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    Ein Tief-Hochsetzsteller (10), zu dem gehören: ein Eingang (12) und ein Ausgang (14), eine Schaltzelle (16) mit einem zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (14) angeordneten Schalter (161) und ein Wahlschalter (18), der die Schaltzelle (16) wahlweise in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen konfiguriert: eine Parallelchopperkonfiguration, eine Seriellchopperkonfiguration oder eine Induktivspeicherchopperkonfiguration, wobei die Zelle (16) in sämtlichen der Konfigurationen denselben Schalter (161) verwendet. Der Konverter weist einen einzigen Schalter für vielfältige Betriebsmodi des Konverters auf.
    公开号:DE102004012310A1
    申请号:DE200410012310
    申请日:2004-03-11
    公开日:2004-09-23
    发明作者:Fuentes Jorquera
    申请人:GE Medical Systems Global Technology Co LLC；
    IPC主号:H02M3-158
    专利说明:
    [0001] Diese Patentanmeldung beanspruchtdie Prioritätaus der französischenPatentanmeldung Nr. 03 03001, eingereicht am 11. März 2003,auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen ist.
    [0002] Die Erfindung betrifft einen Konverterfür elektrischeEnergie oder Strom und insbesondere einen Tief-Hochsetzsteller (Buck-Boost-Converter).
    [0003] In vielfältigen Topologien für Konverter,die dazu dienen, eine Spannung aufwärts/abwärts zu transformieren und Blindleistungzu verbessern, werden gegenwärtigdie Parallelchopper oder "Hochsetz"-Steller, die Seriellchopperoder "Tiefsetz"-Steller, oder dieInduktivspeicherchopper oder "Tief-Hochsetz"-Steller verwendet.Jeder dieser Konverter weist einen Nachteil auf. Im Falle des Parallelchoppers(dem Hochsetzsteller) ist die Spannung am Ausgang regelmäßig höher alsdie am Eingang angelegte Spannung. Im Falle des Seriellchoppers(dem Tiefsetzsteller) ist die Spannung am Ausgang immer geringerals die am Eingang angelegte Spannung. Obwohl es im Falle des Induktivspeicherchoppers möglich ist,dass die Ausgangsspannung höheroder niedriger sein kann als die am Eingang angelegte Spannung,könnendie starken Belastungen der Komponenten diesen Chopper ziemlichunattraktiv machen.
    [0004] Das US-Patent 6 348 781 offenbarteinen hybriden Konverter, der als eine Parallel- oder Seriellchopper,d.h. als "Tief oderHochsetz"-Konverterarbeitet. Ein Nachteil dieses Konverter besteht darin, dass er eineTopologie aufweist, in der zwei Transistoren das Zerhacken der Spannungausführen,und zwar je ein Transistor fürjeden Betriebsmodus. Dieser Konverter weist demzufolge einen komplizierten undkostspieligen Aufbau auf.
    [0005] Es existiert daher ein Bedarf nacheinem kostengünstigerenTief-Hochsetzsteller.
    [0006] Gemäß einem Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung weist ein Tief-Hochsetzsteller einenEingang und einen Ausgang und eine zwischen dem Eingang und demAusgang angeordnete Schaltzelle auf, wobei die Zelle einen Schalterenthält.Der Konverter umfasst ferner einen Wahlschalter, der die Schaltzellewahlweise in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen konfiguriert:eine Parallelchopper-(Hochsetz)-Konfiguration,eine Seriellchopper-(Tiefsetz)-Konfiguration,eine Induktivspeicherchopperkonfiguration, wo bei die Zelle denselben Schalterin sämtlichender Konfigurationen verwendet.
    [0007] Ein Vorteil des Konverters bestehtdarin, dass dieser mit einem kostengünstigen Aufbau in vielfältigen Betriebsmodiarbeitet, da fürsämtliche Betriebsmodiderselbe Schalter eingesetzt wird.
    [0008] Die Erfindung und deren Ausführungsbeispielewerden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindungmit den Zeichnungen verständlicher:
    [0009] 1 zeigtdie Topologie des Konverters gemäß einemAusführungsbeispiel;
    [0010] 2, 3 und 4 zeigen die Konfiguration des Konvertersnach 1 in vielfältigen Betriebsmodi; und
    [0011] 5 zeigtdie Topologie des Konverters nach 1 miteinem zum Durchführendes Schaltens geeigneten Schaltkreis.
