetzspannung zwischen 80 und beispielsweise 260 Volt Wechselspannung betragen. Aus dem elektrischen Filterverhalten des elektronmechanischen Wandlers (z. B. piezoelektrischer Transformator) ergibt sich dann eine Lastspannung (Brennspannung) im typischen Bereich der Niederdruckentladungslampen von z. B. 50 bis 160 V. Bei anderen Übersetzungsverhältnissen wäre in dieser Schaltungstopologie eine Lastenanpassung mit optimaler Schalterspannungsbegrenzung für die beschriebenen Netzanwendungen nicht erreichbar, weshalb das richtig dimensionierte Übersetzungsverhältnis im Nennlastbetrieb ein wesentlicher Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist.The inverse
Weiterhin ist die Eingangskapazität des elektromechanischen Wandlers so zu wählen, daß neben dem parallel zu dem Wandlereingang geschalteten Halbleiterschalter keine weitere Parallelkapazität benötigt wird. Der Wert dieser Eingangskapazität wird bei einer Frequenz von typischerweise 100 kHz und einer Leistung von 10 bis 20 Watt je nach Eingangsspannung zwischen 100 pF und 1 nF betragen. Bei kleiner Eingangsspannung (80 bis 160 V Wechselspannung) ist der Wert der Kapazität etwa 500 pF bis 1 nF zu wählen, bei einer großen Eingangsspannung (160 bis 260 V Wechselspannung) ist dieser Wert etwa mit 100 pF bis 500 pF zu wählen.Furthermore, the input capacitance of the electromechanical transducer is to be chosen so that in addition to the parallel to the converter input switched semiconductor switch no further parallel capacitance is needed. The value of this input capacitance will be between 100 pF and 1 nF at a frequency of typically 100 kHz and a power of 10 to 20 watts, depending on the input voltage. For low input voltage (80 to 160 V AC), the value of the capacitance should be about 500 pF to 1 nF, for a large input voltage (160 to 260 V AC), this value should be selected as 100 pF to 500 pF.
Die parallel hierzu wirkende Kapazität des Schalters liegt dabei in einer Größenordnung von weniger als 200 pF. Für andere Leistungsbereiche verschiebt sich der Wert der Eingangskapazität nach oben (größere Leistung) oder auch nach unten (kleinere Leistung). Eine solche Anpassung ist durch eine Konstruktion eines piezoelektrischen Transformators möglich. Bevorzugt wird hierbei ein zirkular oder auch ein lateral schwingender piezoelektrischer Transformator eingesetzt. Hingegen ist ein piezoelektrischer Transformator, der auf der Basis einer Dickenschwingung arbeitet, oder ein Rosen-Typ-Transformator weniger für diese Anwendung geeignet, da diese ein entsprechendes Abtransformationsverhältnis in dem vorgegebenen Leistungsbereich und der geforderten Eingangskapazität nicht bei einem ausreichenden Wirkungsgrad zulassen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch diese beiden Typen von Piezotransformatoren erfindungsgemäß eingesetzt werden können.The parallel acting capacity of the switch is on the order of less than 200 pF. For other power ranges, the value of the input capacitance shifts up (higher power) or down (smaller power). Such an adaptation is possible by a construction of a piezoelectric transformer. Preferably, a circular or a laterally oscillating piezoelectric transformer is used here. On the other hand, a piezoelectric transformer which works on the basis of a thickness vibration or a rose type transformer is less suitable for this application because they do not allow a corresponding transformation ratio in the given power range and the required input capacitance at a sufficient efficiency. It should be noted, however, that these two types of piezotransformers can be used according to the invention.
