FI122205B - Puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen ohjausmenetelmä ja ohjauspiiri - Google Patents

Description

Puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen ohjausmenetelmä ja ohjauspiiri

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy tasasähkömuuntimiin ja erityisesti puol isiltä kytkettyi-5 hin, virtamoodiohjattuihin tasasähkömuuntimiin.

Tasasähkömuunnin tai dc-dc-muunnin on piiri, joka muuttaa tasa-jännitteen (dc) yhdeltä jännitetasolta toiselle. Hakkurimoodissa toimiva puoli-siltakytketty dc-dc-muunnin (half-bridge switched mode converter) siirtää energiaa magneettisesti toisiinsa kytkettyjen käämien avulla Tässä topologiassa 10 tarvitaan energian erotetusti siirtävän muuntajan lisäksi myös induktanssi, joka toimii energiavarastona. Säätämällä latausjännitteen käyttöjaksoa (duty cycle) eli on/off-aikojen suhdetta takaisinkytketyn lähtöjännitetason mukaan esimerkiksi pulssinleveysmoduloinnilla, voidaan kontrolloida lähtöön siirretyn energian määrää ja sitä kautta lähtöjännitettä. Tasasähkömuuntimet voidaan jakaa sää-15 dön mukaan kahteen perustyyppiin: jännitemoodiohjatut (voltage-mode controlled) ja virtamoodiohjatut (current-mode controlled) muuntimet. Jännitemoo-diohjatussa muuntimessa tarkkaillaan vain lähtöjännitettä. US4347558 esittää jännitemoodiohjatun puolisillan balansointipiirin, joka mittaa lähtöjännitteen lisäksi kondensaattorien yli olevat jännitteet ja muodostaa pulssinleveysmodu-20 laattorille jännitteiden epäbalanssia kompensoivan signaalin säätäen kummankin puolisilta-kytkimen on/off-aikoja.

Virtamoodiohjatussa muuntimessa tarkkaillaan sekä lähtöjännitettä että ensiövirtaa. Kuvio 1 esittää esimerkkinä virtamoodiohjatun puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen periaatekytkennän. Puolisiltamuunnin käsittää dc-tu-25 lojännitteen Vb syöttöväylät tai -johtimet, joiden väliin on kytketty sarjaan kon-^ densaattoripari C1, C2 sekä kytkinpari M1, M2. Tehomuuntajan T ensiökäämi ^ N1 on kytketty kondensaattoreiden C1,C2 välisen liitospisteen Aja kytkimien 9 M1, M2 välisen liitospisteen B väliin. Muuntajan T kaksiosaisessa toisiokää- ^ missä N2, N3 on maadoitettu keskiotto ja päätynavat, jotka on kytketty tasa- | 30 suuntajadiodien D1 ja vastaavasti D2 kautta lähtökelalle L4, jonka perässä on ^ tasoituskondensaattori C3 ja kuormavastus Rload- DC-lähtöjännite Vout esiin- ^ tyy kondensaattorin C3 yli.

o Kytkimien M1, M2 toimintaa ohjataan virtamoodiohjaimella 10.

o w Muuntajan T ensiökäämin N1 läpi kulkeva virta mitataan mittausmuuntajalla 35 K1, jonka ensiökäämin läpi ensiövirta kulkee. Mittausmuuntajan K1 toisiokää- min generoitunut mittaussignaali syötetään virtamoodiohjaimelle 10. Virtamoo- 2 diohjain 10 kytkee ohjaussignaaleilla m1 ja m2 kytkimet M1, M2 vuorotellen päälle (ON). Kytkimen M1, M2 poiskytkentä (OFF) tapahtuu, kun mitattu ensiö-virta saavuttaa raja-arvon, jota säädetään tiedolla toisiojännitteen poikkeamalla halutusta arvosta. Tämä tieto saadaan esimerkiksi lähtöjännitetakaisinkytken-5 nän 11 kautta. Näin saadaan säädettyä lähtöjännitteen Vout taso halutuksi.