    [0012] Gemäß einem Ausführungsbeispielumfasst der Tief-Hochsetzstellereine Schaltzelle mit einem Schalter und einem Wahlschalter. DerWahlschalter kann die Schaltzelle wahlweise in mindestens zwei vonmehreren Konfigurationen konfigurieren. Die Zelle kann in der Konfigurationeines Parallel- oder "Hochsetz")-Chopperschaltkreiseskonfiguriert werden. Die Zelle kann in der Konfiguration eines Seriell- (oder "Tief setz")-Chopperschaltkreiseskonfiguriert werden. Die Zelle kann ferner in der Konfigurationeines Induktivspeicher-(oder "Tiefsetz-Hochsetz")-Chopperschaltkreises konfiguriert werden.Unabhängigvon der Konfiguration verwendet die Zelle denselben Spannungszerhackerschalter.Hierdurch werden die Kosten fürdie Herstellung des Konverters gesenkt. Der Einsatz eines einzigenSchalters vereinfacht auch die Konstruktion des Konverters. Darüber hinausist es aufgrund der hybriden Bauart des Konverters möglich, diesenin verschiedenen Ländernmit unterschiedlichen Versorgungs- oder Netzspannungen zu verwenden.Dieser Konverter ermöglichtes, die Kosten des Implementierens eines von einem ersten Abwärtstransformationskonvertergespeisten zweiten Konverters einzusparen.
    [0013] 1 zeigteine Topologie des Konverters 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.Der Tief-Hochsetzsteller 10 weist einen Eingang 12,an dem eine Spannung Ue angelegt ist, und einen Ausgang 14 auf,an dem die Spannung Us gegenüber derSpannung Ue höher,gleich oder geringer ist. Zwischen dem Eingang 12 und demAusgang 14 weist der Konverter 10 eine Schaltzelle 16 auf.Die Schaltzelle enthälteinen Schalter 161. Die Konfiguration der Schaltzelle variiertin Abhängigkeitvon einem Wahlschalter 18. Der Wahlschalter 18 konfiguriertdie Zelle wahlweise in mindestens zwei der folgenden Konfigurationen:eine Seriellchopperkonfiguration, eine Parallelchopperkonfigurationoder eine Induktivspeicherchopperkonfiguration. Die Zelle 16 verwendetunabhängigvon der mittels des Wahlschalters 18 ausgewählten Konfigurationden Schalter 161. Derselbe Schalter 161 ist dementsprechendeingerichtet, um als ein Seriell-, Parallel- oder Induktivspeicherchopperdie am Eingang 12 währendeines Betriebes angelegte Spannung Ue zu zerhacken. Hierdurch wirdeine Reduzierung der Herstellungskosten des Konverters 10 ermöglicht.
    [0014] Der Tiefsetz-Hochsetzsteller 10 lieferteine an eine Last 26 angepasste Spannung Us. Der Konverter 10 ermöglicht es,eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung zu transformieren.Es ist ebenfalls vorstellbar, dass der Konverter 10 dieKonvertierung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung ermöglicht.Um dies zu verwirklichen, kann an dem Eingang 14 eine Gleichrichterdiodenbrücke 22 angeordnetsein. Eine Diodenbrücke 22 ermöglicht es,die Spannung Ue gleichzurichten. Der Konverter verfügt lässt sichvielfältigeinsetzen. Insbesondere ist der Konverter 10 in der Lage,im Parallelchoppermodus zu arbeiten, in dem der Konverter am Ausgang 14 eineSpannung Us liefert, die größer ist, alsdie Spannung Ue am Eingang 12. Der Konverter 10 istferner in der Lage, im Seriellchoppermodus zu arbeiten, in dem derKonverter am Ausgang 14 eine Spannung Us liefert, die geringerist als die Spannung Ue am Eingang. Der Konverter 10 istferner in der Lage, im Induktivspeicherchoppermodus zu arbeiten,in dem der Konverter am Ausgang 14 eine Spannung Us liefert,die gegenüberder Spannung Ue am Eingang 12 höher, niedriger oder gleichist. In diesem Betriebsmodus, werden die Komponenten zwar hohenBelastungen ausgesetzt, jedoch ermöglicht der Konverter, während erden Eingangsstrom steuert und füreine kurze Zeitspanne eines Übergangs,einen Übergangvom Seriellchoppermodus zum Parallelchoppermodus (oder umgekehrt).Insbesondere ist der Konverter 10 in der Lage, im Seriellchoppermoduszu arbeiten, um kontrollierte Vorgänge des Einschaltens oder desAbschaltens durchzuführen.