Außerdem hilft der negative differentielle Widerstand einer Gasentladungslampe im Brennbetrieb, die Nullspannungsschaltung der Klasse E zu stabilisieren, und ist als Last in Verbindung mit einem schmalbandigen elektromechanischen Wandler hierzu besser geeignet als ein konstanter ohmscher Widerstand. Dazu wird der piezoelektrische Transformator so ausgelegt, daß seine Spannungsübertragungsfunktion eine ausreichende Bandbreite besitzt, die, wie es bereits erwähnt worden ist, bezüglich der Frequenz etwa einer Gauß'schen Funktion folgt, und so breit gewählt wird, daß bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz eine Verkleinerung des Spannungsübertragungsverhältnisses ü auftritt, dem das Ansteigen der Spannung an der Gasentladungslampe entgegenwirkt. Dadurch läßt sich eine Steuerung oder Regelung für Gasentladungslampen über eine Erfassung des Lampenstroms technisch zuverlässig implementieren, wenn die Frequenzbandbreite bis zum Abfall auf eine halbe Leistung wenigstens etwa 5 bis 10 % der Nennfrequenz beträgt. In diesem Bereich, und durch die Wirkung der Ausgangskapazität bei einer steigenden Lampenspannung, ändert sich das Verhalten der Klasse-E-Schaltung bezüglich der Nullspannungsschaltung und der Schalterstrombelastung kaum, so daß keine wesentlichen Änderungen bezüglich des Schaltermaximalstroms, des Schalterreversstroms und der Schaltermaximalspannung bei etwa konstanter relativer Einschaltzeit auftreten. Dieses ist dadurch bedingt, daß die Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators groß genug ist (z.B. einige Nanofarad), um auch im belastungsfreien Zustand genügend Blindleistung aufzunehmen, und an den Eingang resonant zurückzuspeisen, wenn die Wirklast gegenüber ihrem Nennwert kleiner wird.In addition, the negative differential resistance of a gas discharge lamp in the burning operation helps to stabilize the class E zero-voltage circuit, and as a load in conjunction with a narrow-band electromechanical converter, this is better suited than a constant ohmic resistance. For this purpose, the piezoelectric transformer is designed so that its voltage transfer function has a sufficient bandwidth, which, as already mentioned, follows in frequency about a Gaussian function, and is chosen so wide that at a deviation from the resonance frequency Reduction of the voltage transfer ratio ü occurs, which counteracts the increase in the voltage at the gas discharge lamp. As a result, a control or regulation for gas discharge lamps via detection of the lamp current can be technically reliably implemented if the frequency bandwidth is up to the drop to half a power at least about 5 to 10% of the nominal frequency. In this area, and by the effect of the output capacitance with increasing lamp voltage, the behavior changes The class-E circuit with respect to the zero voltage circuit and the switch current load hardly, so that no significant changes in the switch maximum current, the switch reverse current and the switch maximum voltage occur at approximately constant relative on-time. This is due to the fact that the output capacitance of the piezoelectric transformer is large enough (eg a few nanofarads) to take enough reactive power even in the no-load condition, and resonantly fed back to the input when the load becomes smaller than its nominal value.
Der Klasse-E-Konverter reagiert auf eine verstärkt kapazitive oder eine weniger ohmsche Ausgangsbelastung mit einer Erhöhung des Blindstromanteils, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird. Hierbei wirkt sich die inhärente Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators in diesem Sinne stabilisierend aus. Somit kehrt die Schalterspannung weiterhin auf Null zurück, auch wenn die Gasentladungslampe wieder verloschen oder entfernt worden ist. Damit erhöht sich lediglich der Reversstromanteil in dem Schalter. Für den Fall, daß keine Wirkleistung mehr an die Last übertragen wird, ist der maximale Reversstrom gleich dem maximalen Einschaltstrom des Schalters (Zündbetrieb). Somit kann eine Detektion von End-Of-Life-Effekten oder Lastkreisunterbrechung durch ein Abtasten des Reversstroms in dem Schalter erfolgen, ohne daß die Lampenspannung überwacht werden muß. Allerdings ändert sich die optimale relative Einschaltzeit mit der Frequenz und muß bei größeren Frequenzänderungen innerhalb der Bandbreite nachgeführt werden. Solches ist für eine Festpunktlast innerhalb einer PLL-Regelung jedoch seltener oder gar nicht erforderlich und wird nur bei einer Leistungsstellung in einem größeren Bereich anzuwenden sein, oder wenn ein Zündbetrieb mit Vorheizen der Gasentladungslampe vorgesehen ist. Wegen der stärkeren Verluste während des Vorheizens im piezoelektrischen Transformator ist ein vorheizungsfreier Instant-Start für diese Lösung jedoch zu bevorzugen.The class E converter responds to an increased capacitive or less resistive output load with an increase in reactive current component without violating the zero voltage condition. In this case, the inherent output capacitance of the piezoelectric transformer has a stabilizing effect in this sense. Thus, the switch voltage continues to return to zero even if the gas discharge lamp has been extinguished or removed again. This only increases the proportion of reverse current in the switch. In the event that no real power is transmitted to the load, the maximum reverse current is equal to the maximum inrush current of the switch (ignition mode). Thus, detection of end-of-life effects or load circuit interruption can be done by sampling the reverse current in the switch without having to monitor the lamp voltage. However, the optimum relative on-time changes with frequency and must be tracked with larger frequency changes within the bandwidth. However, such is less or not required for a fixed point load within a PLL control, and will only be applicable to a power position in a wider range, or when an ignition operation with preheating of the gas discharge lamp is provided. However, because of the greater losses during preheating in the piezoelectric transformer, a preheat-free instant start for this solution is preferable.
