WO2006136358A2 - Steueranordnung und schaltungsanordnung zum konvertieren einer gleichspannung in eine gleichgerichtete spannung - Google Patents

Steueranordnung und schaltungsanordnung zum konvertieren einer gleichspannung in eine gleichgerichtete spannung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a control arrangement for operating a circuit arrangement for converting a DC voltage into a rectified voltage and such a circuit arrangement.
  • Circuit arrangements for converting a DC voltage into a rectified voltage are used in a number of areas of electronics such as mobile communication technology and industrial electronics. Such a circuit arrangement can be designed to generate a rectified voltage, which is smaller than the supplied DC voltage. With such circuit arrangements, however, a rectified voltage can be generated which is greater than the applied DC voltage.
  • Object of the present invention is to provide a control arrangement for operating a .
  • a control arrangement for operating a circuit arrangement for converting a DC voltage into a rectified voltage comprising: a means for detecting a period duration and a
  • Phase information of a vibration whose first input is coupled to a first terminal of the control arrangement and whose second input is coupled to a second terminal of the control arrangement, which serve for connection to a resonant circuit a control circuit connected to a first input to an output of the means for detecting a period and a phase information and at a second input to a third terminal of the control arrangement is coupled to supply a voltage derived from a rectified voltage, a switch with a controlled path, which couples a fourth terminal of the control arrangement with a reference potential terminal, and a control terminal connected to an output of the control circuit for exciting a vibration in the oscillation circuit by means of the DC voltage.
  • the control arrangement comprises the means for detecting a period duration and a phase information of the oscillation.
  • the control arrangement further comprises the control circuit which is connected on the input side to the output of the means for detecting a period duration and a phase information and to the third terminal of the control arrangement.
  • the third terminal of the control arrangement is used to supply a voltage which can be derived from the rectified voltage to form a feedback. It is thus formed a control loop.
  • the control arrangement further comprises the switch which connects the fourth connection of the control arrangement with the reference potential connection.
  • the switch is connected at its control connection to the output of the control circuit.
  • the switch serves to excite the oscillation in the resonant circuit which can be connected to the control arrangement.
  • the control circuit serves to drive the switch in such a way that a current can flow from a DC voltage input, to which the DC voltage is applied, through the oscillating circuit and through the controlled path to the reference potential terminal.
  • the current is used to excite the oscillation of the resonant circuit.
  • the means for detecting a period duration and a phase information of a vibration provides a signal to the control circuit so that the control circuit can switch the switch periodically alternately to an open state and a closed state at a suitable period in a period of oscillation.
  • the means for detecting a period duration and a phase information comprises a comparator.
  • an analog-to-digital converter is provided in the control arrangement, which serves to detect the magnitude of the rectified voltage.
  • the switch is designed as a semiconductor switch.
  • the switch may comprise a bipolar transistor.
  • the switch comprises a field effect transistor.
  • the transistor may be a junction field effect transistor.
  • the transistor is a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.
  • the transistor may be a p-channel field effect transistor.
  • the transistor is an n-channel field effect transistor.
  • the transistor is thus advantageously designed as an n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.
  • the control circuit may be a microcontroller.
  • the control comprise a digital circuit and an analog circuit.
  • the voltage of the oscillation may have a sinusoidal course.
  • the control circuit is designed such that the switch is in each case switched to an open state when the voltage of the oscillation of the oscillatory circuit reaches a minimum at the vertex of the lower half-cycle.
  • the control circuit may advantageously be designed to switch the switch to an open operating state at a phase of 270 ° or 1.5 * ⁇ of the sinusoidal profile.
  • control circuit may be arranged to periodically switch the switch to the closed operating state for each duration, which depends on an amount of the rectified voltage.
  • the circuit arrangement may be designed to control the duration of the closed operating state of the switch such that the duration is longer when the rectified voltage falls below a predetermined voltage value, and that the duration is shorter when the rectified voltage exceeds the predetermined voltage value.
  • control circuit comprises a signal input for supplying information about a default value for the rectified voltage.
  • a clock ratio which is formed from the duration of the closed state of the switch to the period of the oscillation, can be controlled.
  • the means for detecting a period duration and a phase information, the control circuit and the analog-digital Transducers can be connected to the reference potential connection for their power supply and a further connection for supplying a supply voltage.
  • the further connection may be the DC voltage connection.
  • the control arrangement can be realized on a semiconductor body.
  • the control arrangement can be realized by means of a complementary metal oxide semiconductor integration technology, abbreviated CMOS integration technology.
  • CMOS integration technology abbreviated CMOS integration technology.
  • the control arrangement can be realized by means of a high-voltage CMOS integration technique.
  • a circuit arrangement may include the control arrangement and a resonant circuit whose first and second terminals are coupled to the first and second terminals of the control arrangement.
  • the resonant circuit may comprise a series connection of a capacitor and an inductance.
  • the resonant circuit comprises a parallel connection of the capacitor and the inductance.
  • the resonant circuit is with the first
  • the resonant circuit is coupled with the first terminal to the DC voltage terminal and to the second terminal via the controlled path of the circuit to the reference potential terminal.
  • the circuit arrangement comprises a transformer. This is the input side connected to the resonant circuit.