    [0015] Die Schaltzelle 16, dieden Schalter 161 umfasst, bewirkt eine Aufwärts- oderAbwärtstransformationder am Eingang des Konverters angelegten Spannung. Die Konfigurationder Schaltzelle 16 variiert in Abhängigkeit von einer mittelsdes Wahlschalters 18 durchgeführten Wahl. Die Konfigurationist an den Betriebsmodus des Konverters angepasst. Die Schaltzelle 16 umfasstden Schalter 161. Die Zelle 16 nutzt in den vielfältigen Betriebsmodidenselben Schalter. Die Zelle weist ferner eine Induktivität 162 (Drossel)und Dioden 163, 164, 165 auf. Die Verbindungenzwischen dem Schalter 161, der Induktivität 162 undden Dioden 163, 164, 165 variieren inAbhängigkeitvon dem Betriebsmodus der Zelle.
    [0016] Der Schalter 161 kann einTransistor sein, beispielsweise ein Hochfrequenztransistor. DerTransistor ist beispielsweise ein 30-kHz-Transistor. Die Wahl einesHochfrequenztransistors ermöglichteine Verringerung der Abmessung der Induktivität. Der Transistor kann ebensoein Niederfrequenztransistor sein. Der Hochfrequenztransistor 161 erfüllt die Funk tioneiner Regulierung der Ausgangsspannung und der Verbesserung derBlindleistung. Der Schalter 161 wird unter der Steuerung/Regelungeines Steuerschaltkreises periodisch geschaltet. Ein Vorteil des Konvertersbesteht darin, dass dieser daher lediglich einen einzigen Hochfrequenztransistorund einen einzigen raschen Steuerschaltkreis benötigt. Dies ermöglicht einekostengünstigereund einfachere Herstellung des Konverters.
    [0017] Die Induktivität 162 ermöglicht es,Energie zu akkumulieren, und die Dioden stellen entsprechend denBetriebsmodi sicher, dass der Stromin der Induktivität 162 beim Öffnen desSchalters 161 unterbrechungsfrei fließt.
    [0018] Der Wahlschalter 18 ermöglicht eszwischen den Betriebsmodi des Konverters 10 hin- und herzuschalten.Der Wahlschalter 18 wird mittels eines langsamen Steuerschaltkreisesgesteuert. Der Wahlschalter umfasst beispielsweise Transistoren 181, 182.Die Transistoren 181, 182 können Niederfrequenztransistorensein, beispielsweise 50-Hz-Transistoren. Der Vorteil derartigerTransistoren besteht darin, dass sie einen weniger kostspieligenSteuerschaltkreis benötigenals die Hochfrequenztransistoren. Allerdings können die Transistoren 181, 182 ebensoHochfrequenztransistoren sein. Der Wahlschalter 18 kannunterschiedliche Positionen einnehmen. Als nicht als beschränkend zubewertendes Beispiel ermöglichtder Wahlschalter 18 eine Wahl zwischen drei Positionen.Wenn die Niederfrequenztransistoren 181 und 182 gesättigt sind,wobei dies einem geschlossen Ein-/Aus-Schalter entspricht, befindetsich der Konverter in einem Betriebsmodus, der demjenigen ei nesParallelchoppers entspricht. Wenn die Niederfrequenztransistoren 181 und 182 gesperrtsind, wobei dies dem geöffneten Ein-/Aus-Schalterentspricht, befindet sich der Konverter in einem Betriebsmodus,der demjenigen eines Seriellchoppers entspricht. Wenn der Niederfrequenztransistor 181 gesperrtist, wobei dies einem geschlossenen Ein-/Aus-Schalter entspricht,und der Niederfrequenztransistor 182 gesperrt ist, waseinem geöffnetenEin-/Aus-Schalter entspricht, befindet sich der Konverter in einemBetriebsmodus, der demjenigen eines Induktivspeicherchoppers entspricht.
    [0019] Die Wahl der Komponenten ist weitgehend beliebig,bestimmt sich allerdings in erster Linie danach, dass die Komponentenim durchgeschalteten Zustand einen niedrigen Widerstand aufweisen.
    [0020] Die Topologie des Konverters 10 wirdnun anhand von 1 beschrieben.Der Konverter umfasst einen Eingang 12 und einen Ausgang 14.Die Spannung Ue liegt am Eingang 12 an. Der Konverter 10 kannmit der Spannungsgleichrichterdiodenbrücke 22 ausgestattetsein oder auch nicht. Der Konverter 10 umfasst eine ersteReihenschaltung, über derenAnschlüssedie Spannung Ue anliegt; die Reihenschaltung umfasst den Schalter 161,den Transistor 181 und den Induktor 162. Der ersteAnschluss des Induktors 162 ist an dem Eingang 12 undsein zweiter Anschluss an dem Transistor 181 angeschlossen.