Puolisillan yleisesti tunnettu balansointiongelma syntyy ensiövirran mittauksen pienestäkin virheestä tai häiriöstä. Mikäli esimerkiksi kytkimen M2 ollessa johtavana (ON) ensiövirranmittaus sisältää häiriön, joka kasvattaa kytkimen M2 johtavuustilan aikaa (ton), tämä johtaa kondensaattorien C1,C2 kes-10 kipisteen A jännitteen Vm ajautumiseen hieman alaspäin. Kytkimen M2 seuraa-van johtavuusjakson aikana keskipisteen A jännite Vm ajautuu edelleen alemmaksi, vaikka häiriötä virranmittauksessa ei enää olisikaan, koska virran kasvattaminen virtarajaan vaatii enemmän aikaa ja sitä kautta keskipisteestä A puretaan sähkövarausta. Jännitteen muutos AU keskipisteessä A vaikuttaa säh-15 kova ra u kseen Q seu raavasti Q= C * AU =C * i*At, missä C= kapasitanssi Q= kapasitanssin sähkövaraus 20 AU= kapasitanssin jännitteen muutos i = ensiövirta

At = kytkimen johtavuusajan muutos

Pieni kytkimen M2 johtavuusajan (signaalin m2 käyttöjakson) piden-25 nys At aiheuttaa siis keskipisteen A jännitteen alentumisen arvolla AU, jolloin seuraavalla kytkimen M2 johtavuusjaksolla tarvitaan aikaa taas enemmän, jot-o ta saavutetaan ensiövirranmittauksen virtaraja.

CM

^ Tämän balansointiongelman vuoksi p u o I i s i I ta ky t ketty ä tasasähkö- ° muunninta käytettiin pitkään vain jännitemoodiohjattuna, jossa takaisinkytkentä 30 perustui yksinomaan lähtöjännitteen mittaukseen. Myöhemmin on esitelty eri-| laisia puolisiltakytkettyjä virtamoodiohjattuja tasasähkömuuntimia, joissa balance sointiongelmaa on yritetty ratkaista. Näiden kaikkien haittapuolena on kuitenkin

CO

^ suuri komponenttimäärä, mikä lisää tasasähkömuuntimen materiaali- ja työ- § kustannuksia.

™ 35 US6014326 esittää puolisillan, jossa tehomuuntajan ensiöpuoli on jaettu tehokäämiin ja balansointikäämiin, joilla on sama kierrosmäärä. Teho- 3 käännin ja balansointikäämin välinen väliotto muodostaa puolisillan keskipisteen. Balansointikäämin toinen pää on kytketty balansointidiodien kautta syöt-töjännitteeseen V,n ja maahan. Tämän seurauksena keskipiste pakotetaan jännitteeseen Vin/2, koska keskipisteen jännitteen ryömiessä pois arvosta Vin/2 5 balansointikäämin kautta kulkee virta, joka kompensoi ryöminnän, kun toinen balansointidiodeista johtaa varaten jompaakumpaa puolisillan kondensaattoreista, jolloin keskipisteen jännite siirtyy kohti arvoa VJ2. Virtamoodiohjaus käsittää virranmittausmuuntajan, joka mittaa sekä tehokäämin virran että balansointikäämin virran eri mittauskäämeillä ja tuottaa yhdistetyn virranmittaus-10 signaalin, jossa balansointikäämin mitattu virta on vähennetty tehokäämin mitatusta virrasta. Tämä ratkaisu lisää muuntajan materiaali-ja työkustannuksien lisäksi jonkin verran myös tehomuuntajan hajainduktanssia ja tehonkulutusta sekä heikentää kytkentä kerrointa, koska balansointikäämi tulee ensiö- ja toi-siokäämien väliin.

15 US5189601 esittää puolisillan balansointikytkennän, jolla pyritään eroon balansointikäämistä. Virtamoodiohjain mittaa virran, joka kulkee johtavaksi kytketyn kytkimen läpi, ja ohjaa kytkimen pois päältä, kun virta saavuttaa tietyn kynnystason. Sitten ohjain synnyttää ohjaussignaalin, joka kytkee toisen kytkimen päälle. Tämän toisen ohjaussignaalin pulssinleveys on sama kuin ai-20 ka, jonka ensimmäinen kytkin oli johtavana. Tällä järjestelyllä pidetään keskipisteen jännite vakiona ilman balansointikäämiä. Haittapuolena on monimutkainen virtamoodiohjain.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on uusi balansointimenetelmä ja balansointi-25 piiri, joilla vältetään balansointikäämi pienellä komponenttimäärällä. Keksinnön ς tavoite saavutetaan menetelmällä ja piirillä, joille on tunnusomaista se, mitä ^ sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuo- 9 dot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

^ Keksinnön eräänä piirteenä on puol isiltä kytketyn tasasähkömuunti- | 30 men ohjausmenetelmä, jossa mitataan virtamoodiohjatun puolisillan päämuun- ^ tajan ensiövirta ja ohjataan puolisillan ensiöpuolen kytkimien johtavuusaikoja toisiopuolen jännitetakaisinkytkennän ja mitatun ensiövirran perusteella. Ensiö-o virtamittaukseen aiheutetaan korjausvirhe, joka on suoraan verrannollinen puo- o ™ lisillan puolijännitteen poikkeamaan puolisillan tulojännitteen puolikkaasta ja 35 joka vaikuttaa ensiöpuolen kytkimien johtavuusaikoihin puolijännitteen poikkeamaa kompensoivasti. Tämän aikaansaaminen on mahdollista pienellä kompo- 4 nenttimäärällä eikä pääpiiriin tarvitse lisätä komponentteja. Sen sijaan vaikutetaan ensiövirranmittaukseen. Keksintö ei välttämättä vaadi muutoksia varsinaisessa kytkinten ohjaimessa, kuten pulssinleveysmodulaattorissa, jolle mitattu ensiövirta syötetään.

