DE4213096A1 - Voltage converter - Google Patents

Voltage converter

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Harry Dr Rer Nat Dr Gaus
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INDUSTRIE AUTOMATION ENERGIESYSTEME GMBH & CO, 792
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IND AUTOMATION MIKROELEKTRONIK
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Abstract

The voltage transformer described has a rectifier for an a.c. input voltage and a switching converter which is pulsed by a pulse-width-modulated control signal at a significantly higher frequency than the a.c. input voltage. The invention calls for the rectified a.c. input voltage to be fed to the switching converter without using an energy-storage device (reservoir capacitor) acting at the frequency of the a.c. input voltage. For pulse-width modulation of the control signal, a controller is fitted to which are fed (a) the value of the current (Iactual) taken from the switching converter and (b) the value of an at least approximately sine<2>-shaped reference signal (Iref), the at least approximately sine<2>-shaped signal being synchronized with the a.c. input voltage.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einem Gleichrichter für eine Eingangs-Wechselspannung und einem Schaltwandler, der mit einem pulsbreitenmodulierten Steuersignal wesentlich höherer Frequenz als diejenige der Eingangs-Wechselspannung getaktet wird.The invention relates to a voltage converter with a Rectifiers for one input AC voltage and one Switching converter with a pulse width modulated Control signal much higher frequency than that of AC input voltage is clocked.

Zur Umformung von Netzwechselspannung in eine beliebige Gleichspannung sind verschiedene Spannungswandler bekanntgeworden. Nach dem Stand der Technik weisen Spannungswandler der genannten Art einen Gleichrichter und einen großen Kondensator zur Entnahme und Zwischenspeicherung der aus dem Netz entnommenen Energie auf. Der Kondensator wird auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet. Diesem Zwischenkreis ist der eigentliche Wandler nachgeschaltet, für den sehr viele verschiedene Schaltungsprinzipien bekannt sind. Allen gemeinsam ist, daß die Gleichspannung durch mindestens eine Halbleiterschaltung in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt und diese dann mit Mitteln der allgemeinen Wechselstrom- und Regeltechnik zu einer gewünschten Ausgangsgleichspannung umgewandelt wird.For converting mains voltage into any DC voltage are different voltage converters known. According to the state of the art Voltage converter of the type mentioned a rectifier and a large condenser for removal and Intermediate storage of the energy taken from the network on. The capacitor is also called DC intermediate circuit called. This The actual converter is connected downstream of the DC link, known for the very many different circuit principles are. Common to all is that the DC voltage through at least one semiconductor circuit in a high frequency AC voltage is converted and this then by means of general AC and control technology into one  desired output DC voltage is converted.

Bei den bekannten Spannungswandlern mit dem Gleichspannungszwischenkreis bestehen jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen fließt beim Anlegen des Wandlers an das Netz ein großer Anlaufstrom. Zum anderen ist der Leistungsfaktor klein und kapazitiv. Schließlich werden dem Netz sehr hohe kurzzeitige Stromimpulse entnommen. Die beiden letztgenannten Nachteile führen dazu, daß bei einer gegebenen Strombelastbarkeit des Netzes von beispielsweise 16 Aeff nur eine kleine Wirkleistung entnehmbar ist. Diese Begrenzung der Wirkleistung stört beispielsweise bei Ladegeräten für Batterien auf Elektrofahrzeugen, sogenannten Bordladern, bei denen in kurzer Zeit möglichst viel Energie in die Batterie zurückgeladen werden soll.In the known voltage converters with the DC voltage intermediate circuit, however, there are various disadvantages. On the one hand, a large starting current flows when the converter is connected to the mains. On the other hand, the power factor is small and capacitive. Finally, very high short-term current pulses are taken from the network. The latter two disadvantages mean that for a given current carrying capacity of the network of, for example, 16 A eff, only a small active power can be drawn. This limitation of the active power interferes, for example, with chargers for batteries on electric vehicles, so-called on-board chargers, in which as much energy as possible is to be loaded back into the battery.

Es sind Spannungswandler bekanntgeworden, die einen annähernd sinus-förmigen Strom mit einem Leistungsfaktor von nahezu 1 aus dem Netz entnehmen (US 4,677,366). Bei diesen Spannungswandlern ist ein aktives Sinusfilter dem eigentlichen Schaltwandler vorgeschaltet. Dieses Filter besteht aus einem Gleichrichter, einem Hilfskondensator, der wesentlich kleiner als die üblichen Ladekondensatoren ist, und einem Hochsetzsteller, der den sinus-förmig entnommenen Strom in einem Zwischenkreiskondensator speichert.Voltage converters have become known, some of them approximately sinusoidal current with a power factor of remove almost 1 from the network (US 4,677,366). With these Voltage transformers is an active sine filter actual switching converter upstream. This filter consists of a rectifier, an auxiliary capacitor, the is significantly smaller than the usual charging capacitors, and a step-up converter that the sinusoidal removed Stores current in an intermediate circuit capacitor.