    [0021] Der Konverter umfasst ferner einezweite Reihenschaltung, die den Transistor 182 und dieDiode 165 aufweist. Die zweite Reihenschaltung ist parallelzu dem Schalter 161 ge schaltet. Die Anode der Diode 165 istmit dem Transistor 182 verbunden und die Kathode der Diode 165 istmit dem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor 181 unddem Schalter 161 verbunden.
    [0022] Die Anode der Diode 163 istmit der Anode der Diode 165 verbunden und ihre Kathodeist mit dem ersten Anschluss der Induktivität 162 verbunden. DieAnode der Diode 164 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden,d.h. an das Verbindungselement zwischen der Induktivität 162 unddem Transistor 181 angeschlossen, und ihre Kathode istmit dem Ausgang 14 verbunden.
    [0023] Die Spannung Us am Ausgang 14 wirdzwischen der Kathode der Diode 164 und dem Verbindungspunktzwischen der Diode 165 und dem Transistor 182 abgegriffen.
    [0024] Der Konverter kann ferner einen Kondensator 20 umfassen,der dazu dient, die Spannung am Ausgang 14 zu filtern.Der Kondensator kann parallel zu der Reihenschaltung geschaltetwerden, die die Diode 165, den Transistor 181 unddie Diode 164 aufweist. Die Spannung Us wird an den Anschlüssen desKondensators 20 abgegriffen.
    [0025] Der Betrieb des Konverters wird nunanhand von 2, 3 und 4 erläutert. 2 bis 4 zeigen die Konfiguration des Konvertersnach 1 in vielfältigen Betriebsmodi.
    [0026] 2 zeigtden Konverter nach 1 inder Funktion eines Parallelchoppers (oder Hochsetz-Schaltung). DerWahl schalter 18 befindet sich in einer ersten Position.In einem Ausführungsbeispiel einesWahlschalters 18 in Form von Transistoren 181 und 182 sinddie Transistoren gesättigt,um die Funktion eines geschlossenen Ein-/Aus-Schalters zu erzielen.In dieser Position des Wahlschalters weist die Schaltzelle 16 eineKonfiguration eines Parallelchoppers auf oder eine solche, die zuderjenigen eines Parallelchoppers äquivalent ist; die Zelle 16 erfüllt eineFunktion eines Aufwärtstransformierensder Spannung Ue zu einer höherenSpannung Us. Die Zelle 16 weist in diesem Falle als Komponentendie Induktivität 162,den Schalter 161 und die Diode 164 auf, die aneinem Schaltungsknoten miteinander verbunden sind. Mittels einereinfachen Wahl des Wahlschalters 18 werden diese Komponentenmiteinander verbunden, um der Zelle, und in einer allgemeinen Weisedem Konverter, die Konfiguration eines Parallelchoppers zu verleihen.
    [0027] In 2 liegtdie am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einerReihenschaltung an, die den Induktor 162 und den Schalter 161 umfasst.Der Schalter 161 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden.Eine Diode 164 ist überihre Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschlussder Induktivität 162 unddem Schalter 161 verbunden. Die Diode 164 ist über ihreKathode an den Ausgang 14 angeschlossen. Die Diode 164,die Induktivität 162 und derSchalter 161 sind an einem Schaltungsknoten verbunden.Der Kondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltungdes Schalters 161 und der Diode 164 angeschlossensein.
    [0028] Die Diode 165 ist parallelzu dem Schalter 161 geschaltet, wobei die Kathode mit demzentralen Knoten der sternförmigenVerbindung zwischen der Diode 164, der Induktivität 162 unddem Schalter 161 verbunden ist. Die Diode 165 befindetsich nicht im Leitzustand, entweder weil sie durch den Schalter 161 kurzgeschlossenist, wenn letzterer durchgeschaltet ist, oder weil sie abgeschaltetwird, wenn der Schalter 161 öffnet. Die Diode 163 isteinerseits über ihreAnode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 165 unddem Schalter 161 und andererseits mit dem ersten Anschlussder Induktivität 162 verbunden.Sie ist durch die Spannung Ue ständigin Sperrrichtung in Richtung des ausgeschalteten Zustands vorgespanntund kann folglich auf keinen Fall in den elektrisch leitfähigen Zustandgeraten.
