DE102020117180A1 - Step-up converter for a power supply of an electrical consumer and a power supply and method for up-converting the input voltage in a power supply of an electrical consumer - Google Patents

Step-up converter for a power supply of an electrical consumer and a power supply and method for up-converting the input voltage in a power supply of an electrical consumer Download PDF

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Jürgen Sasse
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, aufweisend eine Gleichrichter- oder Polwenderschaltung (D1, D2; S3, S4), eine Induktivität (L1) und einen Siebkondensator (C1), wobei die Induktivität (L1) an einen Pol einer Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt (P1) zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1 und S2). Gemäß der Erfindung ist der erste Halbleiterschalter (S1) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1) geschaltet. Der Aufwärtswandler weist eine Signalerzeugungseinheit (110) zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter (S1, S2) auf, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1). Zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1) wird der erste Halbleiterschalter (S1) geöffnet und der zweite Halbleiterschalter (S2) geschlossen und der Siebkondensator (C1) entsprechend aufgeladen. Die Signalerzeugungseinheit (110) weist Mittel zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand (R1), insbesondere zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1) auf. Dieser Aufwärtswandler (100) kann vorteilhaft als Leistungsfaktor-Vorregler bei Stromversorgungen eingesetzt werden.The invention relates to a step-up converter for a power supply for an electrical consumer, having a rectifier or pole changer circuit (D1, D2; S3, S4), an inductor (L1) and a filter capacitor (C1), the inductor (L1) being connected to one pole is connected to an AC voltage source (ACin) and to a node (P1) between two semiconductor switches (S1 and S2). According to the invention, the first semiconductor switch (S1) is connected in series with a measuring resistor (R1). The step-up converter has a signal generation unit (110) for generating control signals for the two semiconductor switches (S1, S2), with the first semiconductor switch (S1) being closed and the second semiconductor switch (S2) being opened for step-up conversion of the input voltage when the input voltage (Vin) is positive is used to drive a current through the inductor (L1) to magnetize the inductor (L1). To demagnetize the inductance (L1), the first semiconductor switch (S1) is opened and the second semiconductor switch (S2) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly. The signal generation unit (110) has means for detecting the current through the measuring resistor (R1), in particular at the beginning of the phase for magnetizing the inductance (L1). This boost converter (100) can be used advantageously as a power factor pre-regulator in power supplies.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Stromversorgung, die einen Aufwärtswandler gemäß der Erfindung aufweist. Dabei kann der Aufwärtswandler insbesondere als Leistungsfaktor-Vorregler in einem Schaltnetzgerät eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers.The present invention relates to a step-up converter for a power supply for supplying an electrical consumer. The invention further relates to a power supply which has a boost converter according to the invention. The step-up converter can in particular be used as a power factor pre-regulator in a switched-mode power supply. The invention also relates to a method for up-converting the input voltage in a power supply for an electrical consumer.

Stromversorgungen sind für vielfältige Bereiche und Einsatzzwecke erforderlich. Da der Begriff Stromversorgung vielfältig verwendet wird, wird im Folgenden der Begriff Stromrichter verwendet. Sie haben die Aufgabe, den Stromfluss zwischen Stromquelle und Last zu steuern oder von einer Stromart in eine andere umzuformen. Sie gehören zum Teilgebiet der Leistungselektronik innerhalb der Elektrotechnik. Es gibt folgende Arten von Stromrichtern: Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichstrom-Umrichter und Wechselstrom-Umrichter. Zu diesen verschiedenen Stromrichtern gehören auch die Netzgeräte, die auch als Netzteile bezeichnet werden. Sie haben die Aufgabe, elektronische Betriebsmittel mit einer Gleichspannung zu versorgen. Man unterscheidet lineare Netzgeräte und Schaltnetzgeräte. Die Schaltnetzgeräte gehören gleichzeitig zu den geregelten Netzgeräten.Power supplies are required for a wide variety of areas and purposes. Since the term power supply is used in many ways, the term power converter will be used in the following. Their task is to control the flow of current between the power source and load or to convert it from one type of current to another. They belong to the sub-area of power electronics within electrical engineering. There are the following types of power converters: rectifiers, inverters, DC converters, and AC converters. These various power converters also include the power supply units, which are also referred to as power supply units. Their task is to supply electronic equipment with direct voltage. A distinction is made between linear power supply units and switched-mode power supply units. The switched-mode power supply units are also part of the regulated power supply units.

Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Schaltnetzgerätes. Es besteht aus den Komponenten aktive PFC-Schaltung 10, Gleichstromsteller 20, Leistungsübertragungsstufe 30, Glättung 40, Regelstufe 50, Potenzialtrennung 60 und Steuerung 70. Am Eingang des Schaltnetzgerätes steht die Netzspannung aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz an. Als Beispiel wird die Wechselspannung mit dem Effektivwert von 230 V und einer Netzfrequenz von 50 Hz genannt. In der aktiven PFC-Schaltung 10 können die folgenden drei Komponenten vorhanden sein, Netzfilter 1, Hochsetzsteller 2 und Siebkondensator 3. Am Ausgang der aktiven PFC-Schaltung 10 steht eine hohe Gleichspannung an, die z.B. den Spannungswert 400 V betrifft. Diese Gleichspannung wird durch den Gleichstromsteller 20 in ein Rechtecksignal zerhackt. Darin befindet sich ein Leistungstransistor, z.B. bipolarer Transistor 4, MOSFET-Transistor, entsprechend Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Thyristor oder IGBT, entsprechend Insulated Gate Bipolar Transistor, der durch Schaltvorgänge das Rechtecksignal erzeugt. Durch Verändern des Tastgrades des Rechtecksignales lassen sich verschiedene Spannungen und Ströme und damit auch verschiedene Leistungen einstellen. Für die Ansteuerung der Leistungsschalter werden hauptsächlich die Techniken Pulsweiten-Modulation (PWM) und Pulsfolge-Modulation (PFM) eingesetzt.the 1 shows the basic structure of a switched-mode power supply. It consists of the components active PFC circuit 10 , DC chopper 20th , Power transfer stage 30th , Smoothing 40 , Control stage 50 , Electrical isolation 60 and control 70 . The mains voltage from the public power supply network is present at the input of the switched-mode power supply. An example is the AC voltage with an effective value of 230 V and a mains frequency of 50 Hz. In the active PFC circuit 10 the following three components may be present, line filters 1 , Boost converter 2 and filter capacitor 3 . At the output of the active PFC circuit 10 if there is a high DC voltage, which affects a voltage value of 400 V, for example. This DC voltage is generated by the DC chopper 20th chopped into a square wave signal. A power transistor, for example a bipolar transistor, is located in it 4th , MOSFET transistor, corresponding to Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, thyristor or IGBT, corresponding to Insulated Gate Bipolar Transistor, which generates the square-wave signal through switching processes. By changing the duty cycle of the square wave signal, different voltages and currents and thus different powers can be set. Pulse width modulation (PWM) and pulse train modulation (PFM) techniques are mainly used to control the circuit breakers.

Für Netzgeräte, die für Leistungsbereiche von 75 W und mehr ausgelegt sind, ist es Vorschrift, dass sie mit der PFC-Technik, entsprechend Power Factor Correction, ausgestattet werden, um Rückwirkungen auf das Stromversorgungsnetz durch Erzeugen von Oberschwingungen zu vermeiden. Dies wird auch in der europäischen Norm EN61000-3-2 definiert. Dafür wird häufig eine aktive PFC-Schaltung eingesetzt. Diese besteht aus einer Art zusätzliches Schaltnetzteil, das dem eigentlichen vorgeschaltet ist, und dafür sorgt, dass der aufgenommene Strom der sinusförmigen Netzspannung entspricht. Der Strom folgt dadurch einem Verlauf, wie ihn ein Widerstand an der aktuellen Netzspannung hervorrufen würde. Somit wird bei einer nicht genau sinusförmigen Netzspannung, wie sie in Stromnetzen häufig vorkommt, der tatsächliche Verlauf - nicht der idealisierte - der Netzspannung nachgefahren. Der Leistungsfaktor bleibt dabei nahe bei Eins und es entstehen weniger Oberschwingungen. Diese könnten sich sonst „Aufschaukeln“ und zur Überlastung des Stromnetzes führen. Der Leistungsfaktor gibt dabei das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung an. Ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Null, sind Wirkleistung und Scheinleistung gleich und der Leistungsfaktor bleibt bei Eins. Wenn zwischen Spannung und Strom merkliche Phasenunterschiede bestehen, fließt Leistung zurück zum Elektrizitätswerk und der Leistungsfaktor sinkt unter Eins. Aktive PFC-Schaltungen bestehen in der Regel aus einem Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem Aufwärtswandler, der einen Kondensator mit großer Kapazität auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung, z.B. 400 V, auflädt. Aus diesem wird dann der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt. Ein Aufwärtswandler wird auch als Hochsetzsteller bezeichnet. Es handelt sich um einen Sperrwandler, bei dem eine Spule einen Strom durch die Last treibt, wenn der Schalttransistor sperrt.For power supply units that are designed for power ranges of 75 W and more, it is a requirement that they are equipped with PFC technology, corresponding to Power Factor Correction, in order to avoid repercussions on the power supply network by generating harmonics. This is also defined in the European standard EN61000-3-2. An active PFC circuit is often used for this. This consists of a kind of additional switched-mode power supply that is connected upstream of the actual power supply and ensures that the current consumed corresponds to the sinusoidal mains voltage. As a result, the current follows a curve that would be caused by a resistance at the current mains voltage. Thus, if the mains voltage is not exactly sinusoidal, as it often occurs in power networks, the actual course - not the idealized one - of the mains voltage is followed. The power factor remains close to one and there are fewer harmonics. Otherwise these could "build up" and overload the power grid. The power factor indicates the ratio of real power to apparent power. If the phase shift between current and voltage is zero, the real power and apparent power are the same and the power factor remains at one. If there are noticeable phase differences between voltage and current, power will flow back to the utility and the power factor will drop below unity. Active PFC circuits usually consist of a rectifier with a directly downstream step-up converter, which charges a capacitor with a large capacity to a voltage above the peak voltage of the AC mains voltage, e.g. 400 V. From this the actual consumer (switched-mode power supply or e.g. electronic ballast for fluorescent lamps) is supplied. A step-up converter is also known as a step-up converter. It is a flyback converter in which a coil drives a current through the load when the switching transistor blocks.