Bei einer Schwankung der Eingangsspannung ändert sich das Transformationsverhältnis des elektromechanischen Wandlers wenig, so daß sich die Leistung etwa mit dem Quadrat der Eingangsspannung ändert. Wird die Eingangsgleichspannung des Konverters kleiner, so sinken der Wirkstrom und der Blindstrom in dem Lastkreis entsprechend ab, und der Schalterreversstrom nimmt ab. Wenn die Sperrspannungsreserve des Schalters groß ist, kann die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators verkleinert werden, um ein Nullspannungsschalten (ZVS) bis zu kleineren Eingangsspannungen zu erreichen. Ist die Sperrspannungsreserve des Schalters hingegen klein, so darf die Eingangsspannung nicht unter einen bestimmten Minimalwert sinken. Dieser Wert ist wegen der ausreichend großen Ausgangskapazität eines piezoelektrischen Transformators bei sinkender ohmscher Belastung aber klein genug, um die üblichen Spannungsschwankungen der Netze auszugleichen und um zusätzlich eine größere Spannungsschwankung an dem Eingangsladekondensator zuzulassen. Wird die Last entfernt oder ist die lastseitige Gasentladungslampe ungezündet, so bewirkt die konstante oder geringfügig ansteigende kapazitive Ausgangslast des piezoelektrischen Transformators einerseits eine Aufrechterhaltung des Nullspannungsschaltens, indem der steigende Blindstromanteil den fehlenden Laststromanteil kompensiert. Andererseits wird die Schaltermaximalspannung jedoch nicht wesentlich größer, da der effektive Eingangsstrom abnimmt und von einem kleineren Anteil des Laststroms kompensiert werden muß, wobei auch die gesamte relative Einschaltzeit konstant bleibt.When the input voltage fluctuates, the transformation ratio of the electromechanical transducer changes little, so that the power changes approximately with the square of the input voltage. If the DC input voltage of the converter decreases, the active current and the reactive current in the load circuit decrease accordingly, and the switch reverse current decreases. If the reverse bias of the switch is large, the input capacitance of the piezoelectric transformer can be reduced to achieve zero voltage switching (ZVS) to lower input voltages. If, however, the reverse voltage reserve of the switch is small, the input voltage must not fall below a certain minimum value. However, because of the sufficiently large output capacitance of a piezoelectric transformer with decreasing ohmic load, this value is small enough to compensate for the usual voltage fluctuations of the grids and in addition to allow a greater voltage fluctuation at the input charging capacitor. If the load is removed or the load-side gas discharge lamp is ignited, the constant or slightly increasing capacitive output load of the piezoelectric transformer on the one hand causes a maintenance of zero voltage switching by the rising reactive current component compensates for the missing load current component. On the other hand, however, the maximum switch voltage does not become much larger, since the effective input current decreases and must be compensated for by a smaller proportion of the load current, while the total relative on-time remains constant.