Dem aktiven Sinusfilter, das eine konstante Spannung an seinem Ausgang bereitstellt, welche höher als die Scheitelspannung der Netzspannung ist, ist der eigentliche Wandler nachgeschaltet, der nach einem der bekannten Schaltungsprinzipien aufgebaut sein kann. Damit entnimmt dieser bekannte Spannungswandler dem Netz zwar einen annähernd sinus-förmigen Strom mit einem günstigen Leistungsfaktor, es werden jedoch zwei getrennt getaktete Stufen mit Steuereinrichtungen und ein Zwischenkreiskondensator benötigt, der einen großen Raumbedarf und eine Wärmeempfindlichkeit bedeutet. Außerdem fließt wie bei den anderen bekannten Spannungswandlern mit Zwischenkreiskondensator ein großer Anlaufstrom, da keine Strombegrenzung durch den Hochsetzsteller möglich ist. Spezielle Anlaufschaltungen sind erforderlich, um den Gleichrichter bzw. die Netzsicherung zu schützen.The active sine filter, which has a constant voltage on it provides its output which is higher than that The peak voltage of the mains voltage is the real one Downstream converter, according to one of the known Circuit principles can be built. With that takes this known voltage converter admittedly the network approximately sinusoidal current with a favorable Power factor, but there are two separately clocked Steps with controls and a DC link capacitor is required, which is a large  Requires space and sensitivity to heat. Furthermore flows with the other known voltage transformers DC link capacitor a large starting current, since none Current limitation by the step-up converter is possible. Special start-up circuits are required in order to To protect the rectifier or the mains fuse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung dieser weiteren Nachteile einen Spannungswandler anzugeben, der insbesondere als Batterieladegerät, vorzugsweise als sogenannter Bordlader, geeignet ist.The object of the present invention is to avoid of these further disadvantages of specifying a voltage converter, which in particular as a battery charger, preferably as so-called on-board loader is suitable.

Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltwandler die gleichgerichtete Eingangs-Wechselspannung ohne Anwendung eines bei der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung wirksamen Energiespeichers (Ladekondensator) zuführbar ist und daß zur Pulsbreitenmodulation des Steuersignals ein Regler vorgesehen ist, dem einerseits der Wert des dem Schaltwandler entnommenen Stroms (Iist) und andererseits ein mindestens angenähert sinus2-förmig verlaufender Sollwert (Isoll) zuführbar sind, wobei der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf mit der Eingangs-Wechselspannung synchronisiert ist.The voltage converter according to the invention is characterized in that the rectified input AC voltage can be fed to the switching converter without using an energy store (charging capacitor) which is effective at the frequency of the input AC voltage, and that a controller is provided for pulse width modulation of the control signal, on the one hand the value of the switching converter withdrawn current (I ist ) and on the other hand an at least approximately sinusoidal 2 -shaped setpoint (I soll ) can be supplied, the at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve being synchronized with the AC input voltage.

Der erfindungsgemäße Spannungswandler hat den Vorteil, daß der aus dem Netz entnommene Strom praktisch sinus-förmig und in Phase mit der Netzspannung ist, und ist insbesondere für Batterieladegeräte geeignet.The voltage converter according to the invention has the advantage that the current drawn from the network is practically sinusoidal and is in phase with the mains voltage, and is especially for Suitable for battery chargers.

Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine Regelung der Ausgangsspannung dadurch, daß der Sollwert von einem Signal mit mindestens angenähert sinus2-förmigem Verlauf gebildet ist, dessen Amplitude von der Ausgangsgröße eines weiteren Reglers abhängig ist, und daß dem weiteren Regler einerseits die Ausgangsspannung des Schaltwandlers und andererseits ein Spannungs-Sollwert zuführbar sind.A further development of the invention enables the output voltage to be regulated in that the setpoint is formed by a signal with an at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve, the amplitude of which depends on the output variable of a further regulator, and in that the further regulator, on the one hand, has the output voltage of the switching converter and on the other hand, a voltage setpoint can be supplied.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Ausgangsgröße des weiteren Reglers zur Zeit des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms abgetastet wird und der durch die Abtastung erhaltene Wert bis zur folgenden Abtastung gespeichert wird. Hierdurch wird bei der Ladung einer Batterie über längere Leitungen sichergestellt, daß die Spannung der Batterie ohne den Spannungsabfall in den Leitungen gemessen wird.Another development is that the Output variable of the further controller at the time of the Zero crossing of the output current is sampled and the value obtained by sampling to the following Sampling is saved. This will result in the cargo a battery over longer lines ensures that the voltage of the battery without the voltage drop in the Lines is measured.

Ladekennlinien enthalten meistens mehrere Abschnitte mit konstanter Spannung und konstantem Strom verschiedener Größe. Ein Grenzwert für den Strom kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Weiterbildung dadurch festgelegt werden, daß die Ausgangsgröße bzw. die abgetastete und gespeicherte Ausgangsgröße des weiteren Reglers begrenzt wird.Charging characteristics usually contain several sections constant voltage and current different Size. A limit value for the current can be set according to a advantageous embodiment of this training be determined that the output variable or sampled and stored output variable further Controller is limited.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf des Sollwertes und gegebenenfalls weitere Größen von einem Prozessor nach einem geeigneten Programm abgeleitet werden. Geeignete Prozessoren sind an sich bekannt und können beispielsweise durch Mikrocomputer bzw. Mikroprozessoren realisiert werden.Another development of the invention consists in the fact that the at least approximately sinusoidal 2- shaped course of the setpoint value and possibly further variables are derived by a processor according to a suitable program. Suitable processors are known per se and can be implemented, for example, by microcomputers or microprocessors.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers, bei welchem der Schaltwandler einen Trenntransformator umfaßt mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, besteht darin, daß die Ausgangsgröße des Reglers über Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) einem Pulsbreitenmodulator zur Erzeugung des Steuersignals zugeführt wird und daß über weitere Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) ein von der Netzwechselspannung abgeleitetes Signal einem Eingang des Prozessors zur Synchronisierung zugeleitet wird. Hierdurch wird eine vollständige Netztrennung erzielt.An advantageous embodiment of the invention Voltage converter, in which the switching converter one Isolation transformer includes a primary winding and one Secondary winding, is that the output size of the Regulator via means for electrically isolated Signal transmission (transformer) a pulse width modulator is supplied to generate the control signal and that about further means for electrically isolated signal transmission (Transformer) one derived from the AC mains voltage  Signal to an input of the processor for synchronization is forwarded. This will make a complete Grid separation achieved.