  • the primary side of the transformer comprises the first inductance of the resonant circuit.
  • the secondary side of the transformer comprises a second inductor.
  • the circuit arrangement may further comprise a rectifier, which is coupled to the further inductance.
  • the rectifier is designed to rectify the AC voltage applied to the secondary side of the transformer and to provide the rectified voltage at two taps.
  • the rectifier may be a bridge rectifier or a mid-point circuit. In another embodiment, the rectifier is a half-wave rectifier.
  • a tap of the rectifier can be connected to the reference potential connection.
  • a voltage divider comprising a series circuit comprising two resistors may connect another tap of the rectifier circuit to the reference potential terminal.
  • a node of the series connection which lies between the two resistors of the series circuit, can serve for picking up a voltage derived from the rectified voltage.
  • the node of the series circuit may be connected to a fourth input of the control arrangement.
  • the second inductance may comprise a smaller number of turns than the first inductance, so that the circuit is used for generating a rectified voltage, which is smaller than the DC voltage.
  • the second inductance comprises a larger number of turns than the first inductance, so that the circuit arrangement is designed to generate a rectified voltage that is greater than the DC voltage.
  • a voltage of 1 kV to 5 kV can be obtained as a rectified voltage.
  • the frequency of the oscillation may be between 30 kHz and 50 kHz.
  • the proposed principle has an advantage:
  • the transformer and the entire arrangement have only two inductances, i. H. two coils, up.
  • the arrangement can be realized by means of a high-voltage complementary metal oxide semiconductor process, abbreviated to high-voltage CMOS process.
  • the resonant circuit is located on the primary side of the transformer so that the period and the phase information can be easily tapped.
  • the rectified voltage can be digitally controlled.
  • the function of the circuit does not depend on a quality of an oscillator frequency to be supplied. No power transistor is needed. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to FIGS.
  • FIG. 1 shows an exemplary circuit arrangement for
  • Figure 2 shows exemplary waveforms of the circuit arrangement according to the proposed principle.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of a control arrangement for operating a circuit arrangement for converting a DC voltage U-IN into a rectified voltage U-OUT according to the proposed principle using a circuit diagram.
  • a control circuit 5 is connected at an output 53 to an input 61 of a switch 6 which has a controlled path 62.
  • the controlled path 62 connects a fourth connection 14 of the control arrangement 1 to a fifth connection 15 of the control arrangement 1.
  • a reference potential connection 8 is connected to the fifth connection 15 of the control arrangement 1.
  • a first input 51 of the control circuit 5 is connected to an output 23 of a means for detecting a period duration and phase information 2.
  • the means for detecting a period duration and phase information 2 in the exemplary embodiment is a comparator 24; However, it may be a differently designed measuring device, which provides at its output a digital measurement signal with the information about period duration and phase.
  • a second input 52 of the control circuit 5 is coupled to a third terminal 13 of the control arrangement 1. The coupling may include an analog-to-digital converter 4.
  • a control input 54 of the control circuit 5 may be a reset input.
  • the control input 54 may also serve to supply start information to the control circuit 5.
  • the start information may include a default value for the rectified voltage U-OUT.
  • the means for detecting a period duration and a phase information has a first and a second input 21, 22, which are coupled to a first and a second terminal 11, 12 of the control arrangement 1.
  • the first and second terminals 11, 12 of the control arrangement 1 serve to connect a resonant circuit 3.
  • the resonant circuit 3 comprises a capacitor 32 and a first inductance 33, which are connected in parallel, and a resistor 36, which is connected in series with the parallel circuit the
  • Capacitor 32 and the first inductance 33 is connected.
  • the resonant circuit is connected at its first terminal 34 to the first terminal 11 of the control arrangement 1 and to a DC voltage terminal 9. At the DC voltage terminal 9 is applied to the DC voltage U-IN.
  • the oscillating circuit 3 is connected at its second connection 35 to the second and the fourth connection 12, 14 of the control arrangement 1.
  • the first inductance 33 forms the primary side of a transformer 37.
  • a second inductance 38 Connected to the second inductance 38 is a rectifier 31.
  • a first Terminal of the second inductor 38 is connected to a first terminal of a capacitor 47.
  • a second terminal of the capacitor 47 is connected to a positive side of a diode 48.
  • the negative side of the diode 48 is connected to a second terminal of the second inductance 38 and to the reference potential terminal 8.
  • the second terminal of the capacitor 47 is further connected to a negative terminal of a diode 43.
  • the positive terminal of the diode 43 is connected to a first terminal of a capacitor 39 and a first tap of the rectifier 31.
  • a second terminal of the capacitor 39 is connected to a second tap of the rectifier 31 and the negative terminal of the diode 48.
  • the rectified voltage U-OUT can be tapped.
  • the first terminal of the capacitor 39 is connected to the reference potential terminal 8 via a voltage divider.
  • the voltage divider 44 comprises two resistors. A node 45 between the two resistors is coupled to the third terminal 13 of the control arrangement 1. At the node 45 of the voltage divider 44, a signal can be tapped, which is derivable from the rectified voltage U-OUT.
  • the two resistors of the voltage divider 44 are designed high impedance.
  • the controlled path 63 is switched by the control circuit 5 to an open state, no further current flows through the controlled path 62.