Wird die ohmsche Belastung größer, so sinkt der Blindstromanteil auf kleinere Werte, so daß die Schaltermaximalspannung auch in diesem Fall nicht überschritten wird. Bei einen zu großen ohmschen Last würde das Nullspannungsverhalten nicht mehr erreicht, weil die Übertragungskennlinie des piezoelektrischen Wandlers nur eine begrenzte Leistungsübertragung (Maximallast) zulässt. Eine Lasterhöhung stößt auf die gleiche Begrenzung bei der Leistungsübertragung wie eine Eingangsspannungserhöhung nach Fig. 5a. Somit wird die zusätzlich aufgenommene Leistung an dem Schalter in Wärme umgesetzt, wenn bei einer Spannung größer als null eingeschaltet werden muß. Damit wird die Schaltermaximalspannung ebenfalls nicht überschritten, indem die übertragene Leistung nicht mehr erhöht wird. Für den Fall, daß eine zu große Last verwendet wird, kann diese durch eine Detektion der Spannungsrückkehr an dem Schalter erkannt werden, so daß eine Überlastung des Schalters vermieden werden kann, indem der Konverter abgeschaltet wird. Somit kann man als Schalter ein Bauelement einsetzen, dessen erlaubte Maximalspannung in keinem möglichen Betriebszustand einer Gasentladungslampe mit elektromechanischem Wandler (piezoelektrischer Transformator) überschritten wird. Deshalb ist auch ein nicht-avalanchefester Schalter (MOSFET oder IGBT) für diese Anwendung gut geeignet, da sich die an den Eingang zurückwirkende Ausgangskapazität des Wandlers bei sinkender ohmscher Last kompensierend auswirkt, und eine maximal übertragbare Leistung nicht überschritten werden kann. Diese Eigenschaften sind durch den Einsatz von erfindungsgemäß dimensionierten piezoelektrischen Transformatoren meist gegeben.If the resistive load increases, the proportion of reactive current decreases to smaller values so that the maximum switch voltage is not exceeded even in this case. If the ohmic load is too large, the zero-voltage behavior would no longer be achieved because the transfer characteristic of the piezoelectric transducer only allows a limited power transmission (maximum load). A load increase comes up to the same limit in power transmission as an input voltage increase of Fig. 5a. Thus, the additional power consumed on the switch is converted to heat when it must be turned on at a voltage greater than zero. Thus, the switch maximum voltage is also not exceeded by the transmitted power is no longer increased. In the event that too much load is used, this can be detected by detecting the voltage return to the switch, so that an overload of the switch can be avoided by the converter is turned off. Thus, one can use as a switch, a component whose maximum permitted voltage in any possible operating state of a gas discharge lamp with electromechanical transducer (piezoelectric transformer) is exceeded. Therefore, a non-avalanche-proof switch (MOSFET or IGBT) is well suited for this application, since the output capacitance of the converter, which acts on the input, has a compensating effect with decreasing resistive load, and a maximum transmittable power can not be exceeded. These properties are usually given by the use of inventively dimensioned piezoelectric transformers.
Durch den Einsatz nicht-avalanchefester Bauelemente, insbesondere Fieldstop-IGBT als Schalter, wird die vorliegende Anwendung kostengünstiger, indem kein Schutzelement gegen Überspannungen an dem Schalter eingesetzt werden muß, da der Ausgangskreis den Schutz des Schalters durch seine elektromechanischen und damit elektrischen Eigenschaften bereits gewährleistet.The use of non-avalanche-resistant components, in particular field stop IGBT as a switch, the present application is cheaper by no protective element against overvoltages must be used on the switch, since the output circuit already ensures the protection of the switch by its electromechanical and thus electrical properties.
Wie es bereits erwähnt worden ist, kann man zu einer Steuerung und Regelung eines so aufgebauten Konverters den Phasenwinkel zwischen Laststrom und Schalterstrom auswerten. Der Schalterstrom wird nur durch den Gleichanteil der Eingangsdrossel überlagert, welche die Phasenverschiebung um einen festen Betrag verändert, und deshalb nicht oder nur wenig von der Leistung oder Eingangsspannung abhängig ist. Wird die Eingangsdrossel des Konverters so klein gewählt, daß der Drosselstrom auf Null abklingen oder kleiner als Null werden kann, so kann man den Anteil des überlagerten Gleichstroms von Seiten der Drossel deutlich reduzieren oder fast zu Null machen, weil dann der Drosselstrom typischerweise in dem Moment des Einschaltens des Schalters etwa einen Nulldurchgang erreicht. Auch wenn die Eingangsdrossel größer gewählt wird, ist eine Phasendetektion zur Leistungsregelung möglich und muß nur wenig an den jeweiligen Wert der Eingangsdrossel angepaßt werden, da der effektive Eingangsstrom in dieser Anwendung wesentlich kleiner als der Laststrom ist.As has already been mentioned, the phase angle between the load current and the switch current can be evaluated for controlling and regulating a converter constructed in this way. The switch current is superimposed only by the DC component of the input inductor, which changes the phase shift by a fixed amount, and therefore not or only little depends on the power or input voltage. If the input throttle of the converter is chosen so small that the inductor current can decay to zero or less than zero, one can significantly reduce the proportion of superimposed DC flow from the throttle or almost make it to zero, because then the inductor current is typically in the moment switching on the switch reaches about a zero crossing. Even if the input choke is selected to be larger, a phase detection for power control is possible and only slightly adapted to the respective value of the input choke, since the effective input current in this application is much smaller than the load current.