Die 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Aufwärtswandlers, der in einer solchen aktiven PFC-Schaltung eingesetzt werden kann. Durch den Betrieb von Hochsetzstellerschaltungen im sogenannten Boundary Conduction Mode wird ein verlustarmes Schalten, von üblicherweise eingesetzten MOSFET Halbleiterschaltern S, erreicht. Hierbei wird der Hochsetzsteller 100 in der Nähe der Lückgrenze des Drosselstroms IL so betrieben, dass sowohl stromloses Einschalten, sogenanntes „Zero Current Switching“ (ZCS), als auch spannungsloses Einschalten, sogenanntes „Zero Voltage Switching“ (ZVS), des Schalters S ermöglicht wird. Die Drossel L1 des Hochsetzstellers 100 sowie die Ausgangskapazität des Halbleiterschalters Coss bilden dabei einen Serienresonanzschwingkreis. Dieser Schwingkreis wird innerhalb der halben Periodendauer seiner Eigenfrequenz umgeladen, so dass bei Vorzeichenwechsel des Drosselstroms IL die Ausgangskapazität Coss auf den doppelten Wert der Hochsetzsteller-Eingangsspannung Vin , abzüglich der Hochsetzsteller-Ausgangsspannung Vout umgeladen wird. Dadurch werden bei erneutem Einschalten des Halbleiterschalters S die Schaltspannung sowie der Einschaltstrom und somit die Schaltverluste reduziert. Solche Schaltverluste entstehen, wenn der Halbleiterschalter S stromdurchflossen ist. Nach dem Ohm'schen Gesetz gilt, P = U*I. Die Verlustleistung P, die in dem Halbleiterschalter S in Wärme umgesetzt wird, ist damit davon abhängig, wie hoch die Spannung ist, die anliegt.the 2 shows the basic circuit diagram of a step-up converter that can be used in such an active PFC circuit. By operating step-up converter circuits in what is known as the boundary conduction mode, low-loss switching of the MOSFET semiconductor switches S commonly used is achieved. The step-up converter is used here 100 near the gap limit of the inductor current I L operated in such a way that both currentless switching on, so-called "Zero Current Switching" (ZCS), as well as voltage-free switching on, so-called "Zero Voltage Switching" (ZVS), of the switch S is possible. The thrush L1 of the boost converter 100 and the output capacitance of the semiconductor switch Coss form one Series resonance circuit. This resonant circuit is recharged within half the period of its natural frequency, so that when the sign of the inductor current changes I L the output capacitance Coss to twice the value of the boost converter input voltage V in , minus the boost converter output voltage Vout is reloaded. As a result, when the semiconductor switch S is switched on again, the switching voltage and the inrush current and thus the switching losses are reduced. Such switching losses occur when the semiconductor switch S has current flowing through it. According to Ohm's law, P = U * I. The power loss P, which is converted into heat in the semiconductor switch S, is therefore dependent on how high the voltage is that is present.

In der 3 sind Spannungs- und Stromverlauf über eine vollständige Schaltperiode des Halbleiterschalter S dargestellt. Der Stromverlauf IL ist Dreieck-förmig. Während der Einschaltphase ton steigt der Strom durch die Drosselspule L1 linear an. Während der Ausschaltphase toff fällt der Strom durch die Drosselspule L1 linear ab. In der Phase tRes , die der halben Periodendauer der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus Drosselspule L1 und Kapazität des Halbleiterschalters S entspricht, ändert sich sogar die Stromrichtung. Dabei setzen sich die zeitlichen Zusammenhänge wie folgt zusammen: t O n = P i n 2 L V i n 2

Figure DE102020117180A1_0001
t O f f = V i n V o u t V i n t O n
Figure DE102020117180A1_0002
t R e s = π L C O s c
Figure DE102020117180A1_0003
In the 3 voltage and current curves over a complete switching period of the semiconductor switch S are shown. The course of the current I L is triangular-shaped. During the switch-on phase t on the current through the reactor increases L1 linear. During the switch-off phase toff, the current falls through the choke coil L1 linearly. In the phase t res , which is half the period of the resonance frequency of the resonant circuit consisting of a choke coil L1 and the capacitance of the semiconductor switch S corresponds, even the current direction changes. The temporal relationships are made up as follows: t O n = P. i n 2 L. V i n 2
Figure DE102020117180A1_0001
t O f f = V i n V O u t - V i n t O n
Figure DE102020117180A1_0002
t R. e s = π L. C. O s c
Figure DE102020117180A1_0003

Dabei bedeuten Pin die Eingangsleistung und L die Induktivität der Drosselspule L1. Um ein möglichst verlustfreies Schalten des Halbleiterschalters zu gewährleisten, darf die Periodendauer Ts eines Schaltzyklus nicht kürzer sein als: T s m i n = t O n + t O f f + t R e s .

Figure DE102020117180A1_0004
P in is the input power and L is the inductance of the choke coil L1 . In order to ensure that the semiconductor switch is switched with as little loss as possible, the period T s of a switching cycle must not be shorter than: T s m i n = t O n + t O f f + t R. e s .
Figure DE102020117180A1_0004

So ist es dann gewährleistet, dass die Transistorkapazität des Halbleiterschalters S für ein verlustfreies Schalten entladen werden kann.This then ensures that the transistor capacitance of the semiconductor switch S can be discharged for loss-free switching.

In besonders verlustoptimierten Anwendungen kommt an Stelle eines konventionellen Aufwärtswandlers gem. 2 eine Halbbrücken-PFC-Schaltung mit mindestens zwei aktiven Halbleiterschaltern S1, S2 zum Einsatz. Diese ist in 4 dargestellt. Dabei wird die Diode D aus 2 durch einen weiteren Halbleiterschalter S2 ersetzt.In particularly loss-optimized applications, instead of a conventional boost converter according to 2 a half-bridge PFC circuit with at least two active semiconductor switches S1 , S2 for use. This is in 4th shown. Thereby the diode D. out 2 by another semiconductor switch S2 replaced.

Die zeitlichen Zusammenhänge, die für die Schaltung gem. 2 gelten, sind in dem US-Patent US 8,766,605 B2 in Bezug auf den Einsatz einer Halbbrücken-PFC-Schaltung erläutert. Dabei wird mit dem Begriff Halbbrücken-PFC-Schaltung ausgedrückt, dass sowohl die positive wie auch die negative Halbwelle durch denselben Halbleiterschalter-Zweig aufwärtsgewandelt wird. Dies macht allerdings eine Polwenderschaltung erforderlich, die den Stromkreis schließt.The temporal relationships that are necessary for the circuit in accordance with 2 apply are in the US patent US 8,766,605 B2 explained in relation to the use of a half-bridge PFC circuit. The term half-bridge PFC circuit expresses that both the positive and the negative half-wave are up-converted by the same semiconductor switch branch. However, this makes a pole reversing circuit necessary, which closes the circuit.

In der 5 wird die zeitliche Abfolge der Ansteuersignale der Halbleiterschalter S1 und S2 für eine positive Eingangsspannung Vin dargestellt. Die Ansteuersignale werden dabei über das Setzen von Stromschwellen Ih und Il erzeugt. Der Strom muss dafür messtechnisch erfasst werden und mit vorgegebenen Werten verglichen werden.In the 5 becomes the time sequence of the control signals of the semiconductor switches S1 and S2 for a positive input voltage V in shown. The control signals are generated by setting current thresholds I h and I l. For this purpose, the current must be recorded using measurement technology and compared with specified values.

Die Bedingung für das Abschalten von S1 und das Einschalten von S2 ist in diesem Fall das Überschreiten der Stromschwelle Ih des Drosselstroms IL . Dabei wird die Stromschwelle Ih für den jeweiligen Arbeitspunkt von einem Stromregler vorgegeben. Die Bedingung für das Abschalten von S2 und das Einschalten von S1 ist in diesem Fall das Unterschreiten der Stromschwelle Il des Drosselstroms IL . Die Stromschwelle Il ist statisch vorgegeben und deren Lage sorgt für ein vollständiges Umladen von der Kapazität Cosc des Halbleiterschalter S1.In this case, the condition for switching off S1 and switching on S2 is that the current threshold I h of the inductor current is exceeded I L . The current threshold I h for the respective operating point is specified by a current regulator. In this case, the condition for switching off S2 and switching on S1 is that the current threshold I l of the inductor current is undershot I L . The current threshold I l is statically specified and its position ensures that the capacity is completely recharged C osc of the semiconductor switch S1 .

Dabei bleibt im Gegensatz zur Schaltung in 2, bei der die Diode D den Umladevorgang bestimmt, der Schalter S2 so lange eingeschaltet bis ein vollständiges Umladen der Kapazität Cosc auf 0 V erfolgt ist. Danach wird Halbleiterschalter S1 ein- und S2 zeitgleich abgeschaltet, so dass der Strom IL von S2 auf S1 kommutieren kann und die Stromrichtung des Stromes IL wieder wechselt. Es beginnt ein neuer Zyklus mit dem Aufmagnetisieren der Drosselspule.In contrast to the circuit, in 2 where the diode D. The switch determines the reloading process S2 switched on until the capacity has been completely reloaded C osc to 0 V. After that, it becomes a semiconductor switch S1 switched on and S2 switched off at the same time, so that the current I L can commutate from S2 to S1 and the direction of the current I L changes again. A new cycle begins with the magnetization of the choke coil.

Einzelheiten zu diesem Ansteuerverfahren sind in den Dokumenten US 20070109822 A1 und US 8026704 B2 näher beschrieben.Details on this control method can be found in the documents US 20070109822 A1 and US 8026704 B2 described in more detail.

Ein alternatives Verfahren zur Generierung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter S1 und S2 ist aus einer Doktorarbeit „Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application‟, von Jian Li, April 14, 2009 , Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University, bekannt. Dabei werden zur Generierung der Schaltzeiten tonS1 und tonS2 der Halbleiterschalter S1 und S2 Komparatoren eingesetzt, die den durch den Strom IL verursachten Spannungsabfall in einem Messwiderstand mit Spannungsschwellwerten vergleichen.An alternative method for generating the control signals for the semiconductor switches S1 and S2 is from a doctoral thesis "Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", by Jian Li, April 14, 2009 , Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University. The semiconductor switches are used to generate the switching times t onS1 and t onS2 S1 and S2 Comparators are used to track the current I L Compare the voltage drop caused in a measuring resistor with voltage threshold values.

Aus dem Dokument „LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System‟; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 ist ein Schaltungsdesign für eine PFC-Schaltung, die im sogenannten „Boundary Conduction Mode“ (BCM) betrieben wird, bekannt.From the document "LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System"; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 a circuit design for a PFC circuit that is operated in the so-called "Boundary Conduction Mode" (BCM) is known.