Eine gute Annäherung des Eingangstroms an die angestrebte Sinusform ergibt sich bei einer relativ einfachen Erzeugung des Verlaufs des Stromsollwertes dadurch, daß der Stromsollwert einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf aufweist.A good approximation of the input current to the target Sine shape results from a relatively simple generation the course of the current setpoint in that the Current setpoint has an essentially trapezoidal shape having.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Stromsollwert in einem vorgegebenen Bereich um den Nulldurchgang der Eingangswechselspannung, vorzugsweise ±30°, den Wert 0 einnimmt. Dadurch werden undefinierte Zustände im Bereich der Nulldurchgänge vermieden.According to another development, it is provided that the current setpoint takes the value 0 in a predetermined range around the zero crossing of the AC input voltage, preferably ± 30 °. This avoids undefined states in the area of the zero crossings.

Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines trapezförmigen Stromsollwertes besteht darin, daß von einem Prozessor mehrere Analogschalter steuerbar sind, welche den Sollwerteingang des Reglers und den Eingang des Integrators während vom Prozessor ausgegebener Zeitintervalle mit festen Potentialen verbinden.An easy way to create a trapezoidal shape Current setpoint is that of a processor several analog switches are controllable, which the Setpoint input of the controller and the input of the integrator during time intervals output by the processor with fixed Connect potentials.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 1 shows a first embodiment,

Fig. 2 Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen beim ersten Ausführungsbeispiel mit einem sinus2-förmigen Stromsollwert, Fig. 2 shows time diagrams of currents and voltages in the first embodiment with a sine 2 -shaped current setpoint,

Fig. 3 Zeitdiagramme bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem trapezförmigen Verlauf des Stromsollwertes, Fig. 3 are time charts in the first embodiment with a trapezoidal profile of the current setpoint,

Fig. 4 Zeitdiagramme zur Verdeutlichung des Stromflußwinkels bei einem bekannten Spannungswandler, Fig. 4 are time charts for illustrating the conduction angle at a known voltage converter,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 5 shows a second embodiment and

Fig. 6 Zeitdiagramme beim zweiten Ausführungsbeispiel. Fig. 6 timing diagrams in the second embodiment.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are given the same reference symbols in the figures Mistake.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Eingangs-Wechselspannung von beispielsweise 230 Veff Eingangsklemmen 1, 2 zuführbar. Es schließt sich eine Gleichrichterschaltung 3 an, deren Ausgänge mit einem Kondensator 4 verbunden sind. Dieser Kondensator ist derart dimensioniert, daß er die Energie für jeweils eine Taktperiode liefern kann, jedoch nicht eine ausreichende Spannung über eine Periode der Eingangswechselspannung hält. Die somit pulsierende Gleichspannung wird einem Schaltwandler 5 zugeführt. Da derartige Schaltwandler an sich bekannt sind, sind in Fig. 1 nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile des Schaltwandlers 5 dargestellt, nämlich ein Leistungstransistor 6, ein Überträger 7 mit einer Primärwicklung 8 und einer Sekundärwicklung 9.In the first exemplary embodiment according to FIG. 1, the AC input voltage of, for example, 230 V rms input terminals 1 , 2 can be supplied. This is followed by a rectifier circuit 3 , the outputs of which are connected to a capacitor 4 . This capacitor is dimensioned such that it can supply the energy for one clock period at a time, but does not maintain a sufficient voltage over a period of the input AC voltage. The thus pulsating DC voltage is fed to a switching converter 5 . Since such switching converters are known per se, only the parts of the switching converter 5 required for understanding the invention are shown in FIG. 1, namely a power transistor 6 , a transformer 7 with a primary winding 8 and a secondary winding 9 .

Ein Ende der Sekundärwicklung 9 ist über einen Gleichrichter 10 mit einer Ausgangsklemme 11 verbunden, während zwischen das andere Ende der Sekundärwicklung 9 und einer anderen Ausgangsklemme 12 ein Strommeßwiderstand 13 geschaltet ist. Zur Unterdrückung von hochfrequenten Spannungsspitzen ist ein Kondensator 14 vorgesehen.One end of the secondary winding 9 is connected to an output terminal 11 via a rectifier 10 , while a current measuring resistor 13 is connected between the other end of the secondary winding 9 and another output terminal 12 . A capacitor 14 is provided to suppress high-frequency voltage peaks.

Aus Sicherheitsgründen ist zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil des Schaltwandlers eine Potentialtrennung vorgesehen, die in Fig. 1 als gestrichelte Linie 15 dargestellt ist. Zur Ansteuerung des Leistungstransistor 6 dient ein Pulsbreitenmodulator 16, der ein Steuersignal für den Leistungstransistor 6 dadurch erzeugt, daß Taktimpulse vorgegebener Frequenz mit einer dem Pulsbreitenmodulator 16 zugeführten Steuerspannung moduliert werden. Die Frequenz der Taktimpulse beträgt beispielsweise 50 kHz und kann je nach Gegebenheiten im einzelnen auch wesentlich höher oder niedriger sein.For safety reasons, a potential separation is provided between the primary part and the secondary part of the switching converter, which is shown in FIG. 1 as a dashed line 15 . A pulse width modulator 16 which generates a control signal for the power transistor 6 in that clock pulses the pulse width modulator 16 supplied control voltage are modulated with a predetermined frequency used to drive the power transistor. 6 The frequency of the clock pulses is, for example, 50 kHz and, depending on the circumstances, can also be significantly higher or lower.