5 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti aiheutetaan mainit tuun ensiövirtamittaukseen korjausvirhe vain toisen kytkimen johtavuustilan aikana. Toisen kytkimen ohjaus tapahtuu korjaamattoman ensiövirtamittauksen avulla. Tämä on mahdollista, koska jännitetakaisinkytkentä kompensoi ulostu-lojännitteeseen tulevan muutoksen. Tämä edelleen yksinkertaistaa balansoin-10 tia ja vähentää komponenttien määrää.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti puolisillan puolijännit-teen poikkeama mitataan vain puolisillan yhdeltä puolelta, esimerkiksi ylemmän kondensaattorin yli. Tämä edelleen yksinkertaistaa balansointia ja vähentää komponenttien määrää.

15 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti mainittuun ensiövirta mittaukseen aiheutetaan korjausvirhe kasvattamalla tai pienentämällä mitattua ensiövirtaa puolijännitteen poikkeamaan verrannollisesti. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti puolisillan puolijännitteen poikkeama mitataan muodostamalla puolijännitteeseen verrannollisen virran ja tulojännitteeseen 20 verrannollisen virran erotus ja mainittu erotus lisätään mitattuun ensiövirtaan. Kytkimen johtavuusaika päättyy, kun korjattu mitattu ensiövirta saavuttaa toi-siopuolen jännitetakaisinkytkennän perusteella muodostetun raja-arvon.

Keksinnön eräs piirre on puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen ohjauspiiri, joka käsittää välineet virtamoodiohjatun puolisillan päämuuntajan en-25 siövirran mittaamiseksi ja ohjausvälineet virtamoodiohjatun puolisillan ensiö-puolen kytkimien johtavuusaikojen ohjaamiseksi toisiopuolen jännitetakaisin-o kytkennän ja mitatun ensiövirran perusteella. Ohjauspiiri käsittää lisäksi korja-

CVI

^ usvälineet, joilla aiheutetaan ensiövirtamittaukseen korjaus, joka on verrannol- ° linen puolisillan puolijännitteen poikkeamaan puolisillan tulojännitteen puolik- 30 kaasta ja joka vaikuttaa ensiöpuolen kytkimien johtavuusaikoihin puolijännit-| teen poikkeamaa kompensoivasti.

cm Keksinnön eräässä suoritusmuodossa korjausvälineet käsittävät vä- 00 lineet korjausvirran synnyttämiseksi, joka on verrannollinen puolijännitteen o poikkeamaan tulojännitteen puolikkaasta, ja välineet korjausvirran lisäämiseksi ^ 35 mitattuun ensiövirtaan. Ohjausvälineet on sovitettu ohjaamaan kytkin johtavas ta tilasta ei-johtavaan tilaan, kun korjausvirran ja mitatun ensiövirran summa 5 saavuttaa toisiopuolen jännitetakaisinkytkennän perusteella muodostetun raja-arvon. Keksinnön edullisissa suoritusmuodoissa ohjausväline käsittää pulssi-leveysmodulaattorin.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa välineet erovirran synnyttä-5 miseksi käsittävät virtapeilin, jossa tulojännitteeseen vastuksen kautta kytketyn toisen transistoriasteen kollektorivirta Ib määrätään olemaan yhtä suuri kuin puolijännitteeseen vastuksen kautta kytketyn ensimmäisen transistoriasteen kollektorivirta Im, jolloin virtapeilin lähtöön muodostuu erovirta lm-lb.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti mainitut välineet kor-10 jausvirran lisäämiseksi on sovitettu lisäämään korjausvirran mitattuun ensiövir-taan vain yhden ensiöpuolen kytkimen johtavuusajan korjaamiseksi.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa välineet korjausvirran lisäämiseksi käsittävät vastakkain kytketyt transistorit, jotka ohjataan johtavaksi samanaikaisesti toisen ensiöpuolen kytkimen kanssa 15 Keksinnön eräs piirre on p uo I i s i I ta ky t ketty virtaohjattu tasasähkö- muunnin, joka käsittää ensimmäisen kytkimen ja toisen kytkimen, jotka on kytketty sarjaan tulojännitenapojen väliin, jolloin kytkimien välissä on ensimmäinen kytkentäpiste, 20 ensimmäisen kondensaattorin ja toisen kondensaattorin, jotka on kytketty sarjaan tulojännitenapojen väliin, jolloin kondensaattorien välissä on toinen kytkentäpiste, tehomuuntajan, jolla on ensiökäämi, joka on kytketty ensimmäisen ja toisen kytkentäpisteen väliin, ja väliulosotolla varustettu toisiokäämi, 25 toisiopiirin ulostulojännitteen ja jännitetakaisinkytkennän muodosta miseksi, ja 5 keksinnön jonkin suoritusmuodon mukaisen ohjauspiirin.