  • the resonant circuit 3 has energy in the capacitor 32 and in the coil 33, so that a vibration occurs. In this oscillation, energy is periodically transferred from the capacitor 32 to the coil 33 and transferred back. Due to the alternating current in the first inductance 33, a changing magnetic field is generated in the transformer 37, which leads to a periodically changing current in the second inductance 38. This periodically changing current is converted by the rectifier circuit 31 into a rectified voltage U-OUT. In the embodiment shown, the rectified voltage U-OUT is a negative voltage. In another embodiment, the transmission directions of the diameters 43, 48 may be reversed in order to generate a positive voltage.
  • Information about the magnitude of the rectified voltage U-OUT is fed back to the control arrangement 1.
  • a tap of the rectifier circuit 31 is connected to the reference potential terminal 8 via a high-impedance series circuit 44.
  • the information about the magnitude of the rectified voltage U-OUT is supplied to the control arrangement 1 and in the control arrangement 1 to the control circuit 5.
  • the signal derived from the rectified voltage U-OUT is converted by means of an analog-to-digital converter 4 into a digital signal.
  • the means for detecting a period and a phase information 2 is used to supply the control circuit 5 with information about the period or frequency of the oscillation in the resonant circuit 3 and the phase position. Based on this information, the control circuit 5 is able to switch the switch 6 to an open state at a suitable time and to an open state at another appropriate time. By selecting suitable times for the periodic switching to an open and a closed operating state, the oscillation in the resonant circuit 3 is excited.
  • the switch 6 is closed only when a current to excite the oscillation in the resonant circuit 3 should flow.
  • FIG. 2 shows signal sequences as a function of time t in a control arrangement according to the proposed principle.
  • FIG. 2 shows a signal U-C underneath which is applied to the output 23 of the comparator 24 as a function of the time t.
  • This signal has the logic level 1 during the duration of the first half-wave and the logic level 0 during the duration of the second half-wave.
  • FIG. 2 shows a signal UT, which is the control signal present at the switch 6.
  • the control circuit 5 provides the signal UT at the output 53.
  • the switch 6 is opened in this embodiment when the voltage of the oscillation reaches a minimum enough. This is the case with a phase angle of 270 ° or 1.5 * ⁇ .
  • the switch 6 is closed at a time t2 and opened at a time t3, wherein the distance from t2 to t3 represents a pulse duration.
  • This pulse duration is a function of the rectified voltage U-OUT achieved. If the rectified voltage U-OUT achieved is lower than a preset value, the pulse duration is increased. Conversely, the pulse duration is reduced if the rectified voltage U-OUT is higher than the default value.
  • control circuit 5 is designed to measure the period and to determine the times t2 and t3 from the default value of the rectified voltage and the actual value of the rectified voltage.
  • the oscillation is thus energy-efficiently excited.

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Abstract

Eine Steueranordnung (1) zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung (U-IN) in eine gleichgerichtete Spannung (U-OUT) umfasst ein Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) einer Schwingung, welche ein Schwingkreis (3) zeigt, wobei der Schwingkreis (3) an die Steueranordnung gekoppelt ist. Die Steueranordnung (1) umfasst ferner eine Steuerungsschaltung (5), die mit dem Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) und mit einem Anschluss (13) der Steueranordnung (1) zur Zuführung einer Spannung gekoppelt ist, welche von einer gleichgerichteten Spannung (U-OUT) abgeleitetet ist. Weiter umfasst die Steueranordnung (1) einen Schalter (6), der zum Anregen einer Schwingung in dem Schwingkreises (3) dient.

Description

Beschreibung
Steueranordnung und Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steueranordnung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung sowie eine derartige Schaltungsanordnung.
Schaltungsanordnungen zum Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung werden in einer Reihe von Bereichen der Elektronik wie beispielsweise der mobilen Kommunikationstechnik und der industriellen Elektronik einge- setzt. Eine derartige Schaltungsanordnung kann zum Erzeugen einer gleichgerichteten Spannung, welche kleiner als die zugeführte Gleichspannung ist, ausgelegt sein. Mit derartigen Schaltungsanordnungen kann jedoch auch eine gleichgerichtete Spannung erzeugt werden, die größer als die angelegte Gleich- Spannung ist.
Übliche derartige Schaltungsanordnungen setzen zuerst die zugeführte Gleichspannung in eine WechselSpannung um, welche anschließend wieder in eine gleichgerichtete Spannung konver- tiert wird.
Es ist ein Nachteil dieser Schaltungen, dass bei der Spannungswandlung Energieveriuste auftreten und die gleichgerichtete Spannung nicht genau eingestellt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steueranordnung zum Betreiben einer .Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung sowie eine derartige Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Kosten günstige Realisierung und einen energieeffizienten Betrieb ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Anordnung gelöst durch eine Steueranordnung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung, umfassend: - ein Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer
Phaseninformation einer Schwingung, dessen erster Eingang mit einem ersten Anschluss der Steueranordnung und dessen zweiter Eingang mit einem zweiten Anschluss der Steueranordnung, welche zur Verbindung mit einem Schwingkreis dienen, gekoppelt ist, eine Steuerungsschaltung, die an einem ersten Eingang mit einem Ausgang des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation und an einem zweiten Eingang mit einem dritten Anschluss der Steueranordnung zur Zuführung einer Spannung gekoppelt ist, welche von einer gleichgerichteten Spannung abgeleitetet ist, einen Schalter mit einer gesteuerten Strecke, die einen vierten Anschluss der Steueranordnung mit einem Bezugspotentialanschluss koppelt, und mit einem Steueranschluss, der zum Anregen einer Schwingung in dem Schwingkreises mittels der Gleichspannung mit einem Ausgang der Steuerungsschaltung verbunden ist.