Zur Erzielung einer möglichst weitgehend sinus-förmigen Strombelastung ist ein Stromregler 17 vorgesehen, dessen Eingängen als Istwert der vom Strommeßwiderstand 13 gemessene Strom und ein Sollwert Isoll zugeführt werden. Zur Regelung der Ausgangsspannung dient ein weiterer Regler 18, der einen Regelkreis bildet, welcher dem Stromregler überlagert ist. Der Regler 18 wird im folgenden auch Spannungsregler genannt. Ihm werden die Ausgangsspannung Uist und ein Sollwert Usoll zugeführt. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 18 wird nach später zu erläuternden Beeinflussungen bei 19 und 20 zu einem Multiplizierer 21 geleitet, mit dessen Hilfe eine sinus2-förmige Spannung multipliziert und dem Stromregler 17 als Stromsollwert zugeführt wird. Zur Erzeugung des Spannungs-Sollwertes Usoll und des sinus2-förmigen Verlaufs des Stromsollwertes Isoll ist ein Prozessor 22 vorgesehen. Dieser gibt jeweils berechnete Momentanwerte in Form von pulsbreitenmodulierten Impulsen PWM über je einen Ausgang 23, 24. Die pulsbreitenmodulierten Impulse werden in je einer Integrationsschaltung 25, 26 zu einem kontinuierlichen Spannungsverlauf umgeformt, wobei Usoll im wesentlichen eine Gleichspannung bildet, deren zeitliche Änderung beispielsweise nach den Erfordernissen des jeweiligen Ladevorganges erfolgt. In order to achieve a sinusoidal current load that is as sinusoidal as possible, a current controller 17 is provided, the inputs of which as the actual value are the current measured by the current measuring resistor 13 and a setpoint value I should be supplied. A further regulator 18 , which forms a control loop which is superimposed on the current regulator, serves to regulate the output voltage. The regulator 18 is also called voltage regulator in the following. The output voltage U ist and a setpoint value U soll are fed to it. The output voltage of the voltage regulator 18 is guided to be explained later influences at 19 and 20 to a multiplier 21, multiplied by the aid of a sine 2 -shaped voltage and the current controller 17 is fed as a current setpoint. Is intended to generate the voltage command value U and the sine 2 -shaped waveform of the desired current value I is a processor 22 is provided. This gives calculated instantaneous values in the form of pulse width modulated pulses PWM via an output 23 , 24 . The pulse width modulated pulses are converted into a respective integration circuit 25, 26 to a continuous voltage profile, said U should substantially forms a DC voltage, whose temporal change is carried out, for example, according to the requirements of the particular charging process.

Zur Synchronisation des Prozessors 22 ist an die Eingangsklemmen 1, 2 über einen Widerstand eine weitere Gleichrichterschaltung 28 angeschlossen, welche eine lichtemittierende Diode 29 pulsierend betreibt. Diese bildet zusammen mit einem Fototransistor 30 einen Optokoppler, von dem Impulse zu einem Eingang 31 des Prozessors 22 gelangen und diesen synchronisieren. Wegen der erforderlichen Potentialtrennung wird die Ausgangsspannung des Stromreglers 17 ebenfalls über einen Optokoppler 32, 33 dem Steuereingang des Pulsbreitenmodulators 16 zugeführt.To synchronize the processor 22 , a further rectifier circuit 28 is connected to the input terminals 1 , 2 via a resistor, which operates a light-emitting diode 29 in a pulsating manner. Together with a phototransistor 30, this forms an optocoupler, from which pulses reach an input 31 of the processor 22 and synchronize it. Because of the required potential separation, the output voltage of the current regulator 17 is also supplied to the control input of the pulse width modulator 16 via an optocoupler 32 , 33 .

Durch die Wirkung des von dem Stromregler 17, dem Pulsbreitenmodulator 16, dem Schaltwandler 5 und dem Strommeßwiderstand 13 gebildeten Regelkreises nimmt der Ausgangsstrom Iist den zeitlichen Verlauf von Isoll an. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Regelkreis genügend schnell ist, um der Vorgabe zu folgen. Bei der in Fig. 1 skizzierten sinus2-förmigen Vorgabe durch den Prozessor 22 ergibt sich somit die in Fig. 2, Zeile a dargestellte Kurvenform. Wie bereits eingangs erwähnt, ist eine derartige Kurvenform zum Laden von Batterien durchaus geeignet. Die dadurch entstehenden Schwankungen der Ausgangsspannung sind in Fig. 2, Zeile b dargestellt.By the action of the control loop formed by the current controller 17, the pulse width modulator 16, the switching converter 5 and the current measuring resistor 13, the output current I is taking the time profile of I is to to. It is assumed that the control loop is fast enough to follow the specification. In the case of the sine 2 -shaped specification by the processor 22 sketched in FIG. 1, the curve shape shown in FIG. 2, line a results. As already mentioned at the beginning, such a curve shape is quite suitable for charging batteries. The resulting fluctuations in the output voltage are shown in FIG. 2, line b.