(M

i o Kuvioiden lyhyt selostus ^ Keksintöä selostetaan nyt lähemmin esimerkinomaisten suoritus- | 30 muotojen yhteydessä viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää esimerkkinä virtamoodiohjatun puolisiltakytketyn ta- ^ sasähkömuuntimen periaatekytkennän; o Kuvio 2 esittää virtamoodiohjatun puolisiltakytketyn tasasähkömuun- o ^ timen periaatekytkennän, jossa on sovellettu keksinnön erään esimerkkisuori- 35 tusmuodon mukaista balansointipiiriä; ja 6

Kuvio 3 on kytkentäkaavio, joka esittää keksinnön erään esimerkki-suoritusmuodon mukaisen toteutuksen lohkoille B1 ja B2 kuvion 2 tasasähkö-muuntimessa.

Keksinnön esimerkkisuoritusmuotojen selitys 5 Kuvio 2 esittää esimerkkinä virtamoodiohjatun (current-mode cont rolled) puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen periaatekytkennän, jossa sovelletaan esillä olevaa keksintöä. Muunnin käsittää dc-tulojänniiteen Vb syöttö-väylät tai -johtimet, joiden väliin on kytketty sarjaan kondensaattoripari C1, C2 sekä puolijohdekytkinpari M1, M2. Puolijohdekytkimet M1 ja M2 voivat olla 10 esimerkiksi MOSFET-transistoreita ja ne ovat keskenään samanlaisia. Myös kondensaattorit C1 ja C3 ovat keskenään samanlaiset. Tehomuuntajan T en-siökäämi N1 on kytketty kondensaattoreiden C1, C2 välisen liitospisteen Aja kytkimien M1, M2 välisen liitospisteen B väliin. Muuntajan T kaksiosaisessa toisiokäämissä N1, N2 on maadoitettu keskiotto ja päätynavat, jotka on kytket-15 ty muuntimen lähtöasteelle. Lähtöasteen toteutus ei ole keksinnön kannalta tärkeä ja se voidaan toteuttaa millä tahansa sopivalla piirirakenteella. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa lähtöaste voi olla toteutettu kuvion 1 mukaisella tavalla, jolloin toisiokäämien N1, N2 päätynavat on kytketty tasasuuntaja-diodien D1 ja vastaavasti D2 kautta lähtökelalle L4, jonka perässä on tasoitus-20 kondensaattori C3 ja kuormavastus Rload- DC-lähtöjännite Vout esiintyy kondensaattorin C3 yli. Lähtöaste 21 muodostaa myös toisiojännitettä tai lähtöjän-nitettä Vout tai niiden virhettä edustavan takaisinkytkentäsignaalin Vf (esim. lähtöjännitettä edustava mittausjännite).

Muuntajan T ensiökäämin N1 kanssa sarjaan pisteiden A ja B väliin 25 on kytketty mittausmuuntajan K1 ensiökäämi, jonka läpi muuntaja T ensiövirta ^ kulkee. Mittausmuuntajan K toisiokäämiin generoitunut mittaussignaali, eli toi- ^ siojännite tai -virta, syötetään virtamoodiohjaimen lohkolle B4. Lohko B4 on 00 9 esimerkiksi kokoaaltotasasuuntaaja, joka tasasuuntaa mittausmuuntajan K toi- ^ siovirran. Lohkon B4 lähtö voi olla kytketty vastuksen R4 kautta maahan ja | 30 vastuksen R1 kautta pisteeseen CS, joka kytketty lohkon B3 yhteen sisääntu- loon. Kondensaattori C4 on kytketty pisteen CS ja maan väliin. Lohkon B4 ta- ^ sasuunnattu lähtövirta muodostaa vastuksen R4 yli jännitteen VR4, joka on ver- o rannollinen muuntajan T ensiövirtaan. Tämä jännite VR4 puolestaan lataa kon- o ™ densaattoria C4 vastuksen R1 kautta mittausvirralla les, joka on myös verran- 35 nollinen muuntajan T ensiövirtaan.