Die Steueranordnung umfasst das Mittel zum Erfassen einer Pe- riodendauer und einer Phaseninformation der Schwingung. Dazu sind die beiden Eingänge des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation mit zwei Anschlüssen der Steueranordnung gekoppelt, welche zum Anschluss eines Schwingkreises dienen.
Die Steueranordnung umfasst weiter die Steuerungsschaltung, welche eingangsseitig mit dem Ausgang des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation und mit dem dritten Anschluss der Steueranordnung verbunden ist . Der dritte Anschluss der Steueranordnung dient zur Zuführung einer Spannung, die von der gleichgerichteten Spannung unter Bildung einer Rückführung ableitbar ist. Es wird somit eine Regelschleife gebildet.
Die Steueranordnung umfasst weiter den Schalter, der den vierten Anschluss der Steueranordnung mit dem Bezugspotenzi- alanschluss verbindet. Der Schalter ist an seinem Steueran- schluss mit dem Ausgang der Steuerungsschaltung verbunden. Der Schalter dient zum Anregen der Schwingung in dem an die Steueranordnung anschließbaren Schwingkreis.
Die Steuerungsschaltung dient zum Ansteuern des Schalters derart, dass ein Strom von einem Gleichspannungseingang, an dem die Gleichspannung anliegt, durch den Schwingkreis und durch die gesteuerte Strecke zum Bezugspotenzialanschluss fließen kann. Der Strom dient zum Anregen der Schwingung des Schwingkreises. Das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation einer Schwingung stellt der Steuerungsschaltung ein Signal zur Verfügung, so dass die Steuerungsschaltung zu einem geeigneten Zeitraum in einer Periode der Schwingung den Schalter periodisch abwechselnd in einen offenen und in einen geschlossenen Zustand schalten kann.
Es ist ein Vorteil der Steueranordnung, dass aufgrund der Erfassung der Periodendauer und der Phaseninformation der Schwingung die Anregung der Schwingung zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, der einen hohen Wirkungsgrad der Anordnung ermöglicht .
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation einen Komparator .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Steueranord- nung ein Analog-Digital -Wandler vorgesehen, welcher zur Erfassung der Höhe der gleichgerichteten Spannung dient .
In einer Weiterbildung ist der Schalter als ein Halbleiterschalter ausgeführt. Der Schalter kann einen Bipolartran- sistor umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schalter einen Feldeffekttransistor.
Der Transistor kann ein Junction-Feldeffekttransistor sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transistor ein Metall -Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor.
Der Transistor kann ein p-Kanal-Feldeffekttransistor sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transistor ein n- Kanal-Feldeffekttransistor .
Besonders bevorzugt ist somit mit Vorteil der Transistor als ein n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgelegt .
Die Steuerungsschaltung kann ein MikroController sein. In eine bevorzugten Ausführungsform, weil mit kleinerem Flächenaufwand und kostengünstiger realisierbar, kann die Steue- rungsschaltung eine Digitalschaltung und eine Analogschaltung umfassen.
Die Spannung der Schwingung kann einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungsschaltung so ausgelegt, dass der Schalter jeweils in einen offenen Zustand geschaltet ist, wenn die Spannung der Schwingung des Schwingkreises ein Minimum am Scheitelpunkt der unteren Halbwelle erreicht. In diesem Fall kann mit Vor- teil die Steuerungsschaltung so ausgelegt sein, den Schalter bei einer Phase von 270° bzw. 1,5 * π des sinusförmigen Verlaufs in einen offenen Betriebszustand zu schalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerungs- Schaltung dazu eingerichtet sein, den Schalter periodisch für je eine Dauer in den geschlossenen Betriebszustand zu schalten, welche von einem Betrag der gleichgerichteten Spannung abhängt. Die Schaltungsanordnung kann so ausgelegt sein, die Dauer des geschlossenen Betriebszustands des Schalters derart zu steuern, dass die Dauer länger ist, wenn die gleichgerichtete Spannung einen vorgegebenen Spannungswert unterschreitet, und dass die Dauer kürzer ist, wenn die gleichgerichtete Spannung den vorgegebenen Spannungswert überschreitet .
In einer Weiterbildung umfasst die Steuerungsschaltung einen Signaleingang zur Zuführung einer Information über einen Vorgabewert für die gleichgerichtete Spannung. In Abhängigkeit von dem Vorgabewert kann ein Taktverhältnis, welches aus der Dauer des geschlossenen Zustands des Schalters zu der Perio- dendauer der Schwingung gebildet ist, gesteuert sein.