Die erwähnten Verfahren zur Generierung der Ansteuersignale für Aufwärtswandler-Topologien, die mit 2 Stromschaltern S1, S2 betrieben werden, benötigen die gesamte Information über den Stromverlauf durch die Induktivität L, um mit Komparatoren die Ansteuersignale zu erzeugen. Die vorgestellten Lösungen ermöglichen dies aber nur unter Inkaufnahme erheblicher Nachteile.The mentioned methods for generating the control signals for step-up converter topologies with 2 current switches S1 , S2 are operated, require all the information about the current flow through the inductance L in order to generate the control signals with comparators. However, the solutions presented only make this possible with the acceptance of considerable disadvantages.

Bei der einen Lösung geschieht die Messung des Stroms IL direkt mit einem Messwiderstand (Shunt) im Strompfad von IL unter Einsatz eines Schaltkreises zur Potenzialtrennung, der das Signal auf das Messpotenzial bringt.In one solution, the current is measured I L directly with a measuring resistor (shunt) in the current path of I L using a circuit for electrical isolation that brings the signal to the measurement potential.

Nachteile:

  1. a. Schaltkreise zur Potenzialtrennung verursachen höhere Kosten
  2. b. Schaltkreise zur Potenzialtrennung haben oft nur eine geringe Bandbreite und geben das Signal verzerrt wieder.
Disadvantage:
  1. a. Circuits for electrical isolation cause higher costs
  2. b. Electrical isolation circuits often only have a small bandwidth and reproduce the signal in a distorted manner.

Bei der anderen Lösung erfolgt die Messung des Stroms mit Stromwandlern in den einzelnen Stromschalterpfaden unter Einsatz zusätzlicher Schaltmittel zur Entmagnetisierung der Stromwandler und zusätzlicher Schaltmittel, um den Strom bidirektional zu messen.In the other solution, the current is measured with current transformers in the individual current switch paths using additional switching means to demagnetize the current transformers and additional switching means to measure the current bidirectionally.

Nachteile:

  • c. Es handelt sich um aufwendige Schaltmittel mit vielen Komponenten
  • d. Stromwandler sind im Regelfall teurer als Strommesswiderstände (Shunts). Sie messen den Strom meistens indirekt über eine
Disadvantage:
  • c. It is a complex switching device with many components
  • d. Current transformers are usually more expensive than current measuring resistors (shunts). They mostly measure the current indirectly via a

Messung der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes, das durch den Stromfluss erzeugt wird, mit Spulen oder Hall-Sensoren.Measurement of the magnetic field strength of the magnetic field generated by the flow of current with coils or Hall sensors.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Aufwärtswandler für Stromversorgungen bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile vermeidet. Dabei wurde es von den Erfindern erkannt, dass das Potenzial für die Mess- und Kontrollschaltungen wie üblich auf das störungsarme Potenzial der negativen Zwischenkreisspannung gelegt werden sollte. Zusätzlich soll eine möglichst günstige Strommessung mit Hilfe nur eines Messwiderstandes im Strompfad mit geringer Zusatzbeschaltung für die Erfassung des Stroms ausreichen.It is therefore the object of the invention to provide a step-up converter for power supplies which avoids the disadvantages mentioned above. The inventors recognized that the potential for the measurement and control circuits should, as usual, be placed on the low-interference potential of the negative intermediate circuit voltage. In addition, the most favorable current measurement possible with the aid of just one measuring resistor in the current path with little additional circuitry should be sufficient for recording the current.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufwärtswandler gemäß Anspruch 1, eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung gemäß Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a step-up converter according to claim 1, a power supply for an electrical load according to claim 12 and a method for up-converting the input voltage in a power supply according to claim 14.

Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung.The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description.

In einer generellen Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, aufweisend eine Gleichrichter- oder Polwenderschaltung, eine Induktivität und einen Siebkondensator, wobei die Induktivität an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Dieser Aufwärtswandler zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Halbleiterschalter in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet ist, und eine Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter aufweist, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität wird der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen und der Siebkondensator entsprechend geladen. Die Signalerzeugungseinheit weist dabei Mittel auf zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität und einen Siebkondensator, wobei die Induktivität an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. In einer bevorzugten Ausprägung ist der erste Halbleiterschalter in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet zur Messung des Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt. Dabei ist in dem Aufwärtswandler eine Signalerzeugungseinheit vorgesehen zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter. Zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung wird der erste Halbleiterschalter geschlossen und der zweite Halbleiterschalter geöffnet, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität wird der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen. So wird in der Phase der Abmagnetisierung der Siebkondensator entsprechend geladen. Weiterhin weist die Signalerzeugungseinheit Mittel auf zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität bei positiver Eingangsspannung. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein möglichst verlustloses Schalten der Halbleiterschalter möglich wird. Besonders störend für ein verlustloses Schalten ist nämlich die Kapazität des Halbleiterschalters. Sie bewirkt eine Spannung während des Schaltvorgangs, die zusammen mit dem verbleibenden Stromfluss in dem Halbleiterschalter zu einer Verlustleistung führt. Um verlustlos zu schalten, ist die möglichst vollständige Entladung der Kapazität des Halbleiterschalter erforderlich. Dafür ist eine Strommessung erforderlich. Ein besonderer Vorteil der Schaltung liegt darin, dass ein einfacher Messwiderstand für die Strommessung ausreicht.In a general embodiment, the invention relates to a step-up converter for a power supply of an electrical load, having a rectifier or pole-changing circuit, an inductance and a filter capacitor, the inductance being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. This step-up converter is characterized in that the first semiconductor switch is connected in series with a measuring resistor and has a signal generation unit for generating control signals for the two semiconductor switches, the first semiconductor switch being closed and the second semiconductor switch being opened for up-converting the input voltage when the input voltage is positive is to drive a current through the inductance to magnetize the inductance. To demagnetize the inductance, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed and the filter capacitor is charged accordingly. The signal generation unit has means for detecting the Current through the measuring resistor to the beginning of the phase for magnetizing the inductance and a filter capacitor, the inductance being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. In a preferred embodiment, the first semiconductor switch is connected in series with a measuring resistor in order to measure the current flowing through the first semiconductor switch. In this case, a signal generation unit is provided in the step-up converter for generating control signals for the two semiconductor switches. To up-convert the input voltage when the input voltage is positive, the first semiconductor switch is closed and the second semiconductor switch is opened in order to drive a current through the inductance to magnetize the inductance. To demagnetize the inductance, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed. In the demagnetization phase, the filter capacitor is charged accordingly. Furthermore, the signal generation unit has means for detecting the current through the measuring resistor at the beginning of the phase for magnetizing the inductance with a positive input voltage. The invention offers the advantage that switching of the semiconductor switches with as little loss as possible becomes possible. This is because the capacitance of the semiconductor switch is particularly disruptive to lossless switching. It causes a voltage during the switching process which, together with the remaining current flow in the semiconductor switch, leads to a power loss. In order to switch without loss, it is necessary to discharge the capacitance of the semiconductor switch as completely as possible. A current measurement is required for this. A particular advantage of the circuit is that a simple measuring resistor is sufficient for current measurement.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Aufwärtswandlung der Eingangswechselspannung bei negativer Eingangsspannung der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität, wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird. In der Phase der Abmagnetisierung wird der Siebkondensator entsprechend geladen. Dabei weist die Signalerzeugungseinheit Mittel auf zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität. Diese Variante der Erfindung ermöglicht verlustloses Schalten der Halbleiterschalter durch Anpassen der Ansteuersignale der Halbleiterschalter auch bei Anliegen der negativen Halbwelle der Eingangswechselspannung. So ermöglicht die Erfindung den Verzicht auf eine Halbschwingungsgleichrichtung, die zusätzliche Kosten verursachen würde.In a further development of the invention, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed to drive a current through the inductance to magnetize the inductance, whereby the first semiconductor switch is closed and the second semiconductor switch is closed to demagnetize the inductance to demagnetize the inductance is opened. In the demagnetization phase, the filter capacitor is charged accordingly. The signal generation unit has means for detecting the current through the measuring resistor at the end of the phase for demagnetizing the inductance. This variant of the invention enables lossless switching of the semiconductor switches by adapting the control signals of the semiconductor switches even when the negative half-wave of the AC input voltage is applied. The invention thus makes it possible to dispense with half-wave rectification, which would result in additional costs.

Für das möglichst verlustlose Schalten ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine Berechnungseinheit aufweist, die die Regelzykluszeit für die Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und Ausgangsspannung vorausberechnet. Ein Regelzyklus besteht dabei aus den Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung. Dabei weist die Signalerzeugungseinheit weiterhin eine Regelungsstufe auf, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand und einem Strom-Referenzwert einen Korrekturwert für die Regelzykluszeit berechnet. So können verschiedene Faktoren, die für eine genauere Berechnung der Regelzykluszeit erforderlich wären, unberücksichtigt gelassen werden. Manche Faktoren, wie Bauteilstreuungen, sind unvermeidlich und könnten nur durch großen Aufwand erfasst werden. Außerdem könnten einige Faktoren alterungsbedingt sein, was noch mehr Aufwand für deren Berücksichtigung bedeutet.For switching with as little loss as possible, it is also advantageous if the signal generation unit has a calculation unit which precalculates the control cycle time for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle as a function of the input voltage and output voltage. A control cycle consists of the phases for magnetization and demagnetization. The signal generation unit also has a control stage which, based on the difference between the measured current value through the measuring resistor and a current reference value, calculates a correction value for the control cycle time. In this way, various factors that would be required for a more precise calculation of the control cycle time can be left out of consideration. Some factors, such as component scatter, are unavoidable and could only be captured with great effort. In addition, some factors could be age-related, which means even more effort to take into account.

Es ist besonders vorteilhaft für das verlustlose Schalten, wenn der Korrekturwert in einer Zeitgebereinheit der Signalerzeugungseinheit für den nachfolgenden Regelzyklus zur Anwendung kommt, so dass die Zeitgebereinheit die Regelzykluszeit entsprechend verkürzt oder verlängert. Die Signalerzeugungseinheit erzeugt die Ansteuersignale für die Halbleiterschalter. It is particularly advantageous for lossless switching if the correction value is used in a timer unit of the signal generation unit for the subsequent control cycle, so that the timer unit shortens or extends the control cycle time accordingly. The signal generation unit generates the control signals for the semiconductor switches.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit eine weitere Regelungsstufe aufweist, die aus der Differenz zwischen vorgegebener Ausgangsspannung und gemessener Ausgangsspannung eine Aufmagnetisierungszeit berechnet. Dies entspricht einem Spannungsregler, der eine Regelgröße ausgibt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.It is also advantageous that the signal generation unit has a further control stage which calculates a magnetization time from the difference between the specified output voltage and the measured output voltage. This corresponds to a voltage regulator that outputs a controlled variable in order to keep the output voltage constant.

Zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter ist es vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine weitere Zeitgebereinheit aufweist, an die die berechnete Aufmagnetisierungszeit weitergeleitet wird, in der die berechnete Aufmagnetisierungszeit für eine Anzahl nachfolgender Regelzyklen zur Anwendung kommt. Die Ansteuersignale werden in Form von PWM-Signalen erzeugt. Durch die getrennten Zeitgebereinheiten kann das Tastverhältnis der PWM-Signale variabel eingestellt werden.To generate the control signals for the semiconductor switches, it is advantageous if the signal generation unit has a further timer unit to which the calculated magnetization time is passed on, in which the calculated magnetization time is used for a number of subsequent control cycles. The control signals are generated in the form of PWM signals. The pulse duty factor of the PWM signals can be set variably through the separate timer units.

Dabei besteht eine vorteilhafte Variante darin, dass die Anzahl der Regelzyklen, für die die berechnete Aufmagnetisierungszeit zur Anwendung kommt, für eine Halbwelle der Eingangswechselspannung gültig ist. Die Aufmagnetisierungszeit wird der Einfachheit halber über eine Halbwelle konstant gehalten, während die Abmagnetisierungszeit angepasst wird.In an advantageous variant, the number of control cycles for which the calculated magnetization time is used is valid for a half-wave of the AC input voltage. For the sake of simplicity, the magnetization time is kept constant over a half-wave, while the demagnetization time is adjusted.

Dafür ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit mit einer Eingangswechselspannungs-Erfassungseinheit ausgestattet ist, die zur Ermittlung der Phasenlage der Eingangswechselspannung eingerichtet ist, und die Information über die Phasenlage, insbesondere ob die positive Halbwelle oder negative Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt, an eine Konfigurationseinheit der Signalerzeugungseinheit liefert. Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers ist für die positive und negative Halbwelle der Eingangswechselspannung unterschiedlich. Deshalb ist die Erfassung der Phasenlage vorteilhaft.For this, it is also advantageous that the signal generation unit is equipped with an input AC voltage detection unit, which is set up to determine the phase position of the input AC voltage, and the information about the phase position, in particular whether the positive half-wave or negative half-wave of the input alternating voltage is present, to a configuration unit of the Signal generating unit supplies. The mode of operation of the step-up converter according to the invention is different for the positive and negative half-waves of the AC input voltage. It is therefore advantageous to detect the phase position.

Diesbezüglich besteht eine weitere vorteilhafte Variante darin, dass die Konfigurationseinheit eingerichtet ist, eine Anzahl der Komponenten der Signalerzeugungseinheit zu konfigurieren für den Betrieb bei positiver Eingangsspannung oder bei negativer Eingangsspannung, je nachdem was die Information über die Phasenlage der Eingangswechselspannung angibt. Es ist üblich, die verschiedenen Komponenten über Registereinträge zu konfigurieren, was von der Konfigurationseinheit vorgenommen werden kann.In this regard, a further advantageous variant consists in that the configuration unit is set up to configure a number of the components of the signal generation unit for operation with a positive input voltage or with a negative input voltage, depending on what the information about the phase position of the AC input voltage indicates. It is common to see the different To configure components via register entries, which can be done by the configuration unit.

Zur Erfassung des Stroms bei der Entladung der Kapazität des Halbleiterschalters ist es vorteilhaft, den Messwiderstand zwischen den ersten Halbleiterschalter und der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle, an die die Induktivität nicht angeschlossen ist, zu schalten.To detect the current when the capacitance of the semiconductor switch is discharged, it is advantageous to connect the measuring resistor between the first semiconductor switch and the return line to the input AC voltage source to which the inductance is not connected.

Typischerweise wird in Aufwärtswandlern als Induktivität eine Drosselspule eingesetzt. Diese kann durch Anzahl der Windungen und Strecken oder Stauchen und geometrische Gestaltung genau angepasst werden.A choke coil is typically used as the inductance in step-up converters. This can be precisely adapted by the number of turns and stretches or upsetting and geometric design.

In einer weiteren Ausprägung besteht die Erfindung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen erfindungsgemäßen Aufwärtswandler aufweist. Der erfindungsgemäße Aufwärtswandler kann dabei besonders vorteilhaft als Aufwärtswandler zur Leistungsfaktor-Vorregelung in der Stromversorgung dienen.In a further embodiment, the invention consists in a power supply for an electrical consumer which has a step-up converter according to the invention. The step-up converter according to the invention can particularly advantageously serve as a step-up converter for power factor precontrol in the power supply.

Solche Leistungsfaktor-Vorregelungsstufen lassen sich besonders vorteilhaft in Schaltnetzgeräten einsetzen.Such power factor pre-regulation stages can be used particularly advantageously in switched-mode power supplies.

Eine weitere Ausprägung der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers. Dabei weist der Aufwärtswandler eine Gleichrichterschaltung, eine Induktivität und einen Siebkondensator auf, wobei die Induktivität an einen Pol der Eingangsspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Weiterhin ist eine Signalerzeugungseinheit vorhanden zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Halbleiterschalter, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben, zur Aufmagnetisierung der Induktivität, und wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität der erste Halbleiterschalter geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter geschlossen wird und der Siebkondensator entsprechend geladen wird. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass der Strom durch den Messwiderstand zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität gemessen wird und eine Regelzykluszeit für die Phasen zur Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und Ausgangsspannung vorausberechnet wird. Von einer Regelungsstufe wird basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand und einem Strom-Referenzwert ein Korrekturwert für die Regelzykluszeit berechnet, um den die vorausberechnete Regelzykluszeit korrigiert wird. So werden Abweichungen bei der vorausberechneten Regelzykluszeit ausgeregelt und es wird nach einer Anzahl von Regelzyklen die gewünschte Abmagnetisierungszeit erreicht, die zur vollständigen Entladung der Kapazität des Halbleiterschalters führt.Another embodiment of the invention consists in a method for up-converting the input voltage in a power supply of an electrical consumer. The step-up converter has a rectifier circuit, an inductance and a filter capacitor, the inductance being connected to one pole of the input voltage source and to a node between two semiconductor switches. Furthermore, there is a signal generation unit for generating control signals for the semiconductor switches, with the first semiconductor switch being closed for upward conversion of the input voltage with a positive input voltage and the second semiconductor switch being opened in order to drive a current through the inductance, to magnetize the inductance, and for Demagnetization of the inductance, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed and the filter capacitor is charged accordingly. The method is characterized in that the current through the measuring resistor is measured at the beginning of the phase for magnetizing the inductance and a control cycle time for the phases for magnetizing and demagnetizing per control cycle is calculated in advance depending on the input voltage and output voltage. A control stage calculates a correction value for the control cycle time based on the difference between the measured current value through the measuring resistor and a current reference value, by which the precalculated control cycle time is corrected. In this way, deviations in the precalculated control cycle time are corrected and, after a number of control cycles, the desired demagnetization time is reached, which leads to the complete discharge of the capacitance of the semiconductor switch.

Diesbezüglich besteht ein besonderer Vorteil darin, dass bei diesem Verfahren der Strom durch den Messwiderstand zu vorgegebenen Zeiten gemessen wird, die durch die vorausberechnete Regelzykluszeit und um den Korrekturwert korrigiert, vorgegeben werden. Für die Erfindung reicht es aus, den Strom nur zu diesen Zeitpunkten zu messen, was mit kostengünstigen AD-Wandlern möglich ist.In this regard, there is a particular advantage that with this method the current through the measuring resistor is measured at predetermined times, which are predetermined by the precalculated control cycle time and corrected by the correction value. For the invention it is sufficient to measure the current only at these times, which is possible with inexpensive AD converters.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzgerätes;
  • 2 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit einem Halbleiterschalter;
  • 3 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 2 und den Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S aufgrund seiner Drain-Source-Kapazität;
  • 4 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern;
  • 5 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 4 und den Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S1 aufgrund seiner Drain-Source-Kapazität;
  • 6 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern und Polwender-Schaltung;
  • 7 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern, wobei die Polwender-Schaltung mit Dioden realisiert wird;
  • 8 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 7 bei positiver Halbwelle der Eingangsspannung;
  • 9 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 7 bei negativer Halbwelle der Eingangsspannung; und
  • 10 ein Blockschaltbild einer Signalerzeugungseinheit der Halbbrücken-PFC-Schaltung.
Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures shown in the drawings. Show it:
  • 1 a schematic diagram of a switched-mode power supply;
  • 2 a basic circuit diagram of a half-bridge PFC circuit with a semiconductor switch;
  • 3 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit according to 2 and the voltage profile at the semiconductor switch S due to its drain-source capacitance;
  • 4th a basic circuit diagram of a half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches;
  • 5 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit according to 4th and the voltage curve on the semiconductor switch S1 due to its drain-source capacitance;
  • 6th a basic circuit diagram of a half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches and a pole inverter circuit;
  • 7th a basic circuit diagram of a half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches, the pole-changing circuit being implemented with diodes;
  • 8th the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit according to 7th with a positive half-wave of the input voltage;
  • 9 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit according to 7th with negative half-wave of the input voltage; and
  • 10 a block diagram of a signal generation unit of the half-bridge PFC circuit.

Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen. The present description illustrates the principles of the disclosure of the invention. It is therefore understood that those skilled in the art will be able to conceive various designs which, although not explicitly described here, follow the principles of the invention Embody revelation and should also be protected in its scope.

Wie beschrieben, gibt es den Ansatz eine PFC-Schaltung im Boundary Conduction Mode (BCM) zu betreiben. Dabei wird die Zeit ton zum wiederholten Aufmagnetisieren der Induktivität L über eine Sinushalbwelle der Netzwechselspannung konstant gehalten. Diese Zeit ist proportional zur Leistungsabgabe des Schaltnetzgerätes und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung, also z.B. 400 V, konstant halten soll.As described, there is the approach to operate a PFC circuit in Boundary Conduction Mode (BCM). Thereby the time t on for repeated magnetization of the inductance L kept constant over a sinusoidal half-wave of the AC mains voltage. This time is proportional to the power output of the switched-mode power supply and is specified by a voltage regulator, which is supposed to keep the output voltage of the circuit, for example 400 V, constant.

Zusätzlich muss noch die Zeit zum Abmagnetisieren der Induktivität L eingestellt werden. In der genannten Publikation passiert dies durch die Generierung eines Zero Current Detection (ZCD) Signals, das durch den Umladevorgang einer Diode hervorgerufen wird. Dies lässt sich allerdings in einer Aufwärtswandlerschaltung, in der die Funktion der Diode durch einen Stromschalter realisiert wird, aber nicht erzeugen, da dieser Stromschalter nicht von selbst sperrt.In addition, the time to demagnetize the inductance L must be set. In the publication mentioned, this happens through the generation of a Zero Current Detection (ZCD) signal, which is caused by the recharging process of a diode. However, this cannot be generated in a step-up converter circuit in which the function of the diode is implemented by a current switch, since this current switch does not block by itself.