    [0029] Der Betrieb des Konverters 10 indiesem Wahlmodus des Wahlschalters geschieht wie folgt. Der Schalterwird entsprechend der Befehle eines (nicht gezeigten) Steuerschaltkreisesperiodisch geschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenenoder geschlossen Ein-/Aus-Schalters auf. Es wird an den Anschlüssen derInduktivität 162 anliegendesrechteckiges Spannungssignal erhalten. Dieses Spannungssignal legtden Strom fest, der durch die Induktivität 162 fließt, dessenMittelwert sich durch Variieren der Schaltdauer einstellen lässt. Der Kondensator 20 ermöglicht es,die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zu filtern. DieDiode 164 dient dazu, die den Strom in der Induktivität beim Öffnen desSchalters unterbrechungsfrei fließen zu lassen. Wenn der Schaltergeschlossen wird (was einem gesättigtenTransistor entspricht), wächstder Strom und der die Induktivitätspei chert Energie. Wenn der Schalter geöffnet ist (was einem gesperrtenTransistor entspricht), fließtder Strom in der Induktivität 162 indie Diode 164, die augenblicklich leitend wird.
    [0030] Im Parallelchoppermodus weist derKonverter im Vergleich zu dem Konverter des US-Patents 6 348 781hinsichtlich der ZuverlässigkeitVorteile auf. Insbesondere fürden Fall, dass diese zwei Konverter im Parallelchoppermodus ("Hochsetzsteller"-Modus) betriebenwerden, haben der "Tiefsetz-Schalt"-Transistor des US-Patents 6 348 781(nachstehend als "Tiefsetz-Transistor" bezeichnet) unddie Niederfrequenztransistoren 181, 182 des Konverters 10 dieselbeFunktion. Im Parallelchoppermodus sind sämtliche dieser drei Transistoren äquivalentzu einem geschlossen Ein-/Aus-Schalter vollkommen durchgeschaltet,jedoch fließendurch diese unterschiedliche Ströme.Der durch den Buck-Transistor fließende effektive Strom ist umdas √2-fache größer als der in den Transistoren 181 und 182 fließende Strom.Diese ist die Wahl des Tiefsetz-Transistorseingeschränkt.Genauer gesagt bedeutet dies, das für einen vorgegebenen Arbeitspunktfür dieStrömein den Transistoren die folgende Beziehung gilt: Irms Transistor_buck2 = Irms_1812 + Irms_1822. Unter der Annahme, dass das Kriteriumeines niedrigen Widerstands vernachlässigt wird, und dass die dreiKomponenten denselben Widerstand aufweisen, werden die Verluste übereinstimmen.Allerdings werden die Verluste in dem Konverter auf die beiden Transistoren 181 und 182 verteiltsein, anstatt auf denselben Tiefsetz-Transistor konzentriert zuwerden. Hinsichtlich der Zuverlässigkeitist der Konverter 10 daher vorteilhafter.
    [0031] 3 zeigtden Konverter nach 1 betriebenals einen Seriell-(oder "Tiefsetz")-Chopper. Der Wahlschalter 18 befindetsich in einer zweiten Position. In einem Ausführungsbeispiel des Wahlschalters 18 inForm von Transistoren 181 und 182 sind die Transistorengesperrt, wodurch die Funktion von geöffneten Ein-/Aus-Schalternerreicht wird. In dieser Position des Wahlschalters weist die Schaltzelle 16 eineKonfiguration eines Seriellchoppers auf oder eine solche, die zuderjenigen eines Seriellchoppers äquivalent ist; die Zelle 16 erfüllt eineFunktion des Abwärtstransformierensder Spannung Ue zu einer niedrigeren Spannung Us. Mittels einereinfachen Wahl des Wahlschalters 18 weist die Zelle, undin einer allgemeinen Weise der Konverter, die Konfiguration einesSeriellchoppers auf. In diesem zweiten Betriebsmodus transformiertder Konverter die am Eingang angelegte Spannung abwärts, indemer denselben Schalter 161 wie in dem vorhergehenden Fall verwendet.
    [0032] In 3 liegtdie am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einerReihenschaltung, die die Diode 163, die Diode 165 undden Schalter 161 umfasst. Die Diode 163 ist mitihrer Anode an der Anode der Diode 165 angeschlossen. Die Kathodeder Diode 165 ist mit dem Schalter 161 verbunden.Ein Ende der Induktivität 162 istmit der Kathode der Diode 163 verbunden. Das andere Ende derInduktivität 162 istmit der Anode der Diode 164 verbunden. Die Kathode derDiode 164 ist mit dem Ausgang 14 verbunden. DerKondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltung angeschlossensein, die die Diode 163, die Induktivität 162 und die Diode 164 umfasst.