Das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation, die Steuerungsschaltung und der Analog-Digital- Wandler können zur ihrer Energieversorgung an den Bezugspo- tenzialanschluss und einen weiteren Anschluss zur Zuführung einer VersorgungsSpannung angeschlossen sein.
In einer anderen Ausführungsform kann der weitere Anschluss der Gleichspannungsanschluss sein.
Die Steueranordnung kann auf einem Halbleiterkörper realisiert sein. Die Steueranordnung kann mittels einer komplemen- tären Metall Oxid Halbleiter-Integrationstechnik, abgekürzt CMOS- Integrationstechnik, realisiert sein. Mit Vorteil kann die Steueranordnung mittels einer Hochspannung-CMOS-Integrationstechnik realisiert sein.
Eine Schaltungsanordnung kann die Steueranordnung sowie einen Schwingkreis umfassen, dessen erster und zweiter Anschluss mit dem ersten und zweiten Anschluss der Steueranordnung gekoppelt ist.
Der Schwingkreis kann eine Serienschaltung eines Kondensators und einer Induktivität umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schwingkreis eine Parallelschaltung des Kondensators und der Induktivität.
In einer Ausführungsform ist der Schwingkreis mit dem ersten
Anschluss mit dem Bezugspotenzialanschluss und mit dem zweiten Anschluss über die gesteuerte Strecke des Schalters mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schwingkreis mit dem ersten Anschluss mit dem Gleichspannungsanschluss und mit dem zweiten Anschluss über die gesteuerte Strecke des Schaltkreises mit dem Bezugspotenzialanschluss gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungs- anordnung einen Transformator. Dieser ist eingangsseitig mit dem Schwingkreis verbunden. Die Primärseite des Transforma- tors umfasst die erste Induktivität des Schwingkreises. Die Sekundärseite des Transformators umfasst eine zweite Induktivität .
Die Schaltungsanordnung kann ferner einen Gleichrichter um- fassen, welcher mit der weiteren Induktivität gekoppelt ist. Der Gleichrichter ist dazu ausgelegt, die an der Sekundärseite des Transformators anliegende WechselSpannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung an zwei Abgriffen zur Verfügung zu stellen.
Der Gleichrichter kann ein Brückengleichrichter oder eine Mittelpunktschaltung sein. In einer anderen Ausführungsform ist der Gleichrichter ein Einweggleichrichter.
Ein Abgriff des Gleichrichters kann mit dem Bezugspotenzial- anschluss verbunden sein. Ein Spannungsteiler aufweisend eine Serienschaltung, umfassend zwei Widerstände, kann einen weiteren Abgriff der Gleichrichterschaltung mit dem Bezugspoten- zialanschluss verbinden. Ein Knoten der Serienschaltung, wel- eher zwischen den beiden Widerständen der Serienschaltung liegt, kann zum Abgreifen einer von der gleichgerichteten Spannung abgeleiteten Spannung dienen. Der Knoten der Serienschaltung kann mit einem vierten Eingang der Steueranordnung verbunden sein.
Die zweite Induktivität kann eine kleinere Anzahl von Windungen umfassen wie die erste Induktivität, sodass die Schal- tungsanordnung zum Erzeugen einer gleichgerichteten Spannung dient, die kleiner als die Gleichspannung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite In- duktivität eine größere Anzahl von Windungen als die erste Induktivität, sodass die Schaltungsanordnung ausgelegt ist, eine gleichgerichtete Spannung zu erzeugen, die größer als die Gleichspannung ist.
In einer Ausführungsform kann durch geeignete Wahl eines Ü- bersetzungsverhältnisses des Transformators eine Spannung von 1 kV bis 5 kV als gleichgerichtete Spannung erzielbar sein.
In einer Ausführungsform kann die Frequenz der Schwingung zwischen 30 kHz und 50 kHz liegen.
Zu anderen Weiterbildungen der Anordnung wird auf die Unteransprüche verweisen.
Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Prinzip als Vorteil:
Der Transformator und die gesamte Anordnung weisen nur zwei Induktivitäten, d. h. zwei Spulen, auf. Die Anordnung kann mittels eines Hochspannungs- Comple- mentary Metal Oxide Semiconductor Prozess, abgekürzt Hochspannungs-CMOS-Prozess realisiert werden.
Der Schwingkreis befindet sich auf der Primärseite des Transformators, sodass die Periodendauer und die Phaseninformation einfach abgreifbar sind. Die gleichgerichtete Spannung kann digital gesteuert wer- den.
Die Funktion des Schaltkreises hängt nicht von einer Güte einer zuzuführenden Oszillatorfrequenz ab. Es wird kein Leistungstransistor benötigt. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung zum
Konvertieren einer Gleichspannung in eine gleichgerichtete Spannung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur 2 zeigt beispielhafte Signalverläufe der Schaltungs- anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Steueranordnung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung U-IN in eine gleichgerichtete Spannung U-OUT nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltplans .
Eine Steuerungsschaltung 5 ist an einem Ausgang 53 mit einem Eingang 61 eines Schalters 6 verbunden, welcher eine gesteu- erte Strecke 62 aufweist. Die gesteuerte Strecke 62 verbindet einen vierten Anschluss 14 der Steueranordnung 1 mit einem fünften Anschluss 15 der Steueranordnung 1. An den fünften Anschluss 15 der Steueranordnung 1 ist ein Bezugspotenzialan- schluss 8 angeschlossen. Ein erster Eingang 51 der Steue- rungsschaltung 5 ist mit einem Ausgang 23 eines Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und Phaseninformation 2 verbunden.