Um dieses Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Zeitpunkt, an dem der zweite Stromschalter abschalten soll, vorauszuberechnen und die Zeit zum Abmagnetisieren entsprechend einzustellen.In order to solve this problem, it is proposed according to the invention to calculate in advance the point in time at which the second current switch is to switch off and to set the time for demagnetization accordingly.

Die Abmagnetisierungszeit (Off-Zeit), in der der erste Stromschalter S1 geöffnet und der zweite S2 geschlossen ist, berechnet sich wie folgt aus der Zeit ton zum Aufmagnetisieren: t o f f = V i n V o u t V i n t o n .

Figure DE102020117180A1_0005
The demagnetization time (off time) in which the first current switch S1 open and the second S2 is closed, is calculated as follows from the time t on for magnetizing: t O f f = V i n V O u t - V i n t O n .
Figure DE102020117180A1_0005

Da die Berechnung durch Bauteil-Toleranzen und andere Faktoren, wie Verzögerungen bei der Generierung der Ansteuersignale in Treiberstufen, etc. abweichen kann, muss geprüft werden, ob mit der berechneten Off-Zeit auch der gewünschte Stromwert in der Induktivität L erreicht wurde.Since the calculation can deviate due to component tolerances and other factors, such as delays in generating the control signals in driver stages, etc., it must be checked whether the desired current value in the inductance L has also been reached with the calculated off-time.

Dazu kann die erforderliche Information des Stroms aus dem Pfad des ersten Halbleiterschalter S1 herangezogen werden. Mit Hilfe eines Strommesswiderstandes lässt sich eine Messspannung erzeugen, die proportional zum Strom durch den Halbleiterschalter S1 ist.For this purpose, the required information about the current can be obtained from the path of the first semiconductor switch S1 can be used. With the help of a current measuring resistor, a measuring voltage can be generated that is proportional to the current through the semiconductor switch S1 is.

Die 6 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Halbbrücken-PFC-Schaltung. Die sinusförmige Netzspannung mit 230 V Effektivwert und 50 Hz Netzfrequenz steht am Eingang ACin an. In die obere Leitung ist eine Drosselspule L1 geschaltet. Im Beispiel weist sie eine Induktivität von 64 µH auf. Diese Leitung geht an einen Kontenpunkt P1, der einerseits mit dem Drain-Ausgang eines ersten Halbleiterschalters S1 in Verbindung steht. Andererseits steht der Knotenpunkt P1 mit dem Source-Eingang eines zweiten Halbleiterschalter S2 in Verbindung. Beide Halbleiterschalter S1 und S2 sind als Feldeffekttransistoren des Typs nMOSFET ausgeführt. Stattdessen könnten andere Halbleiterschalter, wie bipolare Transistoren, Thyristoren oder IGBT's eingesetzt werden. Sie dienen dazu, das Eingangssignal gleichzurichten und zu zerhacken. Dazu werden sie mit einer relativ hohen Frequenz geschaltet, z.B. 100 kHz. Das Ansteuersignal CTRL1 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S1 angelegt. Das Ansteuersignal CTRL2 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S2 angelegt. Das genaue Timing dieser Ansteuersignale wird in einer Digitalschaltung berechnet, die in 6 nicht gezeigt ist, die aber nachfolgend noch genauer erläutert wird. Am Ausgang der Halbbrücken-PFC-Schaltung 100 ist ein Siebkondensator C1 angeschaltet, der während der Durchschaltphase des Halbleiterschalter S2 aufgeladen wird und dem nachfolgenden Gleichstromsteller des Schaltnetzgerätes eine hohe Spannung von z.B. 400 V zur Verfügung stellt. Der Siebkondensator C1 hat z.B. eine Kapazität von 600 µF. Der Strom, der bei geöffneten Halbleiterschalter S2 in umgekehrter Richtung zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S1 fließt, fließt durch den Messwiderstand R1, der im unteren Schaltzweig der Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter S1 und S2 vorgesehen ist. Der Messwiderstand R1 hat z.B. einen Widerstandswert von 20 mΩ. Mit diesem Stromfluss wird also die Transistorkapazität entladen, was für ein verlustloses Schalten nötig ist. Um dies zu erzielen, ist zunächst die messtechnische Erfassung des Stromflusses erforderlich. Deshalb wird der Spannungsabfall über den Messwiderstand R1 erfasst. Dies wird so gemacht, dass die Spannung an dem Kontenpunkt P3 zu einem Eingang der Digitalschaltung geführt wird, über den die Spannung gemessen wird. Dazu kann ein A/D-Eingang der Digitalschaltung eingesetzt werden. In einem zweiten Zweig sind zwei weitere Halbleiterschalter S3 und S4 vorgesehen. Es handelt sich z.B. ebenfalls um nMOS-Feldeffekttransistoren. Der Kontenpunkt P2, an den beide Transistoren geschaltet sind, ist mit der Rückleitung zum E-Werk verbunden. Beide Halbleiterschalter S3 und S4 dienen der Umpolung der Schaltung. Für die positive Halbwelle der Eingangsspannung wird S4 gesperrt und S3 leitend geschaltet. Für die negative Halbwelle der Eingangsspannung wird S3 gesperrt und S4 leitend geschaltet. Die Schaltsignale CTRL3 und CTRL4 werden daher mit der 50 Hz Netzfrequenz geschaltet.the 6th shows a basic circuit diagram of the half-bridge PFC circuit according to the invention. The sinusoidal mains voltage with 230 V rms value and 50 Hz mains frequency is present at the ACi n input. In the upper line is a choke coil L1 switched. In the example it has an inductance of 64 µH. This line goes to a junction point P1, which on the one hand connects to the drain output of a first semiconductor switch S1 communicates. On the other hand, the node P1 is connected to the source input of a second semiconductor switch S2 in connection. Both semiconductor switches S1 and S2 are designed as field effect transistors of the nMOSFET type. Instead, other semiconductor switches such as bipolar transistors, thyristors or IGBTs could be used. They are used to rectify and chop up the input signal. To do this, they are switched at a relatively high frequency, for example 100 kHz. The control signal CTRL1 is to the gate of the field effect transistor S1 created. The control signal CTRL2 is to the gate of the field effect transistor S2 created. The exact timing of these control signals is calculated in a digital circuit that is shown in 6th is not shown, but which is explained in more detail below. At the output of the half-bridge PFC circuit 100 is a filter capacitor C1 switched on during the switching phase of the semiconductor switch S2 is charged and provides the following DC chopper of the switched-mode power supply with a high voltage of 400 V, for example. The filter capacitor C1 has a capacity of 600 µF, for example. The current that, when the semiconductor switch S 2 is open, in the opposite direction to discharge the transistor capacitance of the semiconductor switch S1 flows through the measuring resistor R1, which is in the lower branch of the series circuit of the two semiconductor switches S1 and S2 is provided. The measuring resistor R1 has a resistance value of 20 mΩ, for example. With this current flow, the transistor capacitance is discharged, which is necessary for lossless switching. In order to achieve this, the measurement of the current flow is first required. The voltage drop is therefore recorded across the measuring resistor R1. This is done in such a way that the voltage at node P3 is fed to an input of the digital circuit, via which the voltage is measured. An A / D input of the digital circuit can be used for this purpose. In a second branch there are two further semiconductor switches S3 and S4 intended. These are also nMOS field effect transistors, for example. The junction point P2, to which both transistors are connected, is connected to the return line to the electrical works. Both semiconductor switches S3 and S4 serve to reverse the polarity of the circuit. For the positive half-wave of the input voltage, S4 is blocked and S3 is switched on. For the negative half-wave of the input voltage, S3 is blocked and S4 is switched on. The switching signals CTRL3 and CTRL4 are therefore switched with the 50 Hz mains frequency.

Die 7 zeigt eine andere Variante dieser Schaltung, bei der die beiden Halbleiterschalter S3 und S4 durch Dioden ersetzt sind. Bei diesen besteht der Vorteil, dass sie keine dedizierten Schaltsignale benötigen. Die Dioden sind selbstsperrend und zeigen das gewünschte Polwende-Verhalten auch ohne Ansteuersignale. Die anderen Komponenten in 7, die die gleichen Bezugszahlen haben wie in 6, bezeichnen die gleichen Komponenten.the 7th shows another variant of this circuit in which the two semiconductor switches S3 and S4 are replaced by diodes. These have the advantage that they do not require any dedicated switching signals. The diodes are self-locking and show the desired pole turning behavior even without control signals. The other components in 7th that have the same reference numbers as in 6th , denote the same components.

Mit der Schaltung gem. 7 wird ein Ansatz weiterentwickelt, der aus der folgenden Publikation bekannt ist:

  • LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11.
With the circuit according to 7th an approach known from the following publication is further developed:
  • LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11.

Mit diesem Schaltungsdesign wird eine PFC-Schaltung im sogenannten „Boundary Conduction Mode“ (BCM) betrieben. Hierbei wird die Zeit Ton , die zum Zerhacken der Eingangsspannung mit ca. 100 kHz angesetzt wird, über eine Sinushalbwelle der Netzspannung konstant gehalten. Diese Zeit entspricht der Zeit zum jeweiligen Aufmagnetisieren der Induktivität L pro Regelvorgang. Wie beschrieben, enthält die PFC-Schaltung einen Stromregelkreis, der die Aufgabe hat, den Augenblickswert des Eingangsstromes IL(t) (Drosselstrom) proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung Vin(t) zu halten. So kann dann der Leistungsfaktor nahe bei Eins gehalten werden. Diese Zeit ist proportional zur Leistung und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung z.B. auf 400 V konstant halten soll.With this circuit design, a PFC circuit is operated in the so-called “Boundary Conduction Mode” (BCM). Here is the time T on , which is used to chop the input voltage at approx. 100 kHz, is kept constant over a sine half-wave of the mains voltage. This time corresponds to the time it takes to magnetize the inductance L per control process. As described, the PFC circuit contains a current control loop which has the task of keeping the instantaneous value of the input current I L (t) (inductor current) proportional to the instantaneous value of the input voltage V in (t). In this way, the power factor can then be kept close to one. This time is proportional to the power and is specified by a voltage regulator, which is supposed to keep the output voltage of the circuit constant at 400 V, for example.