    [0033] Die Diode 165 ist Teil derReihenschaltung, die den Schalter 161 und die Diode 163 aufweist.Die Diode 165 ist in Durchlassrichtung vorgespannt und istin Reihe mit dem Schalter 161 geschaltet. Aufgrund desBetriebs des Schaltkreises im Seriellchoppermodus ist die Diode 165 ständig positivvorgespannt, d. h. immer in einem leitenden Zustand, auch dann,wenn kein Strom durch diese fließt, da es der Schalter ist,der den Strom unterbricht und durch die Schaltvorgänge belastetwird. Ein Anschluss der Diode 164 ist über ihre Anode mit der Induktivität 162 und über dasandere Ende mit dem Ausgang 14 verbunden. Die Diode 164 istmit der Induktivität 162 in Reihegeschaltet. Die Induktivität 162 kannentsprechend der nach vorne gerichteten Diode lediglich in einerRichtung leiten, nämlichvon dem Eingang 12 zu dem Ausgang 14. Folglichleitet die Diode 164, falls die Induktivität 162 durchgeschaltetist.
    [0034] Der Betrieb des Konverters 10 indiesem Wahlmodus des Wahlschalters ist wie folgt. Der Schalter wird,gesteuert durch einen (nicht gezeigten) Steuerschaltkreis, periodischgeschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenen oder geschlossenEin-/Aus-Schalters auf. Der Schalter zerhackt das Eingangssignal.Ergebnis ist ein an den Anschlüssender Induktivität 162 anliegendesrechteckiges Spannungssignal. Dieses Spannungssignal definiert denStrom, der durch die Induktivität 162 fließt, dessenMittelwert durch Variieren der Schaltdauer eingestellt werden kann.Der Kondensator 20 ermöglichtes, die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zufiltern. Die Diode 163 dient dazu, die Konti nuität des Stromsin dem Induktor beim Öffnendes Schalters sicherzustellen. Wenn der Schalter geschlossen wird(was einem gesättigtenTransistor entspricht), wächstder Strom und die in der Induktivität gespeicherte Energie. Wennder Schalter geöffnetist (was einem gesperrten Transistor entspricht), fließt der Stromin der Induktivität 162 indie Diode 163, die augenblicklich leitend wird.
    [0035] 4 zeigtden Konverter nach 1 alseinen Induktivspeicher-(oder "Tiefsetz-Hochsetz")-Chopper betrieben(als Drosselwandler). Der Wahlschalter befindet sich in einer drittenPosition. In einem Ausführungsbeispieldes Wahlschalters 18 in Form von Transistoren 181 und 182 istder Transistor 181 gesättigt,was einem geschlossenen Ein-/Aus-Schalter entspricht, und der Transistor 182 istgesperrt, was einem geöffnetenEin-/Aus-Schalter entspricht.
    [0036] In 4 liegtdie am Eingang 12 angelegte Spannung Ue an den Anschlüssen einerReihenschaltung, die den Induktor 162 und den Schalter 161 umfasst.Der Schalter 161 ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität 162 verbunden.Die Diode 164 ist überihre Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschlussder Induktivität 162 unddem Schalter 161 verbunden. Die Diode 164 ist über ihreKathode an den Ausgang 14 angeschlossen. Die Diode 164,die Induktivität 162 undder Schalter 161 sind an einem Sternpunkt verbunden. DieKathode der Diode 165 ist mit dem zentralen Knoten derSternschaltung verbunden, die die Diode 164, die Induktivität 162 undden Schalter 161 umfasst. Die Diode 165 ist über ihreAnode mit dem Ausgang 14 verbunden. In diesem Ausführungsbei spiel istdie Diode 165 ständiggesperrt, da die Diode 165, wenn die Diode 164 leitendist, in Sperrrichtung auf eine Spannung vorgespannt wird, die gleichUs ist, und die beiden Dioden sich die SperrrichtungsvorspannungUs teilen, falls die Diode 164 gesperrt ist. Ein Anschlussder Diode 163 ist mit der Anode der Diode 165 verbundenund der andere mit dem ersten Anschluss der Induktivität 162.Der Kondensator 20 kann parallel zu der Reihenschaltungder Diode 165 und der Diode 164 angeschlossensein.