7

Lohko B3 on pulssileveysmodulaatioon (PWM) perustuva ohjain, joka ohjaa puolisiltaan kytkettyjä kytkimiä M1 ja M2. Lohkon B3 toinen sisääntulo on takaisinkytkentäsignaali Vf. Kuviossa 2 esitetyssä esimerkkisuoritusmuo-dossa kytkimien ohjaus tapahtuu pulssimuuntajan DT välityksellä. Ohjaus voi 5 kuitenkin olla toteutettu muillakin tavoilla, kuten optisesti optoerottimien avulla. Esimerkki suoritusmuodossa lohkon B3 ulostulo Out A on kytketty lohkon B2 ohjaussisääntuloon ja pulssimuuntajan DT ensiökäämin N1 (+)-napaan. Lohkon B3 toinen ulostulo Out B on kytketty pulssimuuntajan DT ensiökäämin N1 (-)-napaan. Muuntajalla DT on kaksi vastanapaisesti sijoitettua toisiokäämiä N2 10 ja N3. Toisiokäämin N2 (+)-napa on kytketty kytkimen M1 hilalle ja (-)-napa on kytketty pisteeseen B. Toisiokäämin N3 (-)-napa on kytketty kytkimen M2 hilalle ja (+)-napa on kytketty kytkimen M2 maanapaan.

Lohko B3 ohjaa kytkimet M1 ja M2 johtavaan tilaan vuorotellen tietyllä taajuudella kellotettuina ja säätää kytkimien johtavuusaikaa eli käyttöjak-15 soa (duty cycle) pulssinleveysmodulaatiolla. Molemmat kytkimet M1 ja M2 ovat johtamattomassa tilassa (OFF), kun lohkon B3 molemmat ohjauslähdöt Out A ja Out B ovat alhaalla (esim. maapotentiaali). Kytkin M1 ohjataan johtavaan tilaan (ON), kun ohjauslähtö Out A nousee ylös (esim. tulopotentiaali Vb) toisen ohjauslähdön Out B ollessa alhaalla. Kun mittausjännite Vcs, joka on verran-20 nollinen muuntajan T ensiökäämin N1 virtaan, ylittää takaisinkytkennän Vf määrittämän kynnystason, ts. ensiövirta on saavuttanut tietyn raja-arvon, lohkon B3 ohjauslähtö Out A siirtyy alas ja kytkin M1 ohjataan johtamattomaan tilaan (OFF). Vastaavasti Kytkin M2 ohjataan johtavaan tilaan (ON), kun ohjauslähtö Out B nousee ylös (esim. tulopotentiaali Vb) ohjauslähdön Out A olles-25 sa alhaalla. Kun mittausjännite, joka on verrannollinen muuntajan T ensiökäämin N1 virtaan, ylittää takaisinkytkennän VF määrittämän kynnystason, ts. en-5 siövirta on saavuttanut tietyn raja-arvon, lohkon B3 ohjauslähtö Out B siirtyy

CM

^ alas ja kytkin M2 ohjataan johtamattomaan tilaan (OFF).

° Kuten aikaisemmin todettiin, puolisillan yleisesti tunnettu balansoin- 30 tiongelma syntyy ensiövirran mittauksen pienestäkin virheestä tai häiriöstä. Μία; käli esimerkiksi kytkimen M2 ollessa johtavana (ON) ensiövirranmittaus sisäl- <m tää häiriön, joka kasvattaa kytkimen M2 johtavuustilan aikaa (ton), tämä johtaa

CO

^ kondensaattorien C1, C2 keskipisteen A jännitteen Vm ajautumiseen hieman o alaspäin. Kytkimen M2 seuraavan johtavuusjakson aikana keskipisteen A jän- ^ 35 nite Vm ajautuu edelleen alemmaksi, vaikka häiriötä virranmittauksessa ei enää 8 olisikaan, koska virran kasvattaminen virtarajaan vaatii enemmän aikaa ja sitä kautta keskipisteestä A puretaan sähkövarausta.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti virtamoodiohjattu puo-lisilta balansoidaan aiheuttamalla tehomuuntajan T ensiövirran mittaukseen ta-5 hallinen ’’vastahäiriö” tai virhe, joka on suoraan verrannollinen jännitteen Vm poikkeamaan tulojännitteen Vb puolikkaasta Vb/2. Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa korjataan vain toisen kytkimen M1 tai M2 johtavuusaikaa. Seuraavassa kuvataan esimerkkinä kuinka voidaan korjata aikaa, jonka kytkin M1 on kytkettynä johtavaksi. Samalla periaatteella voidaan vaihtoehtoisesti to-10 teuttaa kytkimen M2 johtavuusajan korjaus.