Um die Zeit zum Abmagnetisieren der Drossel L einzustellen, wird in der genannten Publikation ein Zero Current Detection (ZCD) Signal benutzt, das durch den Umladevorgang der Diode hervorgerufen wird. Dies lässt sich allerdings in einer Aufwärtswandlerschaltung, in der die Funktion der Diode mit einem verlustarmen Halbleiterschalter S2 realisiert wird, aber so nicht erzeugen, da diese Halbleiterschalter nicht von selbst sperren, wenn eine Gatespannung anliegt.In order to set the time for demagnetizing the choke L, a Zero Current Detection (ZCD) signal is used in the publication mentioned, which is caused by the charge reversal of the diode. However, this can be done in a step-up converter circuit in which the function of the diode is performed with a low-loss semiconductor switch S2 is realized, but not generated in this way, since these semiconductor switches do not lock by themselves when a gate voltage is applied.

Es wird deshalb gemäß der Erfindung der Zeitpunkt, an dem der zweite Halbleiterschalter S2 abschalten soll, vorausberechnet und diese Berechnung mit Hilfe eines zusätzlichen Stromregelvorgangs korrigiert. Diese Vorausberechnung und Korrektur kann basierend auf der positiven Eingangsspannung (positive Halbwelle) oder der negativen Eingangsspannung (negative Halbwelle) durchgeführt werden, denn die notwendige Information, um die Stromschwellen ausregeln zu können, ist in beiden Fällen enthalten.It is therefore according to the invention the point in time at which the second semiconductor switch S2 should switch off, calculated in advance and this calculation corrected with the help of an additional current control process. This precalculation and correction can be carried out based on the positive input voltage (positive half-wave) or the negative input voltage (negative half-wave), because the information required to be able to regulate the current thresholds is contained in both cases.

Die 8 zeigt den Stromregelvorgang bei positiver Eingangsspannung. Entlang der Ordinate ist der über den Messwiderstand gemessene Strom aufgetragen. Entlang der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen. Der Verlauf des über den Messwiderstand R1 gemessenen Stroms ist mit Ib bezeichnet. Die Zeit Ton zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L wird während der positiven Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung konstant gehalten. Während dieser Zeit ist Halbleiterschalter S1 geschlossen und Halbleiterschalter S2 geöffnet. Die restliche Zeit des Regelzyklus TP ist variabel und dient zum Abmagnetisieren der Drosselspule L sowie zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S1 mit dem vorausberechneten Wert und zum Ausregeln der Abweichungen. Während der restlichen Zeit von TP ist der Halbleiterschalter S1 geöffnet und der Halbleiterschalter S2 geschlossen. Eine Ausregelzeit ist in der 8 während des zweiten dargestellten Regelzyklus gezeigt und mit TOffset bezeichnet. Das entspricht einem Korrekturwert, um den die nach dem vorhergehenden Regelvorgang vorausberechnete Zeit TP korrigiert wird. In der 8 ist auch erkennbar, dass die Periode TP im zweiten dargestellten Regelzyklus entsprechend verkürzt ist. Denn der vorhergehende Regelvorgang hat ergeben, dass die vorausberechnete Zeit TP doch zu lang ist, weil der gemessene Strom Ib nicht dem definierten Referenzwert Iref entspricht, sondern um den Wert lerr(t-1) abweicht und nur durch eine Verkürzung der Periode der Referenzwert Iref erreicht werden kann. Im dritten Regelzyklus wird der gewünschte Referenzwert Iref dann tatsächlich erreicht. Dabei sind die Zeitpunkte der Erfassung der Stromwerte durch ein „+“-Symbol gekennzeichnet. Diese Zeitpunkte entsprechen den vorausberechneten und korrigierten Werten für TP .the 8th shows the current control process with a positive input voltage. The current measured via the measuring resistor is plotted along the ordinate. The time t is plotted along the abscissa. The course of the current measured via the measuring resistor R1 is with I b designated. The time T on To magnetize the inductor L, the AC input voltage is kept constant during the positive half-cycle. During this time there is a semiconductor switch S1 closed and semiconductor switch S2 open. The remaining time of the control cycle T P is variable and is used to demagnetize the inductor L and to discharge the transistor capacitance of semiconductor switches S1 with the pre-calculated value and to correct the deviations. The rest of the time from T P is the semiconductor switch S1 open and the semiconductor switch S2 closed. A settling time is in the 8th shown during the second control cycle shown and with T offset designated. This corresponds to a correction value by which the time calculated in advance after the previous control process T P is corrected. In the 8th can also be seen that the period T P is correspondingly shortened in the second control cycle shown. Because the previous control process showed that the pre-calculated time T P but is too long because the measured current I b not the defined reference value I ref corresponds, but deviates by the value lerr (t-1) and only by shortening the period the reference value I ref can be achieved. The required reference value is set in the third control cycle I ref then actually achieved. The times at which the current values were recorded are marked with a "+" symbol. These times correspond to the precalculated and corrected values for T P .

9 zeigt den entsprechenden Regelvorgang bei negativer Eingangsspannung zum Ende der Stromflanke. In dem Fall sind drei Korrekturwerte Toffset(t-2), Toffset(t-1) dargestellt. Es wird so bei jedem der drei dargestellten Regelzyklen die vorausberechnete Länge des Regelzyklus korrigiert. Im ersten Zyklus wird der vorausberechnete Wert verkürzt, im zweiten verlängert und im dritten Regelzyklus wieder verkürzt. Die Strommesswerte werden ebenfalls an den mit „+“-Symbol gekennzeichneten Punkten erfasst. Dabei wird der AD-Wandler an den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten zur Messwerterfassung getriggert. 9 shows the corresponding control process with a negative input voltage at the end of the current edge. In this case, three correction values T offset (t-2), T offset (t-1) are shown. The pre-calculated length of the control cycle is corrected for each of the three control cycles shown. The precalculated value is shortened in the first cycle, extended in the second and shortened again in the third control cycle. The current measured values are also recorded at the points marked with the "+" symbol. The AD converter is triggered at the precalculated and corrected points in time to record the measured values.

10 zeigt schließlich ein Blockschaltbild eines integrierten Schaltkreises 110, mit dem diese Art der Regelung umgesetzt wird. Der integrierte Schaltkreis kann in Form eines DSP (digital signal processor), FPGA (field programmable gate array), oder ASIC (application specific integrated circuit) oder mit Hilfe eines Standard Mikrocontrollers und entsprechender Software realisiert werden. Dabei gilt die Regler-Architektur für den Fall, dass die positive Eingangsspannung (Halbwelle) anliegt. 10 finally shows a block diagram of an integrated circuit 110 , with which this type of regulation is implemented. The integrated circuit can be implemented in the form of a DSP (digital signal processor), FPGA (field programmable gate array), or ASIC (application specific integrated circuit) or with the aid of a standard microcontroller and corresponding software. The controller architecture applies in the event that the positive input voltage (half-wave) is applied.

Mit dem Regler werden die Ansteuersignale CTRL1 und CTRL2 für die Halbleiterschalter S1 und S2 des Aufwärtswandlers 100 erzeugt. Das Blockschaltbild enthält die folgenden Komponenten: Mit den Bezugszahlen 111a und 111b sind zwei Subtraktionsstufen bezeichnet. In der Stufe 111a wird die Ausgangsspannung Vout von der Referenzspannung Vout_ref abgezogen. Die Ausgangsspannung soll möglichst konstant gehalten werden auf den Wert von 400 V. Es wird damit in der Subtraktionsstufe 111a die Abweichung von dem Sollwert bestimmt. Je nach Belastung des Schaltnetzgerätes kann die Zwischenkreisspannung von 400 V variieren und es muss nachgeregelt werden. In der Subtraktionsstufe 111b wird von dem festgelegten Referenzwert Iref der aktuell gemessene Strom Ib durch den Messwiderstand R1 abgezogen. Wie beschrieben findet die Messung des Stroms immer zu den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten statt. Es müssen keine weiteren Strommesswerte erfasst werden. Somit wird in dieser Subtraktionsstufe 111b die jeweilige Abweichung Ierr von dem Sollwert Iref bestimmt. Das ist die wesentliche Information für die nachfolgende Regelungsstufe 113, in der die Korrektur TOffset für die vorausberechnete Periodendauer TP des Regelzyklus berechnet wird. Dafür kann z.B. ein PI-Regler oder PID-Regler benutzt werden. Je nach Anforderung, wie schnell die Differenz ausgeregelt werden soll, kann auch ein anderer Regler eingesetzt werden. Die Regelungsstufe 113 gibt den Korrekturwert TOffset an die nachgeschaltete Master-Timer-Einheit 116 aus. Sie entspricht einer programmierbaren Zeitgeber-Einheit, die jeweils nach Ablauf der eingestellten Zeiten ein Ereignis (Event) ausgibt. Man könnte das Ereignis auch in Form eines generierten Signales ausgeben. In der Digitaltechnik kann das Ereignis auch in Form eines Software-Ereignisses ausgegeben werden, durch das ähnlich wie bei einem per Software generierten Interrupt eine bestimmte Programmroutine aufgerufen wird. In der Master-Timer-Einheit 116 werden die Timer gesetzt, mit denen das Tastverhältnis für die Ansteuersignale CTRL1 und CTRL2 berechnet wird. Die eigentliche Signalerzeugung geschieht in der PWM-Signalerzeugungseinheit 119. Um die Ansteuersignale CTRL1 und CTRL2 beide mit dem gewünschten Tastverhältnis erzeugen zu können, wird noch die Information über die vorausberechnete Aufmagnetisierungszeit Ton benötigt. Diese Information wird von der Regelungsstufe 112 geliefert. Diese Zeit wird für die positive Halbwelle konstant gehalten. Es handelt sich deshalb um eine Regelstufe, die den Stellwert nur relativ langsam nachregelt. Es hat sich gezeigt, dass dafür sogar ein 10 Hz Pl-Regler ausreicht. Die Aufmagnetisierungszeit Ton kann mit Hilfe der Formel t o n = P i n 2 L V i n 2