Das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und Phaseninfor- mation 2 ist im Ausführungsbeispiel ein Komparator 24; es kann jedoch eine anders gestaltete Messeinrichtung sein, die an ihrem Ausgang ein digitales Messsignal mit der Information über Periodendauer und Phase bereitstellt. Ein zweiter Eingang 52 der Steuerungsschaltung 5 ist mit einem dritten Anschluss 13 der Steueranordnung 1 gekoppelt. Die Kopplung kann einen Analog-Digital -Wandler 4 umfassen.
Ein Steuereingang 54 der Steuerungsschaltung 5 kann ein Re- set-Eingang sein. Der Steuerungseingang 54 kann auch der Zuführung von Startinformationen an die Steuerungsschaltung 5 dienen. Die Startinformation kann einen Vorgabewert für die gleichgerichtete Spannung U-OUT umfassen.
Das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation weist einen ersten und einen zweiten Eingang 21, 22 auf, welche mit einem ersten und einem zweiten Anschluss 11, 12 der Steueranordnung 1 gekoppelt sind. Der erste und der zweite Anschluss 11, 12 der Steueranordnung 1 dient zum Anschluss eines Schwingkreises 3. Der Schwingkreis 3 umfasst in dieser Ausführungsform einen Kondensator 32 und eine erste Induktivität 33, welche parallel geschaltet sind und einen Widerstand 36, der seriell zu der Parallelschaltung aus dem
Kondensator 32 und der ersten Induktivität 33 geschaltet ist. Der Schwingkreis ist an seinem ersten Anschluss 34 mit dem ersten Anschluss 11 der Steueranordnung 1 sowie mit einem Gleichspannungsanschluss 9 verbunden. An dem Gleichspannungs- anschluss 9 liegt die Gleichspannung U-IN an. Der Schwingkreis 3 ist an seinem zweiten Anschluss 35 mit dem zweiten und dem vierten Anschluss 12, 14 der Steueranordnung 1 verbunden .
Die erste Induktivität 33 bildet die Primärseite eines Transformators 37. Auf der Sekundärseite des Transformators 37 befindet sich eine zweite Induktivität 38. An die zweite Induktivität 38 ist ein Gleichrichter 31 angeschlossen. Ein erster Anschluss der zweiten Induktivität 38 ist mit einem ersten Anschluss eines Kondensators 47 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators 47 ist mit einer positiven Seite einer Diode 48 verbunden. Die negative Seite der Diode 48 ist an einen zweiten Anschluss der zweiten Induktivität 38 sowie an den Bezugspotenzialanschluss 8 angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators 47 ist weiter mit einem negativen Anschluss einer Diode 43 verbunden. Der positive Anschluss der Diode 43 ist mit einem ersten Anschluss eines Kondensa- tors 39 und einem ersten Abgriff des Gleichrichters 31 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators 39 ist mit einem zweiten Abgriff des Gleichrichters 31 und dem negativen Anschluss der Diode 48 verbunden.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff des Gleichrichters 31 ist die gleichgerichtete Spannung U-OUT abgreifbar. Der erste Anschluss des Kondensators 39 ist über einen Spannungsteiler mit dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden. Der Spannungsteiler 44 umfasst zwei Widerstände. Ein Knoten 45 zwischen den beiden Widerständen ist mit dem dritten Anschluss 13 der Steueranordnung 1 gekoppelt. An dem Knoten 45 des Spannungsteilers 44 ist ein Signal abgreifbar, welches von der gleichgerichteten Spannung U-OUT ableitbar ist. Mit Vorteil sind die beiden Widerstände des Spannungsteilers 44 hochohmig ausgeführt.
Ist die gesteuerte Strecke 62 des Schalters 6 durch das von der Steuerungsschaltung 5 abgegebene Signal in Durchiass geschaltet, so fließt ein Strom von dem Gleichspannungsan- Schluss 9 durch den Schwingkreis 3 über die gesteuerte Strecke 42 zum Bezugspotenzialanschluss 8. Durch den Strom wird der Kondensator 32 aufgeladen. Der Stromanstieg bewirkt ein wachsendes Magnetfeldes in der ersten Induktivität 33 des Transformators 37, so dass in der zweiten Induktivität 38 ein Strom erzeugt wird.
Ist die gesteuerte Strecke 63 von der Steuerungsschaltung 5 in einen offenen Zustand geschaltet, so fließt kein weiterer Strom durch die gesteuerte Strecke 62. Der Schwingkreis 3 hat jedoch Energie in dem Kondensator 32 und in der Spule 33, so- dass eine Schwingung auftritt. Bei dieser Schwingung wird periodisch eine Energie vom Kondensator 32 in die Spule 33 transferiert und zurück transferiert. Aufgrund des wechselnden Stroms in der ersten Induktivität 33 wird ein sich änderndes Magnetfeld im Transformator 37 erzeugt, welches zu einem sich periodisch ändernden Strom in der zweiten Induktivität 38 führt. Dieser sich periodisch ändernde Strom wird mittels der Gleichrichterschaltung 31 in eine gleichgerichtete Spannung U-OUT gewandelt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die gleichgerichtete Spannung U-OUT eine negative Spannung. Zur Erzeugung einer positiven Spannung können in einer anderen Ausführungsform die Durchlassrichtungen der Di- öden 43, 48 umgepolt sein.