Auch die Schwankung der Eingangsspannung läßt sich über die Phasendetektion und eine entsprechende Frequenzveränderung ausgleichen, da der kapazitive Anteil des Ausgangsstroms im Wandler ansteigt, wenn aufgrund sinkender Eingangsspannung die Wirkleistung kleiner wird.Also, the fluctuation of the input voltage can be compensated via the phase detection and a corresponding frequency change, since the capacitive component of the output current in the converter increases, if due to decreasing input voltage, the active power is smaller.
Wenn eine zu kleine Eingangsspannung anliegt, wird das zielgemäße Transformationsverhältnis bei Nennfrequenz nicht erreicht, wenn die Lastimpedanz aufgrund des negativen differentiellen Widerstands einer Gasentladungslampe zu groß wird. Der elektromechanische Wandler hat in der Regel die Eigenschaft, bei einer kleiner werdenden Eingangsspannung eine mit dieser quadratisch abnehmende Leistung zu übertragen.If too low an input voltage is applied, the target transformation ratio at rated frequency will not be reached if the load impedance becomes too large due to the negative differential resistance of a gas discharge lamp. The electromechanical transducer usually has the property to transmit at a decreasing input voltage with this square decreasing power.
Wenn andererseits die ohmsche Ausgangsimpedanz größer wird, kann der Wandler nur mit einer Erhöhung der Ausgangsspannung reagieren, selbst wenn eine kleine Eingangsspannung anliegt. Dadurch verschiebt sich das Transformationsverhältnis zu größeren Werten hin und die wandlerinternen Verluste nehmen geringfügig zu. Gleichzeitig wird aber die inhärente Ausgangskapazität des Wandlers mit einer größeren Spannung beaufschlagt, wodurch der kapazitive Stromanteil zunimmt und der ohmsche Stromanteil abnimmt. Die Vergrößerung des Transformationsverhältnisses kann durch ein Design des elektromechanischen Wandlers so eingestellt werden, daß die Ausgangsspannung von Maximallast (minimal möglicher Lastwiderstand) zu kleineren Lasten hin (größerer Lastwiderstand) so zunimmt, daß der resultierende Ersatzwiderstand bezüglich des Eingangs etwa konstant bleibt oder sich wenig ändert.On the other hand, when the ohmic output impedance becomes larger, the converter can only react with an increase in the output voltage even if a small input voltage is applied. As a result, the transformation ratio shifts towards larger values and the transformer internal losses increase slightly. At the same time, however, the inherent output capacitance of the converter is subjected to a larger voltage, whereby the capacitive current component increases and the ohmic current component decreases. The enlargement of the transformation ratio can be adjusted by a design of the electromechanical transducer so that the output voltage from maximum load (minimum load resistance) to smaller loads (larger load resistance) increases so that the resulting equivalent resistance with respect to the input remains approximately constant or changes little.
Dadurch kann der Klasse-E-Konverter bei veränderlicher Last in einem weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird und indem die übertragene Leistung nur durch kleine Frequenzänderungen variiert werden kann. Es ist demzufolge auch möglich, den Phasenwinkel zwischen Last- und Schalterstrom etwa konstant zu halten und dadurch sowohl Änderungen der Eingangsspannung als auch Änderungen der Ausgangslast bei Einhaltung der ZVS-Bedingung auszugleichen. Diese Möglichkeit ist bei einem Übertrager mit konstanten Parametern, insbesondere mit konstantem Übersetzungsverhältnis, nicht in einem derart weiten Bereich von Last- und Eingangsspannungsänderung gegeben.This allows the class E converter to operate under variable load in a wide input voltage range without violating the zero voltage condition and by allowing the transmitted power to be varied only by small frequency changes. It is therefore also possible to keep the phase angle between load and switch current approximately constant and thereby compensate for both changes in the input voltage and changes in the output load while maintaining the ZVS condition. This possibility is not given in such a wide range of load and input voltage change in a transformer with constant parameters, in particular with a constant gear ratio.