Zur Regelung der Ausgangsspannung wird bei dem Spannungswandler nach Fig. 1 während der Nulldurchgänge der Eingangs-Wechselspannung die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 18 mit Hilfe des Schalters 19 (Zeile c in Fig. 2) abgetastet und in einem Kondensator 34 bis zum nächsten Abtastzeitpunkt gespeichert. Damit wird erreicht, daß die Ausgangsspannung dann gemessen wird, wenn kein Stromfluß erfolgt. Bei der Verwendung von längeren Zuleitungen zwischen den Klemmen 11, 12 zur Batterie wird somit die tatsächlich an der Batterie anliegende Spannung gemessen. Der Schalter 19 wird über einen Ausgang 35 vom Prozessor 22 bei jedem Nulldurchgang kurzzeitig in den leitenden Zustand gesteuert.To regulate the output voltage in the voltage converter according to FIG. 1, during the zero crossings of the AC input voltage, the output voltage of the voltage regulator 18 is sampled with the aid of the switch 19 (line c in FIG. 2) and stored in a capacitor 34 until the next sampling time. This ensures that the output voltage is measured when there is no current flow. When using longer supply lines between the terminals 11 , 12 to the battery, the voltage actually applied to the battery is measured. The switch 19 is briefly controlled by the processor 22 via an output 35 at each zero crossing in the conductive state.

Ladekennlinien von Batterien enthalten meistens mehrere Abschnitte mit konstanter Spannung oder konstantem Strom verschiedener Größe. Die Sollspannung ist bereits erwähnt worden. Der Sollstrom bzw. dessen Grenze kann durch einen weiteren Prozessorausgang 36 in Form eines pulsbreitenmodulierten Singals ausgegeben und anschließend bei 37 integriert werden. Mit der Ausgangsspannung des Integrators 37 wird eine Begrenzerschaltung 20 derart gesteuert, daß der vom Spannungsregler 18 erzeugte Multiplikant für den Sollstrom in seiner Größe beliebig beschränkt wird.Charging characteristics of batteries usually contain several sections with constant voltage or current of different sizes. The target voltage has already been mentioned. The target current or its limit can be output by a further processor output 36 in the form of a pulse-width-modulated signal and then integrated at 37 . A limiter circuit 20 is controlled with the output voltage of the integrator 37 in such a way that the size of the multiplicant generated by the voltage regulator 18 for the target current is arbitrarily limited.

Die Zeilen a bis c der Fig. 2 wurden bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung von Fig. 1 erwähnt. Zeile d stellt den Verlauf der Eingangs-Wechselspannung Uin (durchgezogene Linie) und den Verlauf des ebenfalls sinus-förmigen Eingangs-Wechselstroms Iin (gestrichelte Linie) dar. Fig. 2 enthält ebenfalls eine mathematische Ableitung des Eingangsstroms Iin, welche zeigt, daß der Eingangsstrom sinus-förmig ist.Lines a to c of FIG. 2 have already been mentioned in connection with the explanation of FIG. 1. Line d represents the profile of the input AC voltage U in (solid line) and the profile of the likewise sinusoidal input AC current I in (dashed line). FIG. 2 also contains a mathematical derivative of the input current I in , which shows that the input current is sinusoidal.

Bei praktisch ausgeführten erfindungsgemäßen Spannungswandlern kann es zweckmäßig sein, von einem sinus2-förmigen Ausgangsstrom abzuweichen. Dieses kann einerseits eine Verminderung des Aufwandes bedeuten. Andererseits können durch eine Stromlücke im Bereich von beispielsweise ±30° um den Nulldurchgang undefinierte Zustände vermieden werden. So können beispielsweise mit der in Fig. 3, Zeile b dargestellten Trapezform gute Ergebnisse bezüglich des Stromflußwinkels und des Leistungsfaktors erzielt werden. Eine solche Trapezform läßt sich in einfacher Weise dadurch herstellen, daß einem Integrator Impulse mit der in Zeile a dargestellten Form zugeführt werden. Zeile c stellt den Eingangsstrom in diesem Fall im Vergleich zu einem sinus-förmigen Eingangsstrom (gestrichelt) dar. Die Unterschiede zwischen beiden Stromformen sind in Zeile c schraffiert.In practical voltage converters according to the invention, it may be expedient to deviate from a sinusoidal 2- shaped output current. On the one hand, this can mean a reduction in effort. On the other hand, undefined states can be avoided by a current gap in the range of, for example, ± 30 ° around the zero crossing. For example, with the trapezoidal shape shown in FIG. 3, line b, good results can be achieved with regard to the current flow angle and the power factor. Such a trapezoidal shape can be produced in a simple manner by supplying an integrator with pulses of the shape shown in line a. Line c represents the input current in this case compared to a sinusoidal input current (dashed). The differences between the two current forms are hatched in line c.

Im Vergleich dazu ist in Fig. 4 die pulsierende Gleichspannung U und der Eingangsstrom I für den Fall eines bekannten Spannungswandlers mit einem Zwischenkreiskondensator dargestellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ergibt sich ein Stromflußwinkel von nur etwa 30° bei einem Leistungsfaktor von 0,6 bis 0,7. Das zweite Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Fig. 5 und 6 erläutert, wobei im wesentlichen auf Unterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eingegangen wird.In comparison, the pulsating DC voltage U and the input current I are shown in FIG. 4 for the case of a known voltage converter with an intermediate circuit capacitor. As can be seen from the drawing, there is a current flow angle of only about 30 ° with a power factor of 0.6 to 0.7. The second exemplary embodiment is explained in the following with reference to FIGS. 5 and 6, wherein essentially differences from the exemplary embodiment according to FIG. 1 are discussed.