    [0037] Der Betrieb des Konverters 10 indiesem Wahlmodus des Wahlschalters läuft wie folgt ab. Der Schalterwird abhängigvon den Steuerbefehlen eines (nicht gezeigten) Steuerschaltkreisesperiodisch geschaltet. Der Schalter weist die Funktion eines offenenoder geschlossen Ein-/Aus-Schalters auf. Es wird ein an den Anschlüssen derInduktivität 162 anliegendesrechteckiges Spannungssignal erhalten. Dieses Spannungssignal definiertden Strom, der durch die Induktivität 162 fließt, dessenMittelwert sich durch ein Variieren der Schaltdauer einstellen lässt. DerKondensator 20 ermöglichtes, die Energie dieses Stroms zu speichern und die Spannung Us zu filtern.Die Diode 163 dient dazu, die Kontinuität des Stroms in der Induktivität beim Öffnen desSchalters sicherzustellen. Wenn der Schalter 161 geschlossen wird(was einem gesättigtenTransistor entspricht), steigt der Strom an und die Induktivität speichertEnergie. Wenn der Schalter 161 geöffnet ist (was einem gesperrtenTransistor entspricht), fließtder Strom in der Induktivität 162 indie Diode 163, die augenblicklich leitend wird.
    [0038] Gemäß einem Ausführungsbeispielkonfiguriert der Wahlschalter 18 die Schaltzelle 16 wahlweisegemäß den dreianhand von 2 bis 4 beschriebenen Konfigurationen.Der Vorteil liegt darin, dass es möglich ist, den Konverter invielfältigenBetriebsmodi zu betreiben, währendlediglich ein einziger Schalter 161 verwendet wird. Diesemacht den Konverter kostengünstiger.Im Induktivspeicherchoppermodus ermöglicht der Konverter 10,währendder Eingangsstrom gesteuert wird, einen Übergang von dem Seriellchoppermoduszu dem Parallelchoppermodus (oder umgekehrt).
    [0039] 5 zeigtdie Topologie des Konverters nach 1 miteinem Schalthilfskreis 28. Der Schalthilfskreis 28 istals Beispiel gezeigt und ist nicht auf letzteren beschränkt. DerSchalthilfskreis 28 unterstützt das Schalten des Schalters 161 undreduziert die Überspannungin dem Schalter, wenn dieser geöffnetwird. Der Schalthilfskreis 28 unterstützt ferner das Schalten derDiode 164 im Parallelchoppermodus und der Diode 163 inden Modi des Seriellchoppers oder Induktivspeicherchoppers.
    [0040] Der Schalthilfskreis 28 umfassteine Reihenschaltung, die einen Ein-/Aus-Schalter 281,eine Diode 282 und eine Induktivität 283 umfasst, wobeidiese Reihenschaltung zu dem Schalter 161 parallel geschaltetist. Die Diode 282 ist überihre Kathode mit dem Ein-/Aus-Schalter 281 und über ihreAnode mit der Induktivität 283 verbunden.Der Schalthilfskreis 28 umfasst ferner eine Diode 284,die mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität 283 undder Diode 282 verbunden ist, und deren anderer Anschlussmit der Katho de der Diode 164 verbunden ist. Der Schalthilfskreis 28 umfasstaußerdemeine Diode 286 und einen Kondensator 285, die beidezu dem Schalter 161 parallel geschaltet sind. Das Einschaltendes Ein-/Aus-Schalters 281 ermöglicht ein lineares und gesteuertesAnsteigen des durch die Induktivität 283 fließenden Stroms.Wenn dieser Strom einen ausreichenden Pegel erreicht, wird er einsanftes Abschalten des Stroms ermöglichen, der durch die Diode 164 fließt (fallsdiese sich im Parallelchoppermodus befindet), oder der durch dieDiode 163 fließt(falls diese sich im seriellen oder im Induktivspeicherchoppermodusbefindet). Daraufhin kommt es zu Resonanz zwischen der Induktivität 283 unddem parallel zu dem Schalter 161 geschalteten Kondensator 285.Folglich erreicht die Spannung in dem Schalter 161 knappbevor sie den Schalter einschaltet den Wert Null, wodurch ein sanftes Schaltendes Schalters ermöglichtwird. Eine zu dem Schalter 161 und dem Kondensator 285 parallelgeschaltete Diode 286 verhindert ein (gefährliches) Umkehrender an den Anschlüssendes Schalters 161 anliegenden Spannung. Die Diode 286 ermöglicht esferner, die Kontinuitätdes auf diese Resonanz zurückzuführendenStroms zu gewährleisten. Sobalddie an den Anschlüssendes Schalters 161 anliegende Spannung nahe Null ist, kannder Ein-/Aus-Schalter 281 geschlossen werden (d.h. ein Durchschaltenveranlasst werden), und unmittelbar anschließend kann der Ein-/Aus-Schalter 281 geöffnet werden.Der in der Induktivität 283 gespeicherte Stromfließt über dieDiode 284 zum Ausgang.