Kuten edellä todettiin, kondensaattorit C1 ja C2 on kytketty sarjaan tulojännitteen Vin=Vb ja maan (tai muun potentiaalin) väliin. Ideaalitilanteessa kondensaattoreiden C1 ja C2 välisen liitospisteen A jännite Vm on puolet tulo-jännitteestä, eli Vm=Vb/2. Tulojännite Vb on kytketty vastuksen R2 kautta loh-15 kon B1 yhteen sisääntuloon ja jännite Vm on kytketty vastuksen R3 kautta lohkon B1 toiseen sisääntuloon, jolloin vastuksen R2 läpi kulkee tulojännitteeseen Vb verrannollinen virta lb=Vb/R2 ja vastuksen R3 läpi kulkee jännitteeseen Vm verrannollinen virta lm=Vm/R3. Lohko B1 muodostaa virtojen Im ja Ib erotuksen lm-lb. Keksinnön esimerkkisuoritusmuodossa valitaan vastukset R2 ja R3 20 siten, että R2=2*R3, jolloin tasapainotilanteessa lm-lb=0, koska Vb=2*Vm.

Kuvio 3 esittää esimerkin lohkojen B1 ja B2 toteutuksesta. Lohko B1 on kaikkein yksinkertaisimmillaan pelkkä virtapeili. Virtapeilissä voidaan käyttää erillisiä transistoreita (Q1,Q2) tai erityistä virtapeiliä (matched double transistor. Kuviossa 3 lohko B1 käsittää virtapeiliksi kytketyt npn-bipolaaritransisto-25 rit Q1 ja Q2 (emitterit ja kannat on kytketty yhteen ja transistorin Q1 kollektori on kytketty kantaan), joiden kollektorit (lohkon B1 sisääntulot) on kytketty vas-5 taavasti vastuksille R3 ja R2. Lohkon B1 lähtö (virta lm-lb) otetaan transistorin

(M

^ Q2 kollektorilta. Virtapeilissä voidaan määrätä toisen transistorin kollektorivirta ° toisen transistorin kollektorivirtaa vastaavaksi (=peilaus). Keksinnön tarkoitusta 30 varten voidaan virta Ib (esimerkissä transistorin Q2 kollektorivirta) määrätä | olemaan yhtä suuri kuin lm=Vm/R3 (esimerkissä transistorin Q1 kollektorivir- (m ta). Transistorien kanta-emitterijännitteet voidaan jättää huomioimatta, koska

CO

^ ne eivät pienuutensa vuoksi vaikuta balansointivirtoihin (0.6V«Vm).

o Lohkon B1 virtapeili toimii seuraavasti. Olkoon AU jännitemuutos ^ 35 kondensaattorien C1 ja C2 yhdyspisteessä A. Tällöin erovirta lm-lb voidaan esittää seuraavasti 9

Im = Vm/R3 = (Vb/2+AU)/R3

Ib = Vb/R2 = (Vb/2*R3) 5

Im-lb = AU/R3

Mikäli AU on positiivinen (Vm > Vb/2), on lohkon B1 antama virta Im-lb positiivinen. Mikäli taas AU on negatiivinen (Vm < Vb/2), on lohkon B1 10 antama virta Im-lb negatiivinen, toisin sanoen lohko B1 ottaa virtaa lohkolta B2 ja/tai pisteestä CS.

Erovirta Im-lb kytketään pisteeseen CS kytkentälohkolla B2, jota ohjataan lohkon B3 ohjauslähdöllä Out A. Lohko B3 voidaan yksinkertaisimmillaan toteuttaa yhdellä puolijohdekytkimellä, kuten n-kanava FET. Sen parasiit-15 tiset kapasitanssit (Cin, Cos) voivat kuitenkin olla liian suuret, jolloin FETin ohjaus (OUT/PWM) saattaa häiritä balansointia. Kuvion 3 esimerkissä lohko B2 on toteutettu vastakkain kytketyillä npn-bipolaaritransistoreilla Q3 ja Q4, millä saavutetaan parempi toiminta. Transistorin Q3 kollektori, kanta ja emitteri on kytketty vastaavasti transistorin Q4 emitteriin, kantaan ja kollektoriin. Ohjaus 20 OutA/PWM on kytketty transistoreiden kannoille vastuksen R5 kautta. Kun OutA/PWM on ylhäällä, molemmat transitorit Q3 ja Q4 johtavat, mutta eri suuntiin. Kun erovirta Im-lb on positiivinen, se kulkee transistorin Q3 kautta lohkon B1 ulostulosta pisteeseen CS. Kun erovirta Im-lb on negatiivinen, se kulkee transistorin Q4 kautta pisteestä CS lohkon B1 ulostuloon.