Figure DE102020117180A1_0006
berechnet werden, die bereits eingangs erläutert wurde. Diese Formel gilt immer dann, wenn der Stromverlauf durch die Drosselspule L1 an der Lückgrenze betrieben wird. Diese Regelungsstufe 112 arbeitet mit der Eingangsinformation über die Differenz zwischen gewünschter Zwischenkreisspannung von z.B. 400 V und der tatsächlich gemessenen Zwischenkreisspannung von der Subtraktionsstufe 111a. Die geregelte Aufmagnetisierungszeit Ton wird einerseits einer zweiten Timer-Einheit 115 zur Verfügung gestellt, die entsprechende Ereignisse ausgibt an die PWM-Signalerzeugungseinheit 119. Andererseits wird die Aufmagnetisierungszeit Ton an eine Berechnungseinheit 114 gegeben, die mit der Formel T P = V i n V o u t V i n T o n + T o n
Figure DE102020117180A1_0007
die Zeit für die Gesamtlänge von Aufmagnetisierungszeit und der Abmagnetisierungszeit berechnet. Der erste Teil der Formel entspricht dabei der Formel für die Berechnung der Abmagnetisierungszeit toff, die eingangs erwähnt wurde.The control signals are generated with the controller CTRL1 and CTRL2 for the semiconductor switches S1 and S2 of the boost converter 100 generated. The block diagram contains the following components: With the reference numbers 111a and 111b two subtraction levels are designated. In the stage 111a becomes the output voltage Vout from the reference voltage V out_ref deducted. The output voltage should be kept as constant as possible at the value of 400 V. It is thus in the subtraction stage 111a determines the deviation from the target value. Depending on the load on the switched-mode power supply, the intermediate circuit voltage can vary from 400 V and it must be readjusted. In the subtraction stage 111b is determined by the reference value I ref the current measured current I b subtracted by the measuring resistor R1. As described, the current is always measured at the pre-calculated and corrected times. No further measured current values need to be recorded. Thus, in this subtraction stage 111b the respective deviation I err from the setpoint I ref definitely. This is the essential information for the subsequent control stage 113 in which the correction T offset for the pre-calculated period T P of the control cycle is calculated. A PI controller or PID controller, for example, can be used for this. Another controller can also be used, depending on how quickly the difference is to be corrected. The regulation stage 113 gives the correction value T offset to the downstream master timer unit 116 out. It corresponds to a programmable timer unit that outputs an event after the set times have elapsed. The event could also be output in the form of a generated signal. In digital technology, the event can also be output in the form of a software event which, similar to an interrupt generated by software, calls up a specific program routine. In the master timer unit 116 the timers are set with which the duty cycle for the control signals CTRL1 and CTRL2 is calculated. The actual signal generation takes place in the PWM signal generation unit 119 . To the control signals CTRL1 and CTRL2 To be able to generate both with the desired pulse duty factor, the information about the pre-calculated magnetization time is still available T on needed. This information is provided by the control stage 112 delivered. This time is kept constant for the positive half-wave. It is therefore a control stage that readjusts the manipulated variable only relatively slowly. It has been shown that even a 10 Hz PI controller is sufficient for this. The magnetization time T on can with the help of the formula t O n = P. i n 2 L. V i n 2
Figure DE102020117180A1_0006
are calculated, which was already explained at the beginning. This formula always applies when the current flow through the choke coil L1 is operated at the gap limit. This level of regulation 112 works with the input information about the difference between the desired intermediate circuit voltage of, for example, 400 V and the actually measured intermediate circuit voltage from the subtraction stage 111a . The regulated magnetization time T on becomes on the one hand a second timer unit 115 made available, which outputs the corresponding events to the PWM signal generation unit 119 . On the other hand, the magnetization time becomes T on to a calculation unit 114 given that with the formula T P. = V i n V O u t - V i n T O n + T O n
Figure DE102020117180A1_0007
the time for the total length of magnetization time and demagnetization time is calculated. The first part of the formula corresponds to the formula for calculating the demagnetization time toff, which was mentioned at the beginning.

Mit der Zustandsmaschine 117 wird der Zustand der Eingangsspannung erfasst. Diese wird mit einem Zeitraster von 25 kHz abgetastet. Die Zustandsmaschine 117 ermittelt, ob die positive Halbwelle vorliegt oder die negative Halbwelle der Eingangsspannung. Der ermittelte Zustand wird an eine Konfigurationseinheit 118 weitergeleitet, die in Abhängigkeit des Zustandes entsprechende Registereinstellungen für die verschiedenen Blöcke des integrierten Schaltkreises 110 vornimmt. Zumindest die PWM-Signalerzeugungseinheit 119 muss umkonfiguriert werden, denn bei negativer Eingangsspannung sind die Funktionen der Halbleiterschalter S1 und S2 vertauscht.With the state machine 117 the state of the input voltage is recorded. This is sampled with a time grid of 25 kHz. The state machine 117 determines whether the positive half-wave is present or the negative half-wave of the input voltage. The determined state is sent to a configuration unit 118 forwarded the corresponding register settings for the various blocks of the integrated circuit, depending on the state 110 undertakes. At least the PWM signal generation unit 119 must be reconfigured, because with a negative input voltage the functions of the semiconductor switch S1 and S2 reversed.

Zusammenfassend wird die Funktionsweise der integrierten Schaltung nochmals erläutert. Mit Hilfe der integrierten Schaltung 110 wird aus den Informationen zur Eingangsspannung Vin und Ausgangsspannung Vout und des Spannungsreglers 112, der die Aufmagnetisierungszeit Ton stellt, in der Berechnungseinheit 114 eine Regelzykluszeit TP vorausberechnet, mit der der Drosselstrom IL die untere Stromschwelle erreichen müsste. Nach Beenden dieser Regelzykluszeit werden beide Halbleiterschalter S1 und S2 ausgeschaltet und kurze Zeit später wird der erste Halbleiterschalter S1 wieder eingeschaltet. Nun ist der Messwiderstand R1 stromführend und direkt nach dem Einschalten von S1 wird der aktuell durch den Messwiderstand fließende Strom gemessen. Weicht dieser von dem nominellen Referenzwert ab, der sich für die vollständige Entladung der Transistorkapazität einstellen müsste, so stellt die weitere Regelungsstufe 113 einen Korrekturwert TOffset ein, der zu der vorausberechneten Regelzykluszeit TP für den nächsten Regelzyklus addiert wird. Dadurch ergibt sich je nach Korrekturwert eine Verkürzung oder eine Verlängerung der Regelzykluszeit TP . Auf diese Weise nähert sich der Strom im nächsten Regelzyklus dem Referenzwert an. So gleicht die Regelungsstufe 113 den Strom im Messpunkt dem Referenzstrom an. Der gewählte Referenzwert Iref ist über eine Sinushalbwelle konstant.In summary, the functionality of the integrated circuit is explained again. With the help of the integrated circuit 110 becomes from the information about the input voltage V in and output voltage Vout and the voltage regulator 112 , which is the magnetization time T on represents, in the calculation unit 114 a control cycle time T P precalculated with which the choke current I L would have to reach the lower current threshold. After this control cycle time has ended, both semiconductor switches are switched S1 and S2 switched off and a short time later the first semiconductor switch is activated S1 turned on again. The measuring resistor R1 is now live and the current flowing through the measuring resistor is measured immediately after switching on S1. If this deviates from the nominal reference value, which would have to be set for the complete discharge of the transistor capacitance, then the further control stage takes place 113 a correction value T offset one that corresponds to the precalculated control cycle time T P is added for the next control cycle. This results in a shortening or an extension of the control cycle time, depending on the correction value T P . In this way the stream approaches in the next Control cycle to the reference value. So the control level is the same 113 the current in the measuring point to the reference current. The chosen reference value I ref is constant over a half sine wave.

Es wäre bei dieser Methode aber auch möglich, einen anderen Punkt aus der Stromflanke für die Regelung heranzuziehen. Dazu muss die Berechnung des Stromreferenzwertes angepasst werden. Dies kann unterschiedliche Vorteile haben. Z.B. ließe sich so auch eine Average Current Regelung realisieren, bei der die Schaltung nicht im BCM-Mode betrieben wird, sondern z.B. im CCM-Mode, entsprechend Continuous Conduction Mode.With this method, however, it would also be possible to use another point from the current edge for the control. To do this, the calculation of the current reference value must be adapted. This can have different advantages. For example, an average current control could also be implemented in which the circuit is not operated in BCM mode, but, for example, in CCM mode, corresponding to continuous conduction mode.

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.The disclosure is not restricted to the exemplary embodiments described here. There is room for various adaptations and modifications which those skilled in the art, based on their expert knowledge as well as belonging to the disclosure, would consider.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
NetzfilterLine filter
22
HochsetzstellerBoost converter
33
SiebkondensatorFilter capacitor
44th
SchaltstufeSwitching stage
55
ÜbertragerTransformer
66th
ReglerRegulator
77th
OptokopplerOptocoupler
1010
aktive PFC-Schaltungactive PFC circuit
2020th
GleichstromstellerDC chopper
3030th
LeistungsübertragungsstufePower transfer stage
4040
GlättungsstufeSmoothing level
5050
RegelstufeControl stage
6060
PotenzialtrennungElectrical isolation
7070
Steuerungsteering
100100
AufwärtswandlerBoost converter
110110
SignalerzeugungseinheitSignal generation unit
111a, 111b111a, 111b
SubtraktionsstufenSubtraction levels
112112
weitere Regelungsstufefurther control level
113113
RegelungsstufeControl level
114114
BerechnungseinheitCalculation unit
115115
weitere Zeitgebereinheitfurther timer unit
116116
ZeitgebereinheitTimer unit
117117
Eingangswechselspannungs-ErfassungseinheitAC input voltage detection unit
118118
KonfigurationseinheitConfiguration unit
119119
PWM-SignalerzeugungseinheitPWM signal generation unit
C1C1
SiebkondensatorFilter capacitor
CTRL1, CTRL2CTRL1, CTRL2
AnsteuersignalControl signal
DD.
Diodediode
D1, D2D1, D2
Gleichrichter-DiodeRectifier diode
CoscCosc
TransistorkapazitätTransistor capacitance
IbIb
gemessener Strommeasured current
Ib_senseIb_sense
Leitung zur StrommessungLine for current measurement
IerrIerr
Abweichung vom SollstromDeviation from the target current
ILIL
SpulenstromCoil current
IrefIref
SollstromTarget current
L1L1
DrosselspuleChoke coil
S1, S2, S3, S4S1, S2, S3, S4
HalbleiterschalterSemiconductor switch
SNGSNG
SchaltnetzgerätSwitching power supply
tonvolume
AufmagnetisierungszeitMagnetization time
tofftoff
AbmagnetisierungszeitDemagnetization time
tRestRes
ResonanzschwingungszeitResonance oscillation time
TOffsetTOffset
KorrekturwertCorrection value
Tonvolume
AufmagnetisierungszeitMagnetization time
TPTP
RegelzykluszeitControl cycle time
VinVin
EingangsspannungInput voltage
VoutVout
AusgangsspannungOutput voltage
Vout_refVout_ref
AusgangsspannungsreferenzwertOutput voltage reference value

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 8766605 B2 [0010]US 8766605 B2 [0010]
  • US 20070109822 A1 [0014]US 20070109822 A1 [0014]
  • US 8026704 B2 [0014]US 8026704 B2 [0014]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • „Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application‟, von Jian Li, April 14, 2009 [0015]"Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", by Jian Li, April 14, 2009 [0015]
  • „LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System‟; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 [0016]"LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System"; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 [0016]