Der Schaltwandler ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 in Gegentaktanordnung mit sogenannter Current-Mode-Steuerung ausgeführt. Als wesentliche Teile des Schaltwandlers sind ein Modulator 41 zur Steuerung der Leistungstransistoren 42, 43, ein Strommeßwiderstand 44, ein Transformator 45 und zwei Gleichrichter 46, 47 dargestellt. Der positive Ausgang ist über eine Drossel 48 mit der Ausgangsklemme 11 verbunden, während die Ausgangsklemme 12 über den Strommeßwiderstand 13 an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 45 angeschlossen ist. Die Verwendung der Gegentaktanordnung mit sogenannter Current-Mode-Steuerung ist besonders vorteilhaft für die Ausregelung eines großen Eingangsspannungsbereichs. Dabei kann die Eingangsspannung des Schaltwandlers Werte von 0 V bis etwa 350 V entsprechend einer Sinushalbwelle annehmen.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the switching converter is implemented in a push-pull arrangement with a so-called current mode control. A modulator 41 for controlling the power transistors 42 , 43 , a current measuring resistor 44 , a transformer 45 and two rectifiers 46 , 47 are shown as essential parts of the switching converter. The positive output is connected via a choke 48 to the output terminal 11 , while the output terminal 12 is connected via the current measuring resistor 13 to the center tap of the secondary winding of the transformer 45 . The use of the push-pull arrangement with so-called current mode control is particularly advantageous for the regulation of a large input voltage range. The input voltage of the switching converter can assume values from 0 V to approximately 350 V corresponding to a half-sine wave.

Der kleine Kondensator 4 soll lediglich den Impulsstrom im Mikrosekundenbereich liefern, eine Glättung der 100-Hz-Welligkeit jedoch nicht bewirken. Die Spannungsschwelle, oberhalb der Enegie aus dem Netz entnommen werden kann, hängt bei gegebener Ausgangsspannung nur vom Übersetzungsverhältnis des Transformators und vom maximalen Tastverhältnis des vom Modulator 41 erzeugten Steuersignals ab. Das Tastverhältnis des Gegentaktwandlers ist doppelt so groß wie das eines Eintaktwandlers. Deshalb ist der Gegentaktwandler für eine ungeglättete Eingangsspannung besonders gut geeignet.The small capacitor 4 is only intended to deliver the pulse current in the microsecond range, but not to smooth the 100 Hz ripple. For a given output voltage, the voltage threshold above which energy can be drawn from the network depends only on the transformation ratio of the transformer and on the maximum duty cycle of the control signal generated by modulator 41 . The duty cycle of the push-pull converter is twice that of a single-ended converter. Therefore, the push-pull converter is particularly well suited for an unsmoothed input voltage.

Für die Versorgung des Modulators 41 ist eine Spannungsversorgungsschaltung 49 an die Gleichrichterschaltung 3 angeschlossen, die in an sich bekannter Weise eine geglättete und vorzugsweise auch stabilisierte Gleichspannung erzeugt. Da der Strombedarf für den Modulator jedoch recht gering ist, ist die impulsförmige Stromentnahme durch die Spannungsversorgungsschaltung 49 jedoch nicht nachteilig.To supply the modulator 41 , a voltage supply circuit 49 is connected to the rectifier circuit 3 , which generates a smoothed and preferably also stabilized DC voltage in a manner known per se. However, since the current requirement for the modulator is quite low, the pulse-shaped current draw by the voltage supply circuit 49 is not disadvantageous.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist ein Prozessor 50 vorgesehen, der über drei Eingänge 51, 52, 53 für Analogsignale und drei Ausgänge 54, 55, 56 für binäre Signale verfügt. Die sekundärseitigen Schaltungen einschließlich des Prozessors 50 und des Stromreglers 17 werden von einer Spannungsversorgungsschaltung 57 mit Betriebsspannung UB versorgt, wobei die Zuführungen im einzelnen in Fig. 5 nicht dargestellt sind. Die Spannungsversorgungsschaltung 57 erzeugt ferner eine Referenzspannung Uref, die dem Eingang 53 des Prozessors 50 zugeleitet wird.In the embodiment of FIG. 5, a processor 50 is provided which has three inputs 51, 52, 53 for analog signals and three outputs 54, 55, 56 for binary signals. The secondary-side circuits including the processor 50 and the current regulator 17 are supplied with operating voltage U B by a voltage supply circuit 57 , the feeds not being shown in detail in FIG. 5. The voltage supply circuit 57 also generates a reference voltage U ref , which is fed to the input 53 of the processor 50 .

Der Eingang 52 des Prozessors 50 erhält über einen Spannungsteiler 58 die Ausgangsspannung des Spannungswandlers als Istwert Uist. Nach Verstärkung des Spannungsabfalls am Strommeßwiderstand 13 mit Hilfe eines Verstärkers 59 wird der Stromistwert Iist einem Eingang des Stromreglers 17 und dem Eingang 51 des Prozessors 50 zugeführt. The input 52 of the processor 50 receives the output voltage of the voltage converter as the actual value U ist via a voltage divider 58 . After the voltage drop across the current measuring resistor 13 has been amplified with the aid of an amplifier 59 , the actual current value I is fed to an input of the current regulator 17 and to the input 51 of the processor 50 .

Da sich die Batteriespannung - also die Ausgangsspannung des Spannungswandlers - nur relativ langsam ändern kann, ist die Spannungsregelung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beispielsweise in Form eines PI-Algorithmus im Prozessor ausgeführt. Dieser Algorithmus ersetzt daher im wesentlichen die Schaltungsteile 18, 19, 20 und 21 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Das Ergebnis der Spannungsregelung beeinflußt die Amplitude des Stromsollwertes Isoll.Since the battery voltage - that is, the output voltage of the voltage converter - can only change relatively slowly, the voltage control in the exemplary embodiment according to FIG. 5 is implemented in the processor, for example, in the form of a PI algorithm. Therefore, this algorithm replaces the circuit parts 18, 19, 20 and 21 in the embodiment of FIG substantially. 1. The result of the voltage regulation affects the amplitude of the current setpoint value I soll.