Die Größe der Eingangsdrossel kann ferner benutzt werden, um die Leistung in gewissen Grenzen bei einer vorgegebenen Frequenz einzustellen. Wird die Eingangsdrossel größer gemacht, so steigt die Übertragungsleistung an, indem bei gleicher Frequenz wegen der elektrischen Charakteristik des Klasse-E-Konverters die effektive gespeicherte Energie in der Eingangsdrossel zunimmt, welche an den Lastkreis weitergegeben wird. Die Einstellung der Leistung über die Eingangsdrossel ist jedoch wegen der begrenzten Bandbreite des elektromechanischen Wandlers nur in kleineren Grenzen möglich und wird innerhalb der üblichen Toleranzen induktiver Bauelemente unwesentlich die Gesamtleistung beeinflussen. Andererseits kann der Abgleich der Eingangsdrossel zur Justierung des Arbeitspunktes verwendet werden, falls ein anderer Abgleich nicht erfolgen soll. Ein Vorteil der endlichen Ausführung der Eingangsdrossel ist somit die Möglichkeit zum Abgleich der Lampenleistung. Wird die Eingangsdrossel zu groß ausgeführt, kann sie zwar eine verbesserte Glättung der Stromoberwellen zum Netz bewirken (Störspannung), verursacht aber auch eine notwendige Anpassung der Eingangskapazität des Wandlers zu kleineren Werten bei einer Leistungserhöhung und bei einem gleichbleibenden Transformationsverhältnis oder zu einem kleineren Abwärtstransformationsverhältnis und gleichbleibender oder größerer Eingangskapazität des Wandlers.The size of the input choke can also be used to adjust the power within certain limits at a given frequency. If the input choke is made larger, the transmission power increases, because at the same frequency, because of the electrical characteristics of the class E converter, the effective stored energy in the input choke increases, which is passed to the load circuit. The adjustment of the power through the input inductor, however, is possible only within smaller limits because of the limited bandwidth of the electromechanical transducer and will affect the overall performance insignificantly within the usual tolerances of inductive components. On the other hand, the adjustment of the input choke can be used to adjust the operating point, if another adjustment should not be made. An advantage of the finite design of the input choke is thus the possibility to adjust the lamp power. If the input choke is made too large, it can cause an improved smoothing of the current harmonics to the network (noise voltage), but also causes a necessary adjustment of the input capacitance of the converter to smaller values at a power increase and at a constant transformation ratio or a smaller step-down ratio and more consistent or larger input capacitance of the converter.
Für das typische Abwärtstransformationsverhältnis von 1,5:1 bis 5:1 in einem Nennlastbetrieb und bei den übrigen genannten elektrischen Daten sind die zu einer typischen Erfindungsausführung erforderlichen Werte für die Eingangsdrossel bei einer typischen Frequenz von 100 kHz zwischen 3 mH und 20 mH zu wählen.For the typical down-conversion ratio of 1.5: 1 to 5: 1 in nominal load operation and the other electrical data mentioned, the values for the input choke required for a typical implementation of the invention are to be chosen between 3mH and 20mH at a typical frequency of 100kHz ,
Zur Einstellung der jeweils gewünschten Nennleistung wird zeitlich nach der Detektion des Zündens eine PLL-Regelschleife in Betrieb gesetzt, in welcher die Nulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abgetastet und auf einen Phasendetektor weitergegeben werden. Weiterhin wird diese Phasendifferenz auf ein Filter geleitet, welches eine geglättete Ausgangsspannung erzeugt. Diese wird auf einen geeigneten VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) aufgeschaltet, welcher auf einen Sollwert abgeglichen sein soll (Sollwertvergleich) und eine geeignete Verstärkung aufweist. Das Ausgangssignal des VCO wird als Frequenzsignal mit zugehörigen erfindungsgemäßen Duty-Cycle (konstant oder leicht veränderlich innerhalb des genannten Bereichs) über einen Treiber an den Schalter (Gate eines IGBT oder MOSFET) zurückgeführt. Dabei kann sich der Duty-Cycle mit sinkender Frequenz geringfügig erhöhen und mit steigender Frequenz geringfügig verringern oder er wird konstant gehalten.To set the respective desired rated power, a PLL control loop is put into operation in time after the detection of the ignition, in which the zero crossings are sampled by the switch and load current and passed on to a phase detector. Furthermore, this phase difference is passed to a filter which generates a smoothed output voltage. This is switched to a suitable VCO (voltage controlled oscillator), which should be adjusted to a desired value (setpoint comparison) and has a suitable gain. The output signal of the VCO is returned as a frequency signal with associated duty cycle according to the invention (constant or slightly variable within said range) via a driver to the switch (gate of an IGBT or MOSFET). In this case, the duty cycle may increase slightly with decreasing frequency and slightly decrease with increasing frequency or it is kept constant.
Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Phasendifferenzsignal positiv aufgeschaltet, wodurch eine etwa konstante Leistung erzeugt wird. Wenn eine Gasentladungslampe z.B. durch Alterung eine größere Brennspannung besitzt, dann fließt ein überproportional kleinerer Lampenstrom, was als Laständerung (Lastverringerung) bezeichnet werden kann. Dabei wird der Konverter die Leistung aber etwa konstant halten, indem er zunächst "feststellt", dass der Phasenwinkel wegen sinkender Wirklast größer geworden ist. Die daraus gebildete Phasenspannung Up ist laut Diagramm aber damit kleiner geworden. Wird sie positiv auf den VCO gegeben, dann sinkt die Frequenz etwas ab, und die Leistung wird wieder erhöht. Dadurch verkleinert sich der Phasenwinkel wieder, und die Phasendifferenzspannung steigt wieder laut Diagramm an. Somit kommt die Regelung irgendwann zu einem neuen Istwert der Lampenleistung, der aber nicht sehr stark vom Ausgangswert abweicht. Es ist also eine Regelung, die nur 100% genau wäre, wenn man die Parameter so einstellen könnte, dass die Verstärkungen des VCO, der Phasendifferenzspannungsbildung, und der Regelstrecke selbst (Klasse E mit Piezo-Trafo), vollständige Kompensation der Leistungsänderung zulassen würden. Das ist in der Praxis nicht der Fall, wobei jedoch eine Toleranz der Leistung von +/- 10 bis 15 % durchaus akzeptierbar ist. Bei der Eingangsspannung ist es ähnlich. Wenn sich diese erhöht, steigt die Leistung bei gleichbleibender Frequenz an. Dadurch sinkt der Phasenwinkel ab, und die Phasendifferenzspannung steigt. Damit wird aber auch eine grössere Frequenz eingestellt, womit man über die Regelstrecke (insbes. durch Übertragungskurve des Piezotrafos) wieder ein kleineres Übersetzungsverhältnis einstellt. Damit sinkt die Leistung wieder ab, und auch hier erwartet man, dass sich Leistungsschwankungen im Rahmen der Eingangsspannun sänderungen in kleinen Grenzen halten werden, da die Regelung auch nicht völlig exakt ist.In the preferred embodiment described above, the phase difference signal is positively turned on, thereby producing an approximately constant power. When a Gas discharge lamp eg by aging has a higher burning voltage, then flows a disproportionately smaller lamp current, which can be referred to as load change (load reduction). However, the converter will keep the power approximately constant by first "determining" that the phase angle has become larger due to sinking load. The resulting phase voltage Up has become smaller, according to the diagram. If it is given positive to the VCO, then the frequency drops slightly and the power is increased again. As a result, the phase angle decreases again, and the phase difference voltage increases again according to the diagram. Thus, the regulation comes eventually to a new actual value of the lamp power, but not very different from the initial value. It is therefore a regulation that would be only 100% accurate if one could set the parameters so that the gains of the VCO, the phase difference voltage formation, and the controlled system itself (class E with piezo transformer) would allow complete compensation of the power change. This is not the case in practice, but a tolerance of the power of +/- 10 to 15% is quite acceptable. The input voltage is similar. As this increases, the power increases at a constant frequency. As a result, the phase angle decreases, and the phase difference voltage increases. But this also sets a higher frequency, which again sets a smaller transmission ratio over the controlled system (esp. By transmission curve of the piezoelectric transformer). Thus, the power decreases again, and again, it is expected that power fluctuations in the context of Eingangspannun changes will be kept within small limits, since the scheme is also not completely accurate.