Eine Information über die Höhe der gleichgerichteten Spannung U-OUT wird der Steueranordnung 1 zurückgeführt. Dazu ist ein Abgriff der Gleichrichterschaltung 31 über eine hochohmige Serienschaltung 44 mit dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden. Die Information über die Höhe der gleichgerichteten Spannung U-OUT wird der Steueranordnung 1 und in der Steueranordnung 1 der Steuerungsschaltung 5 zugeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das von der gleichgerichteten Spannung U-OUT abgeleitete Signal mittels eines Analog-Digital -Wandlers 4 in ein digitales Signal umgesetzt. Das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation 2 dient zur Versorgung der Steuerungsschaltung 5 mit Informationen über die Periodendauer bzw. Frequenz der Schwingung im Schwingkreis 3 und der Phasenlage. Aufgrund dieser Informationen ist die Steuerungsschaltung 5 in der Lage, den Schalter 6 zu einem geeigneten Zeitpunkt in einen geschlossenen und zu einem weiteren geeigneten Zeitpunkt in einen offenen Zustand zu schalten. Durch die Wahl geeigneter Zeitpunkte für das periodische Schalten in einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand wird die Schwingung in dem Schwingkreis 3 angeregt. Mit Vorteil ist der Schalter 6 nur dann geschlossen, wenn ein Strom zum Anregen der Schwingung in dem Schwingkreis 3 fließen soll.
Figur 2 zeigt Signalabläufe in Abhängigkeit von der Zeit t in einer Steueranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Auf der y-Achse ist eine Spannung U-S zwischen den beiden Anschlüssen des Kondensators 32 des Schwingkreises 3 aufgetra- gen. Figur 2 zeigt darunter ein Signal U-C, das an dem Ausgang 23 des Komparators 24 anliegt, in Abhängigkeit von der Zeit t. Dieses Signal hat während der Dauer der ersten Halbwelle den logischen Pegel 1 und während der Dauer der zweiten Halbwelle den logischen Pegel 0. Somit sind die Nulldurchgän- ge der Spannung der Schwingung deutlich erkennbar und es kann die Periodendauer und Frequenz bestimmt werden.
Am unteren Bildrand zeigt Figur 2 ein Signal U-T, welches das am Schalter 6 anliegende Steuersignal ist. Die Steuerungs- Schaltung 5 stellt am Ausgang 53 das Signal U-T zur Verfügung. Der Schalter 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel geöffnet, wenn die Spannung der Schwingung ein Minimum er- reicht. Dies ist bei einer Phasenlage von 270° bzw. 1,5* π der Fall.
Der Schalter 6 wird geschlossen zu einem Zeitpunkt t2 und ge- öffnet zu einem Zeitpunkt t3 , wobei der Abstand von t2 zu t3 eine Pulsdauer darstellt. Diese Pulsdauer ist eine Funktion der erreichten gleichgerichteten Spannung U-OUT. Ist die erreichte gleichgerichtete Spannung U-OUT niedriger als ein Vorgabewert, so wird die Pulsdauer erhöht. Umgekehrt wird die Pulsdauer verringert, sofern die gleichgerichtete Spannung U- OUT höher als der Vorgabewert ist. Die Pulsdauer dividiert durch die Periodendauer 2* To ergibt ein Tastverhältnis.
In einer Ausführungsform ist die Steuerungsschaltung 5 ausge- legt, die Periodendauer zu messen und aus dem Vorgabewert der gleichgerichteten Spannung und dem Ist-Wert der gleichgerichteten Spannung die Zeitpunkte t2 und t3 zu bestimmen. Mit Vorteil wird somit energieeffizient die Schwingung angeregt.