Zur Bildung eines etwa sinus2-förmigen Stromsollwertes sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 drei steuerbare Schalter 61, 62, 63 und ein Integrator 64 bis 68 vorgesehen. Die steuerbaren Schalter werden über die Ausgänge 54 bis 56 des Prozessors 50 gesteuert. Der Integrator besteht aus einem Differenzverstärker 64, dessem nichtinvertierenden Eingang eine Bezugsspannung der Größe Ur/2 zugeführt wird. Der invertierende Eingang ist über je einen Widerstand 67, 68 mit je einem der steuerbaren Schalter 62, 63 und über einen Kondensator 66 mit dem Ausgang verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 64 ist über einen Widerstand 65 an den für den Stromsollwert vorgesehenen Eingang des Stromreglers 17 angeschlossen. Dieser Eingang kann über den steuerbaren Schalter 61 mit Masse verbunden werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, three controllable switches 61 , 62 , 63 and an integrator 64 to 68 are provided to form an approximately sinusoidal 2- shaped current setpoint. The controllable switches are controlled via the outputs 54 to 56 of the processor 50 . The integrator consists of a differential amplifier 64 , to whose non-inverting input a reference voltage of the size U r / 2 is supplied. The inverting input is connected via a resistor 67 , 68 to each of the controllable switches 62 , 63 and via a capacitor 66 to the output. The output of the differential amplifier 64 is connected via a resistor 65 to the input of the current regulator 17 provided for the current setpoint. This input can be connected to ground via the controllable switch 61 .

Das Zusammenwirken der digitalen Signale an den Ausgängen 54 bis 56 des Prozessors 50 mit den steuerbaren Schaltern 61 bis 63 und dem Integrator zur Bildung des angenähert sinus2-förmigen Stromsollwertes wird im folgenden anhand von Fig. 6 näher erläutert. Zeile a zeigt das Signal am Ausgang 54 und damit den Schaltzustand des Schalters 61, wobei "1" leitend und "0" nichtleitend bedeutet. Dadurch wird während eines Phasenwinkels von -30° bis +30° bzw. 150° bis 210° Isoll auf 0 gesetzt. The interaction of the digital signals at the outputs 54 to 56 of the processor 50 with the controllable switches 61 to 63 and the integrator to form the approximately sinusoidal 2 current setpoint is explained in more detail below with reference to FIG. 6. Line a shows the signal at the output 54 and thus the switching state of the switch 61 , "1" being conductive and "0" being non-conductive. Characterized is set to 0 during a phase angle of -30 ° to + 30 ° or 150 ° to 210 ° I.

Die zeitliche Lage und die Breite der Impulse des Signals bei 54 sind unabhägig vom Ausgangswert des Spannungsreglers. Zeile b der Fig. 6 zeigt das Ausgangssignal bei 55 und dementsprechend die Stellung des Schalters 62. Ist der Schalter 62 geschlossen, wird dem Integrator eine Bezugsspannung Ur zugeführt, so daß das Ausgangssignal des Integrators linear abfällt. Während der Schließzeit des Schalters 63 wird der Integratoreingang mit Masse verbunden, was einen linearen Anstieg der Ausgangsspannung des Integrators bewirkt. Sind beide Schalter nichtleitend, behält die Ausgangsspannung des Integrators den jeweils erreichten Wert bei.The temporal position and the width of the pulses of the signal at 54 are independent of the output value of the voltage regulator. Line b of FIG. 6 shows the output signal at 55 and accordingly the position of the switch 62 . If the switch 62 is closed, a reference voltage U r is fed to the integrator, so that the output signal of the integrator drops linearly. During the closing time of switch 63 , the integrator input is connected to ground, which causes a linear increase in the output voltage of the integrator. If both switches are not conductive, the output voltage of the integrator maintains the value reached in each case.

Durch die zeitliche Verschiebung der Signale bei 55 und 56 in Pfeilrichtung verringert sich die Amplitude der in Zeile d der Fig. 6 dargestellten Kurvenform. Zeile e zeigt den Ausgangsstrom bei Vollaussteuerung im Vergleich zu dem an sich gewünschten sinus2-förmigen Verlauf. Die Annäherung ist recht gut.The time shift of the signals at 55 and 56 in the direction of the arrow reduces the amplitude of the curve shape shown in line d of FIG. 6. Line e shows the output current at full load, compared to the desired se sine 2 -shaped profile. The approximation is pretty good.

Zeile f zeigt die resultierende Stromaufnahme aus dem Netz, wobei die Phasenverschiebung 0 ist - das heißt, es wird kein Blindstrom entnommen. Die geringe Abweichung von der Idealform ist bedeutungslos. Im Vergleich zu einem konventionellen Spannungswandler mit einem Leistungsfaktor (cos phi) von 0,6 bis 0,7 und einem Stromflußwinkel von circa 30° ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannungswandlers erheblich.Line f shows the resulting power consumption from the network, where the phase shift is 0 - that is, it does not Drawn reactive current. The slight deviation from the Ideal form is meaningless. Compared to one conventional voltage converter with a power factor (cos phi) from 0.6 to 0.7 and a current flow angle of about 30 ° is the advantage of the invention Voltage converter considerably.