Claims (15)

Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, aufweisend eine Gleichrichter- oder Polwenderschaltung (D1, D2; S3, S4), eine Induktivität (L1) und einen Siebkondensator (C1), wobei die Induktivität (L1) an einen Pol der Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1 und S2), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (S1) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1) geschaltet ist, mit einer Signalerzeugungseinheit (110) zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter (S1, S2), wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1), wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1) der erste Halbleiterschalter (S1) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geschlossen wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) Mittel aufweist zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand (R1) an einem ausgewählten Zeitpunkt der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1), insbesondere zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung.Step-up converter for a power supply of an electrical consumer, having a rectifier or pole-changing circuit (D1, D2; S3, S4), an inductance (L1) and a filter capacitor (C1), the inductance (L1) being connected to one pole of the AC voltage source (AC in ) is connected and to a node between two semiconductor switches (S1 and S2), characterized in that the first semiconductor switch (S1) is connected in series with a measuring resistor (R1), with a signal generation unit (110) for generating control signals for the two Semiconductor switch (S1, S2), the first semiconductor switch (S1) being closed and the second semiconductor switch (S2) being opened to drive a current through the inductance (L1) for magnetization to upconvert the input voltage when the input voltage (V in) is positive the inductance (L1), the first semiconductor switch (S1) being opened to demagnetize the inductance (L1) and the second semiconductor switch (S2) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly, the signal generating unit (110) having means for detecting the current through the measuring resistor (R1) at a selected point in time of the phase for magnetizing the inductance (L1), in particular to the beginning of the magnetization phase. Aufwärtswandler nach Anspruch 1, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangswechselspannung bei negativer Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geschlossen wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1), wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1) der erste Halbleiterschalter (S1) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geöffnet wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, und die Signalerzeugungseinheit (110) Mittel aufweist zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand (R1) an einem ausgewählten Zeitpunkt der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1), insbesondere zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung.Boost converter according to Claim 1 , whereby the first semiconductor switch (S1) is opened and the second semiconductor switch (S2) is closed to drive a current through the inductance (L1) to magnetize the inductance (L1) for upward conversion of the input AC voltage with a negative input voltage (V in), whereby to demagnetize the inductance (L1) the first semiconductor switch (S1) is closed and the second semiconductor switch (S2) is opened and the filter capacitor (C1) is charged accordingly, and the signal generation unit (110) has means for detecting the current through the measuring resistor (R1) at a selected point in time of the phase for demagnetization of the inductance (L1), in particular at the end of the phase for demagnetization. Aufwärtswandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine Berechnungseinheit (114) aufweist, die die Regelzykluszeit (TP) für die Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (Vin) und Ausgangsspannung (Vout) vorausberechnet, und die Signalerzeugungseinheit (110) weiterhin eine Regelungsstufe (113) aufweist, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert (Ib) durch den Messwiderstand (R1) und einem Strom-Referenzwert (Iref) einen Korrekturwert (Toffset) für die Regelzykluszeit (TP) berechnet.Boost converter according to Claim 1 or 2 , wherein the signal generation unit (110) has a calculation unit (114) which precalculates the control cycle time (T P ) for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle as a function of the input voltage (V in ) and output voltage (V out ), and the signal generation unit (110) furthermore has a control stage (113) which, based on the difference between the measured current value (I b ) through the measuring resistor (R1) and a current reference value (I ref ), generates a correction value (Toffset) for the control cycle time (T P ) calculated. Aufwärtswandler nach Anspruch 3, wobei der Korrekturwert (TOffset) in einer Zeitgebereinheit (116) der Signalerzeugungseinheit (110) für den nachfolgenden Regelzyklus zur Anwendung kommt, so dass die Zeitgebereinheit (116) die Regelzykluszeit entsprechend verkürzt oder verlängert.Boost converter according to Claim 3 , the correction value (T offset ) being used in a timer unit (116) of the signal generation unit (110) for the subsequent control cycle, so that the timer unit (116) shortens or lengthen the control cycle time accordingly. Aufwärtswandler nach Anspruch 4, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine weitere Regelungsstufe (112) aufweist, die aus der Differenz zwischen vorgegebener Ausgangsspannung und gemessener Ausgangsspannung eine Aufmagnetisierungszeit (Ton) berechnet.Boost converter according to Claim 4 , wherein the signal generation unit (110) has a further control stage (112) which calculates a magnetization time (T on) from the difference between the specified output voltage and the measured output voltage. Aufwärtswandler nach Anspruch 5, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine weitere Zeitgebereinheit (115) aufweist, an die die berechnete Aufmagnetisierungszeit (Ton) weitergeleitet wird, in der die Aufmagnetisierungszeit (Ton) für eine Anzahl nachfolgender Regelzyklen zur Anwendung kommt.Boost converter according to Claim 5 , wherein the signal generation unit (110) has a further timer unit (115) to which the calculated magnetization time (T on ) is forwarded, in which the magnetization time (T on ) is used for a number of subsequent control cycles. Aufwärtswandler nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der Regelzyklen, für die die berechnete Aufmagnetisierungszeit (Ton) zur Anwendung kommt, für eine Halbwelle der Eingangswechselspannung gültig ist.Boost converter according to Claim 6 , whereby the number of control cycles for which the calculated magnetization time (T on ) is used is valid for a half-wave of the AC input voltage. Aufwärtswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) mit einer Eingangswechselspannungs-Erfassungseinheit (117) ausgestattet ist, die zur Ermittlung der Phasenlage der Eingangswechselspannung eingerichtet ist, und die Information über die Phasenlage, insbesondere ob die positive Halbwelle oder negative Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt, an eine Konfigurationseinheit (118) der Signalerzeugungseinheit (110) liefert.Up converter according to one of the preceding claims, wherein the signal generation unit (110) is equipped with an input AC voltage detection unit (117) which is set up to determine the phase position of the input AC voltage, and the information about the phase position, in particular whether the positive half-wave or negative half-wave of the AC input voltage is applied to a configuration unit (118) of the signal generation unit (110). Aufwärtswandler nach Anspruch 8, wobei die Konfigurationseinheit (118) eingerichtet ist, eine Anzahl der Komponenten der Signalerzeugungseinheit (110) zu konfigurieren für den Betrieb bei positiver Eingangsspannung oder bei negativer Eingangsspannung, je nachdem was die Information über die Phasenlage der Eingangswechselspannung angibt.Boost converter according to Claim 8 , wherein the configuration unit (118) is set up to configure a number of the components of the signal generation unit (110) for operation with a positive input voltage or with a negative input voltage, depending on what the information about the phase position of the AC input voltage indicates. Aufwärtswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Messwiderstand (R1) zwischen den ersten Halbleiterschalter (S1) und der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle (ACin), an die die Induktivität (L1) nicht angeschlossen ist, geschaltet ist.Boost converter according to one of the preceding claims, wherein the measuring resistor (R1) is connected between the first semiconductor switch (S1) and the return line to the input AC voltage source (AC in ) to which the inductance (L1) is not connected. Aufwärtswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Aufwärtswandler als Induktivität eine Drosselspule (L1) aufweist.Boost converter according to one of the preceding claims, wherein the boost converter has a choke coil (L1) as inductance. Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung einen Aufwärtswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, wobei der Aufwärtswandler zur Leistungsfaktor-Vorregelung in der Stromversorgung dient.Power supply of an electrical consumer, characterized in that the power supply has a boost converter according to one of the The preceding claims, wherein the step-up converter is used for power factor precontrol in the power supply. Stromversorgung nach Anspruch 12, wobei die Stromversorgung als Schaltnetzgerät ausgelegt ist.Power supply according to Claim 12 , whereby the power supply is designed as a switched-mode power supply. Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen Aufwärtswandler (100) mit einer Gleichrichter- oder Polwenderschaltung (D1, D2; S3, S4), eine Induktivität (L1) und einen Siebkondensator (C1) aufweist, wobei die Induktivität (L1) an einen Pol der Eingangsspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1 und S2), und mit einer Signalerzeugungseinheit (110) zur Erzeugung von Ansteuersignalen (CTRL1, CTRL2) für die Halbleiterschalter (S1, S2), wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1), und wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1) der erste Halbleiterschalter (S1) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2) geschlossen wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch den Messwiderstand (R1) an einem ausgewählten Zeitpunkt der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1), insbesondere zum Anfang der Phase zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1) gemessen wird und eine Regelzykluszeit (TP) für die Phasen zur Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (Vin) und Ausgangsspannung (Vout) vorausberechnet wird, und von einer Regelungsstufe (113) basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert (Ib) durch den Messwiderstand (R1) und einem Strom-Referenzwert (Iref) ein Korrekturwert (TOffset) für die Regelzykluszeit (TP) berechnet wird, um den die vorausberechnete Regelzykluszeit (TP) korrigiert wird.A method for up-converting the input voltage in a power supply of an electrical consumer, which has a step-up converter (100) with a rectifier or pole inverter circuit (D1, D2; S3, S4), an inductance (L1) and a filter capacitor (C1), the inductance (L1) is connected to one pole of the input voltage source (AC in ) and to a node between two semiconductor switches (S1 and S2), and with a signal generation unit (110) for generating control signals (CTRL1, CTRL2) for the semiconductor switches (S1, S2 ), whereby the first semiconductor switch (S1) is closed and the second semiconductor switch (S2) is opened to drive a current through the inductance (L1) to magnetize the inductance (L1) for the upward conversion of the input voltage with a positive input voltage (V in) , and wherein the first semiconductor switch (S1) is opened and the second semiconductor switch (S2) is used to demagnetize the inductance (L1) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly, characterized in that the current through the measuring resistor (R1) at a selected point in time of the phase for magnetizing the inductance (L1), in particular at the beginning of the phase for magnetizing the inductance (L1) is measured and a control cycle time (T P ) for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle depending on the input voltage (V in ) and output voltage (V out ) is calculated in advance, and by a control stage (113) based on the difference between the measured Current value (I b ) a correction value (T Offset ) for the control cycle time (T P ) is calculated by the measuring resistor (R1) and a current reference value (I ref ), by which the precalculated control cycle time (T P ) is corrected. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Strom (Ib) durch den Messwiderstand (R1) zu vorgegebenen Zeiten gemessen wird, die durch die vorausberechnete Regelzykluszeit (TP) und um den Korrekturwert (TOffset) korrigiert, vorgegeben werden.Procedure according to Claim 14 , the current (I b ) through the measuring resistor (R1) being measured at predetermined times which are corrected by the precalculated control cycle time (T P ) and corrected by the correction value (T offset ).
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