25 Toisin sanoen kytkentälohko B2 lisää erovirran Im-lb pisteeseen CS, kun ohjauslähtö Out A siirtyy ylös ja kytkin M1 kytkentään johtavaksi. Täl-o löin kondensaattoria C4 ladataan mittausvirran les ja erovirran Im-lb summalla.

(M

^ Jos jännite Vm on suurempi kuin Vb/2, erovirta Im-lb on positiivinen, jolloin se ° kasvattaa kondensaattoria C4 lataavaa summavirtaa. Tällöin mittausjännite Vcs 30 pisteessä CS saavuttaa takaisinkytkennän Vf määrittämän kynnystason, ts. | ensiövirralle asetetun raja-arvon, hieman aikaisemmin kuin ilman korjausta ja cvj kytkimen M1 johtavuusaika jää lyhyemmäksi. Tämä aiheuttaa sen, että kon-

CO

densaattoreiden C1 ja C2 keskipisteeseen tuotu varaus jää pienemmäksi, jo-o ten jännite Vm kasvaa vähemmän kuin ilman korjausta. Vastaavasti, jos jännite ™ 35 Vm on pienempi kuin Vb/2, erovirta Im-lb on negatiivinen, jolloin se pienentää kondensaattoria C4 lataavaa summavirtaa. Tällöin mittausjännite Vcs pisteessä 10 CS saavuttaa takaisinkytkennän VF määrittämän kynnystason, ts. ensiövirralle asetetun raja-arvon, hieman myöhemmin kuin ilman korjausta ja kytkimen M1 johtavuusaika tulee pidemmäksi. Tämä aiheuttaa sen, että kondensaattoreiden C1 ja C2 keskipisteeseen tuotu varaus on suurempi ja jännite Vm kasvaa 5 enemmän kuin ilman korjausta.

Erovirtaa lm-lb ei keksinnön esimerkkisuoritusmuodossa kytketä pisteeseen CS, kun ohjauslähtö Out A on alhaalla ja kytkin M2 on johtavana. Tämä ei aiheuta lähtöjännitteeseen Vout muutosta, koska jännitettä Vm korjattaessa lähtöjännitteen Vout takaisinkytkentä reagoi korjaukseen samansuun-10 taisesti: jos esimerkiksi lyhennetään kytkimen M1 johtavuusaikaa, muuntajan T toisiojännite pyrkii alenemaan, jolloin takaisinkytkennän VF määrittämä kynnys-taso nousee ja kytkin M2 (johon keksinnön mukainen korjaus ei vaikuta) tulee olemaan johtavana hieman pidempään korjaten muutoksen.

Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät rajoitu yllä kuvattuihin esi-15 merkkeihin, vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

0

(M

CO

cp

X

cc

CL

(M

CO

LO

01 o o

(M

Claims (11)

1. Puol isiltä kytketyn tasasähkömuuntimen ohjausmenetelmä, jossa mitataan (K1,B4) virtamoodiohjatun puolisillan (M1,M2,C1,C2) pää- muuntajan (T) ensiövirta, 5 ohjataan (B3) puolisillan ensiöpuolen kytkimien (M 1,M2) johtavuus- aikoja toisiopuolen jännitetakaisinkytkennän (VF,Vin) ja mitatun ensiövirran (les) perusteella, tunnettu siitä, että: mitataan puolisillan puolijännitteen (Vm) poikkeama muodostamalla 10 puolijännitteeseen (Vm) verrannollisen virran (Im) ja tulojännitteeseen (Vb.Vin) verrannollisen virran (Ib) erotus (Im-lb), lisätään mainittu erotus (Im-lb) mitattuun ensiövirtaan (les), niin että aiheutetaan ensiövirtamittaukseen korjausvirhe (Im-lb), joka on suoraan verrannollinen puolisillan puolijännitteen (Vm) poikkeamaan puolisillan tulojännit-15 teen (VbVin) puolikkaasta ja joka vaikuttaa ensiöpuolen kytkimien (M1 ,M2) joh-tavuusaikoihin puolijännitteen (Vm) poikkeamaa kompensoivasti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aiheutetaan mainittu ensiövirtamittauksen korjausvirhe (Im-lb) vain 20 toisen kytkimen (M1) johtavuustilan aikana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan puolisillan puolijännitteen poikkeama vain puolisillan yhdeltä puolelta.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnet- ^ t u siitä, että o päätetään kytkimen (M1,M2) johtavuusaika, kun korjattu mitattu en- oö siövirta saavuttaa toisiopuolen jännitetakaisinkytkennän (VF,Vin) perusteella o muodostetun raja-arvon.