Bezugszeichenliste
1 Steueranordnung
2 Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Pha seninformation
3 Schwingkreis
4 Analog-Digital -Wandler
5 SteuerungsSchaltung
6 Schalter
8 Bezugspotenzialanschluss
9 Gleichspannungsanschluss
11 erster Anschluss
12 zweiter Anschluss
13 dritter Anschluss
14 vierter Anschluss
15 fünfter Anschluss
21 erster Eingang
22 zweiter Eingang
23 Ausgang
24 Komparator
31 Gleichrichter
32 Kondensator
33 erste Induktivität
34 erster Anschluss
35 zweiter Anschluss
36 Widerstand
37 Transformator
38 zweite Induktivität
39 Kondensator
41 Eingang
42 Ausgang
43 Diode
44 Serienschaltung 45 Abgriff
47 Kondensator
48 Diode
51 erster Eingang 52 zweiter Eingang
53 Ausgang
54 Steuereingang
61 Steuereingang
62 gesteuerte Strecke 63 Transistor t Zeit t2 Zeitpunkt t3 Zeitpunkt
To Dauer der halben Periode U-C Signal am Komparatorausgang
U-IN Gleichspannung
U-OUT gleichgerichtete Spannung
U-S Spannung zwischen den Schwingkreisanschlüssen
U-T Steuersignal am Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Steueranordnung (1) zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Gleichspannung (U-IN) in eine gleichgerichtete Spannung (U-OUT) , umfassend: ein Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) einer Schwingung, dessen erster Eingang (21) mit einem ersten Anschluss (11) der Steuer- anordnung (1) und dessen zweiter Eingang (22) mit einem zweiten Anschluss (12) der Steueranordnung (1), welche zur Verbindung mit einem Schwingkreis (3) dienen, gekoppelt ist, eine Steuerungsschaltung (5) , die an einem ersten Eingang (51) mit einem Ausgang (23) des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) und an einem zweiten Eingang (52) mit einem dritten Anschluss (13) der Steueranordnung (1) zur Zuführung einer Spannung gekoppelt ist, welche von der gleichgerichteten Spannung (U-OUT) abgeleitetet ist, einen Schalter (6) mit einer gesteuerten Strecke (62), die einen vierten Anschluss (14) der Steueranordnung (1) mit einem Bezugspotentialanschluss (8) koppelt, und mit einem Steueranschluss (61) , der zum Anregen einer Schwin- gung in dem Schwingkreises (3) mittels der Gleichspannung (U-IN) mit einem Ausgang (53) der Steuerungsschaltung (5) verbunden ist.
2. Steueranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) einen Komparator (24) umfasst, dessen nichtinvertierender Eingang den ersten Eingang (21) des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) , dessen invertierender Eingang den zweiten Eingang (22) des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) und dessen Ausgang den Ausgang (23) des Mittels zum Erfassen einer Periodendauer und einer Phaseninformation (2) bildet und zur Abgabe eines Signals an dem Ausgang des Kom- parators (24) in Abhängigkeit einer Differenz eines
Signales an dem nichtinvertierenden Eingang des Kompara- tors (24) und eines Signales an dem invertierenden Eingang des Komparators (24) ausgelegt ist.
3. Steueranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analog-Digital -Wandler (4) an einem Eingang (41) mit dem dritten Anschluss (13) der Steueranordnung (1) und an einem Ausgang (42) mit dem zweiten Eingang (52) der Steuerungs- Schaltung (5) gekoppelt ist.
4. Steueranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) einen Transistor (63) umfasst, dessen Steu- eranschluss den Steueranschluss (61) des Schalters (6) und dessen gesteuerte Strecke die gesteuerte Strecke (62) des Schalters (6) bildet.
5. Steueranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (6) ein Feldeffekt-Transistor ist.
6. Steueranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (6) ein Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt- Transistor ist.
7. Steueranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (6) ein n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor ist.
8. Steueranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (5) ausgelegt ist, den Schalter (6) periodisch in einem Minimum einer Halbwelle der Schwingung in einen offenen Zustand zu schalten.
9. Steueranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (5) ausgelegt ist, den Schalter (6) periodisch während einer einstellbaren Pulsdauer in einen ge- schlossenen Zustand zu schalten, wobei die Steuerungsschaltung (5) die Pulsdauer in Abhängigkeit von einem gemessenen Betrag der gleichgerichteten Spannung (U-OUT) einstellt.
10. Schaltungsanordnung mit der Steueranordnung (1) nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Schwingkreis (3) aufweist, welcher einen Kondensator (32) , eine Induktivität (33) und einen ersten und einen zweiten Anschluss (34, 35) umfasst, wobei der erste Anschluss (34) des Schwingkreises (3) mit dem ersten Anschluss (11) der Steueranordnung (1) und dem Gleich- spannungsanschluss (9) und der zweite Anschluss (35) des Schwingkreises (3) mit dem zweiten Anschluss (12) der Steuer- anordnung (1) und mit dem vierten Anschluss (14) der Steueranordnung (1) gekoppelt ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (3) eine Parallelschaltung des Kondensators (32) und der Induktivität (33) umfasst .
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (3) einen Widerstand (36) umfasst, der seriell zu der Parallelschaltung des Kondensators (32) und der Induktivität (33) geschaltet ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Strecke (62) des Schalters (6) den vierten Anschluss (14) der Steueranordnung (1) mit dem Bezugspotential - anschluss (8) verbindet.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Transformator (37) umfasst, der mit dem Schwingkreis (3) gekoppelt ist und die Induktivität (33) von einer Primärseite des Transformators (37) und eine weitere Induktivität (38) von einer Sekundärseite des Transformators (37) gebildet ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter (31) in der Schaltungsanordnung vorgesehen ist und die weitere Induktivität (38 ) mit dem Gleichrichter (31) gekoppelt ist.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (31) mindestens einen Kondensator (39) und mindestens eine Diode (43) umfasst .
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (31) zwei Abgriffe zur Abgabe der gleichge- richteten Spannung (U-OUT) umfasst .
18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Spannungsteiler (44) umfasst, der einen der Abgriffe des Gleichrichters (31) mit dem Be- zugspotentialanschluss (8) gekoppelt, sodass an einem mittleren Abgriff (45) des Spannungsteilers (44) eine von der gleichgerichteten Spannung (U-OUT) abgeleitete Spannung anliegt .
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