Claims (20)
- Resonance converter for driving variable loads, comprising:a piezo-transformer (105) with an input gate and an output gate for providing an output signal for driving the variable load (107);a switch (103) for providing an input signal from a source (101) to the input gate of the piezo-transformer (105);control means (109) for controlling a switching frequency of the switch;characterized in that the piezo-transformer (105) is dimensioned and connected such that a downward transformation ratio between the input signal and the output signal is from 1.5:1 to 5:1 when providing nominal power to the variable load (107); andthat the control means (109) for controlling the switching frequency of the switch (103) is designed on the basis of a phase shift between the switch current and the load current at variable load and/or variable output voltage.
- Resonance converter of claim 1 with an input gate connected to a source (101), which provides an input voltage from which the switch (103) generates the input signal for the input gate of the piezo-transformer (105), wherein an input capacity of the piezo-transformer (105) is adjusted depending on the amount of the input voltage and the nominal output power.
- Resonance converter of claim 2, wherein the input capacity of the piezo-transformer (105) is fixedly adjusted to a value between 100 pF and 1 nF.
- Resonance converter of claim 2 or 3, wherein the input voltage is between 80 and 160 volts and the input capacity of the piezo-transformer (105) is between 500 pF and 1 nF.
- Resonance converter of claim 2 or 3, wherein the input voltage is between 160 and 260 volts and the input capacity of the piezo-transformer (105) is between 100 pF and 500 pF.
- Resonance converter of one of claims 1 to 5, comprising an input choke (201) connected between the source (101) and the switch (103) arranged in parallel to the input gate of the piezo-transformer (105).
- Resonance converter of claim 6, wherein the inductance of the input choke (201) has a value of 3 mH to 20 mH.
- Resonance converter of one of claims 1 to 7, wherein the switch (103) includes a voltage-controlled power switch (1037), which may be implemented as a fieldstop IGBT or a cool MOS transistor, with a first input, a second input, and a control input to which a control signal can be applied.
- Resonance converter of claim 8, wherein a diode (1039) is connected between the second input and the first input of the voltage-controlled power switch.
- Resonance converter of one of claims 1 to 9, wherein the control means (109) includes means for detecting (801) a quantity dependent on the switch current, means (803) for detecting a quantity dependent on the load current, and means (807) for determining the phase shift between the switch current and the load current from the detected quantities.
- Resonance converter of claim 10, wherein the control means (109) comprises a phase-locked loop (805) for regulating a mean phase shift to a constant target value.
- Resonance converter of claim 10 or 11, wherein the control means (109) further includes an oscillator (811), whose frequency is adjustable depending on the determined phase shift and whose output signal serves for controlling the switch (103).
- Resonance converter of claim 12, further comprising means for adjusting a predetermined duty cycle of the output signal of the oscillator (811).
- Resonance converter of one of claims 1 to 13, wherein the variable load includes a gas discharge lamp.
- Method of driving variable loads by a resonance converter including a piezo-transformer (105) with an input gate, wherein the piezo-transformer (105) is dimensioned such that the voltage downward transformation ratio between the input signal and the output signal is from 1.5:1 to 5:1 when providing nominal power to the variable load (107), a switch (103) and control means (109), comprising the steps of:controlling a switching frequency of the switch (103) by the control means (109) on the basis of a phase shift between the switch current and the load current at variable load and/or variable input voltage, in order to apply an input signal to the input gate of the piezo-transformer (105) and thereby generate an output signal for driving the variable load.
- Method of claim 15, comprising the steps of:detecting a quantity dependent on the switch current;detecting a quantity dependent on the load current;determining the phase shift between the switch current and the load current from the detected quantities.
- Method of claim 16, with a step of regulating a mean phase shift to a nominal value using a phase-locked loop (805).
- Method of claim 16 or claim 17, comprising the steps of:controlling a voltage-controlled oscillator (811) based on the mean phase shift; andusing the output signal of the oscillator as control signal for the switch (103).
- Method of claim 18, with a step of adjusting a predetermined duty cycle of the output signal of the oscillator (811).
- Method of one of claims 14 to 19, wherein a gas discharge lamp is used as variable load.
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