5. Puolisiltakytketyn tasasähkömuuntimen ohjauspiiri, joka käsittää £ välineet (K1 ,B4,R1 ,R4,C4) virtamoodiohjatun puolisillan päämuunta- jän (T) ensiövirran mittaamiseksi, iö ohjausvälineet (B3) virtamoodiohjatun puolisillan (M1,M2,C1,C2) σ> § ensiöpuolen kytkimien (M1,M2) johtavuusaikojen ohjaamiseksi toisiopuolen CM 35 jännitetakaisinkytkennän (Vf,Vin) ja mitatun ensiövirran (les) perusteella, tunnettu siitä, että ohjauspiiri lisäksi käsittää välineet (B1) puolisillan puolijännitteen (Vm) poikkeaman mittaamiseksi muodostamalla korjausvirta, joka on puolijännitteeseen (Vm) verrannollisen virran (Im) ja tulojännitteeseen (Vb.Vin) verrannollisen virran (Ib) erotus (Im-lb), 5 välineet (B2) mainitun erotuksen (Im-lb) summaamiseksi mitattuun ensiövirtaan (les) korjausvirtana (Im-lb), joka on verrannollinen puolisillan puolijännitteen (Vm) poikkeamaan puolisillan tulojännitteen (Vb.Vin) puolikkaasta ja joka vaikuttaa ensiöpuolen kytkimien (M1,M2) johtavuusaikoihin puolijännitteen (Vm) poikkeamaa kompensoivasti.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, että ohjausvälineet (B3) on sovitettu ohjaamaan kytkin (M1) johtavasta tilasta ei-johtavaan tilaan, kun korjausvirran (Im-lb) ja mitatun ensiövirran (les) summa saavuttaa toisiopuolen jännitetakaisinkytkennän (VF,11) perusteella 15 muodostetun raja-arvon.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen ohjauspiiri tunnettu siitä, että mainitut välineet (B1) erovirran synnyttämiseksi käsittävät virtapeilin, jossa tulojännitteeseen (Vin) vastuksen (R2) kautta kytketyn toisen transistoriasteen (Q2) kollektorivirta Ib määrätään olemaan yhtä suuri kuin puolijännit- 20 teeseen (Vm) vastuksen (R3) kautta kytketyn ensimmäisen transistoriasteen (Q1) kollektorivirta Im, jolloin virtapeilin lähtöön muodostuu erovirta Im-lb.

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, että mainitut välineet (B2) korjausvirran lisäämiseksi on sovitettu lisäämään korjausvirran (Im-lb) mitattuun ensiövirtaan (les) vain yhden ensiöpuolen 25 kytkimen (M1) johtavuusajan korjaamiseksi.

9. Patenttivaatimuksen 5, 6, 7 tai 8 mukainen ohjauspiiri, tunnet- o t u siitä, että mainitut välineet (B2) korjausvirran lisäämiseksi käsittävät vas- <M ^ takkain kytketyt transistorit (Q3,Q4), jotka ohjataan johtavaksi samanaikaisesti ° toisen ensiöpuolen kytkimen (M1) kanssa.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 5 - 9 mukainen ohjauspiiri, tun- | n e 11 u siitä, että ohjausväline (B3) käsittää pulssileveysmodulaattorin. cvj

11. Puol isiltä kytketty virtaohjattu tasasähkömuunnin, tunnettu CO siitä, että se käsittää o ensimmäisen kytkimen (M1) ja toisen kytkimen (M2), jotka on kyt- ^ 35 ketty sarjaan tulojännitenapojen väliin, jolloin kytkimien välissä on ensimmäi nen kytkentäpiste (B), ensimmäisen kondensaattorin (C1) ja toisen kondensaattorin (C2), jotka on kytketty sarjaan tulojännitenapojen väliin, jolloin kondensaattorien välissä on toinen kytkentäpiste (A), tehomuuntajan (T), jolla on ensiökäämi (N1), joka on kytketty en-5 simmäisen ja toisen kytkentäpisteen väliin, ja väliulosotolla varustettu toi-siokäämi (N2,N3), toisiopiirin (21) ulostulojännitteen (Vout)ja jännitetakaisinkytkennän (VF,11) muodostamiseksi, ja jonkin patenttivaatimuksen 5-10 mukaisen ohjauspiirin. 10 δ CM ab o x cc CL CM CO δ σ> o o CM