    [0041] Ein Vorteil des Konverters bestehtdarin, dass dieser lediglich einen Schalthilfskreis benötigt, umden Schalter 161 zu schützen.Dies vereinfacht die Anordnung und macht diese kostengünstiger.
    [0042] Die offenbarten Ausführungsbeispieleeines Konverters sind nicht streng auf die beschriebenen Topologienbeschränkt,sondern lassen sich auch auf symmetrische Topologien oder solcheerweitern, in denen zwischen den beschrieben Komponenten weitereKomponenten eingefügtsein können.Außerdem kanndie Induktivitätdurch einen Transformator ersetzt werden. Darüber hinaus können dieKombinationen der Konfigurationen auch voneinander unabhängig inBetracht gezogen werden.
    [0043] Ein Tief-Hochsetzsteller (10),zu dem gehören:ein Eingang (12) und ein Ausgang (14), eine Schaltzelle(16) mit einem zwischen dem Eingang (12) und demAusgang (14) angeordneten Schalter (161) und einWahlschalter (18), der die Schaltzelle (16) wahlweisein mindestens zwei der folgenden Konfigurationen konfiguriert: eineParallelchopperkonfiguration, eine Seriellchopperkonfiguration oder eineInduktivspeicherchopperkonfiguration, wobei die Zelle (16)in sämtlichender Konfigurationen denselben Schalter (161) verwendet.Der Konverter weist einen einzigen Schalter für vielfältige Betriebsmodi des Konvertersauf.
    [0044] Der Fachmann kann vielfältige Abwandlungenan der Struktur/Vorgehensweise und/oder der Funktion und/oder demErgebnis der offenbarten Ausführungsbeispielevornehmen oder vorschlagen ohne von dem Gegenstand und Schutzumfangder Erfindung abzuweichen.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Tief-Hochsetzsteller (10), der aufweist: einenEingang (12) und einen Ausgang (14); eineSchaltzelle (16) mit einem Schalter (161) zwischendem Eingang (12) und dem Ausgang (14); einenWahlschalter (18), der wahlweise die Schaltzelle (16)in mindestens zwei der nachfolgenden Konfigurationen konfiguriert: eineParallelchopperkonfiguration oder eine Seriellchopperkonfigurationoder; eine Induktivspeicherchopperkonfiguration; wobeidie Zelle (16) in sämtlichender Konfigurationen denselben Schalter (161) verwendet.
    [2] Konverter nach Anspruch 1, bei dem der Wahlschalter(18) die Schaltzelle (16) wahlweise gemäß den dreiKonfigurationen konfiguriert.
    [3] Konverter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schaltzelleeinen Induktor (162) und Dioden (163, 164, 165)umfasst.
    [4] Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beidem der Schalter (161) ein Transistor ist.
    [5] Konverter nach Anspruch 4, bei dem der Schalter (161)ein Hochfrequenztransistor von beispielsweise 30 kHz ist.
    [6] Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beidem der Wahlschalter (18) zwei Transistoren (181, 182)umfasst.
    [7] Konverter nach Anspruch 6, bei dem der Wahlschalter(18) zwei Transistoren (181, 182) einerNiederfrequenz, beispielsweise 50 kHz, umfasst.
    [8] Konverter nach Anspruch 6 oder 7, bei dem in derParallelchopperkonfiguration die Transistoren (181, 182)beide durchgeschaltet sind; in der Seriellchopperkonfiguration dieTransistoren (181, 182) beide gesperrt sind; undin der Induktivspeicherchopperkonfiguration der Transistor (181)durchgeschaltet ist und der Transistor (182) nicht durchgeschaltetist.
    [9] Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche miteinem Kondensator (20), der dazu dient, die Spannung amAusgang (14) zu filtern.
    [10] Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche miteiner Diodenbrücke(22) an dem Eingang (12).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    FR2852463B1|2005-05-06|
    US7208920B2|2007-04-24|
    US20040245966A1|2004-12-09|
    FR2852463A1|2004-09-17|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-06-09| 8141| Disposal/no request for examination|
    2011-06-09| R005| Application deemed withdrawn due to failure to request examination|Effective date: 20110312 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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