Soll die Lücke um den Nulldurchgang, in der Energie nicht aus dem Netz entnommen wird, weiter verkleinert werden, steigt der Aufwand am Transformator wegen eines ungünstiger werdenden Übersetzungsverhältnisses und bei der Funkentstörung wegen zunehmender Pulsamplituden stark an. Die in Zeilen e unf f der Fig. 6 gezeigten Kurvenformen stellen günstige Kompromisse dar.If the gap around the zero crossing, in which energy is not drawn from the network, is to be narrowed further, the effort on the transformer rises sharply due to an increasingly unfavorable transmission ratio and, in the case of radio interference suppression, due to increasing pulse amplitudes. The curve shapes shown in lines e and f of FIG. 6 represent favorable compromises.

Claims (13)

1. Spannungswandler mit einem Gleichrichter für eine Eingangs-Wechselspannung und einem Schaltwandler, der mit einem pulsbreitenmodulierten Steuersignal wesentlich höherer Frequenz als diejenige der Eingangs-Wechselspannung getaktet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltwandler die gleichgerichtete Eingangs-Wechselspannung ohne Anwendung eines bei der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung wirksamen Energiespeichers (Ladekondensator) zuführbar ist und daß zur Pulsbreitenmodulation des Steuersignals ein Regler vorgesehen ist, dem einerseits der Wert des dem Schaltwandler entnommenen Stroms (Iist) und andererseits ein mindestens angenähert sinus2-förmig verlaufender Sollwert (Isoll) zuführbar sind, wobei der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf mit der Eingangs-Wechselspannung synchronisiert ist.1.Voltage converter with a rectifier for an input AC voltage and a switching converter which is clocked with a pulse-width-modulated control signal at a frequency substantially higher than that of the input AC voltage, characterized in that the switching converter has the rectified input AC voltage without using one at the frequency of the Input AC voltage effective energy storage (charging capacitor) can be supplied and that a controller is provided for pulse width modulation of the control signal, on the one hand the value of the current taken from the switching converter (I ist ) and on the other hand an at least approximately sinusoidal 2- shaped setpoint (I soll ) can be supplied are, the at least approximately sinusoidal 2- shaped curve being synchronized with the input AC voltage. 2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert von einem Signal mit mindestens angenähert sinus2-förmigem Verlauf gebildet ist, dessen Amplitude von der Ausgangsgröße eines weiteren Reglers abhängig ist, und daß dem weiteren Regler einerseits die Ausgangsspannung des Schaltwandlers und andererseits ein Spannungs-Sollwert zuführbar sind.2. Voltage converter according to claim 1, characterized in that the setpoint is formed by a signal with at least approximately sinusoidal 2 -shaped course, the amplitude of which is dependent on the output variable of a further regulator, and that the further regulator on the one hand the output voltage of the switching converter and on the other hand a voltage setpoint can be supplied. 3. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des weiteren Reglers zur Zeit des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms abgetastet wird und der durch die Abtastung erhaltene Wert bis zur folgenden Abtastung gespeichert wird.3. Voltage converter according to claim 2, characterized characterized that the output variable of the further controller sampled at the time of zero crossing of the output current and the value obtained by the sampling up to following scan is saved. 4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße bzw. die abgetastete und gespeicherte Ausgangsgröße des weiteren Reglers begrenzt wird.4. Voltage converter according to one of claims 2 or 3, characterized in that the output variable or sampled and stored output variable further Controller is limited. 5. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf des Sollwertes und gegebenenfalls weitere Größen von einem Prozessor nach einem geeigneten Programm abgeleitet werden.5. Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the at least approximately sinusoidal 2- shaped course of the setpoint and optionally other variables are derived from a processor according to a suitable program. 6. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaltwandler einen Trenntransformator umfaßt mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Reglers über Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) einem Pulsbreitenmodulator zur Erzeugung des Steuersignals zugeführt wird und daß über weitere Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) ein von der Netzwechselspannung abgeleitetes Signal einem Eingang des Prozessors zur Synchronisierung zugeleitet wird.6. Voltage converter according to one of the preceding Claims, in which the switching converter one Isolation transformer includes a primary winding and one Secondary winding, characterized in that the Output variable of the controller via means for isolated signal transmission (transformer) one Pulse width modulator for generating the control signal is supplied and that by further means for isolated signal transmission (transformer) signal derived from the mains AC voltage Input of the processor for synchronization is fed. 7. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung mit einer Gegentaktschaltung verbunden ist. 7. Voltage converter according to claim 6, characterized characterized in that the primary winding with a Push-pull circuit is connected.   8. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung mit einer Brückenschaltung aus vier Transistoren verbunden ist.8. Voltage converter according to claim 6, characterized characterized in that the primary winding with a Bridge circuit of four transistors is connected. 9. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler durch ein geeignetes Prozessorprogramm realisiert ist.9. Voltage converter according to one of claims 2 to 8, characterized in that the voltage regulator by a suitable processor program is realized. 10. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert etwa einen sinus2-förmigen Verlauf aufweist.10. Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the current setpoint has approximately a sinusoidal 2- shaped course. 11. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf aufweist.11. Voltage converter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the current setpoint one in has a substantially trapezoidal shape. 12. Spannungswandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert in einem vorgegebenen Bereich um den Nulldurchgang der Eingangswechselspannung, vorzugsweise ±30°, den Wert 0 einnimmt.12. Voltage converter according to claim 11, characterized characterized in that the current setpoint in a predetermined Area around the zero crossing of the input AC voltage, preferably ± 30 °, takes the value 0. 13. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Prozessor mehrere Analogschalter steuerbar sind, welche den Sollwerteingang des Reglers und den Eingang des Integrators während vom Prozessor ausgegebener Zeitintervalle mit festen Potentialen verbinden.13. Voltage converter according to one of claims 11 or 12, characterized in that more than one processor Analog switches are controllable, which are the setpoint input of the controller and the input of the integrator during from Processor of time intervals with fixed potentials connect.
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