DE10259069B4 - Resonant converter and method for driving variable loads - Google Patents
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Abstract
Resonanzkonverter
zum Treiben von veränderlichen
Lasten, mit folgenden Merkmalen:
einem Piezotransformator (105)
mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor zum Liefern eines Ausgangssignals zum
Treiben der veränderlichen
Last (107);
einem Schalter (103) zum Liefern eines Eingangssignals aus
einer Quelle (101) an das Eingangstor des Transformators (105);
einer
Eingangsdrossel (201), welche zwischen der Quelle (101) und dem
parallel zum Eingangstor des Piezotransformators (105) angeordneten
Schalter (103) geschaltet ist;
einer Steuereinrichtung (109)
zum Steuern einer Schaltfrequenz des Schalters;
wobei der Piezotransformator
(105) derart dimensioniert und beschaltet ist, daß bei Lieferung
einer Nennleistung an die veränderliche
Last (107), ein Spannungsabtransformationsverhältnis zwischen Eingangssignal
und Ausgangssignal von 1,5:1 bis 5:1 beträgt; und
wobei die Steuereinrichtung
(109) zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters (103) auf der
Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und
einem Laststrom bei veränderlicher
Last und/oder veränderlicher Eingangsspannung
ausgelegt ist.Resonant converter for driving variable loads, having the following features:
a piezo transformer (105) having an input port and an output port for providing an output signal for driving the variable load (107);
a switch (103) for providing an input signal from a source (101) to the input port of the transformer (105);
an input inductor (201) connected between the source (101) and the switch (103) arranged in parallel with the input port of the piezo transformer (105);
a controller (109) for controlling a switching frequency of the switch;
wherein the piezotransformer (105) is sized and connected such that when a nominal power is supplied to the variable load (107), a voltage-to-voltage ratio between the input signal and the output signal is from 1.5: 1 to 5: 1; and
wherein the control means (109) is arranged to control the switching frequency of the switch (103) based on a phase shift between a switch current and a load current at variable load and / or varying input voltage.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zum Treiben von veränderlichen ohmisch-kapazitiven oder ohmisch-induktiven Lasten, das einen Resonanzkreis, einen elektromechanischen Energiewandler, einen Schalter sowie eine Steuereinrichtung aufweist.The The present invention relates to a switching power supply for driving of changeable ohmic-capacitive or ohmic-inductive loads, a resonant circuit, an electromechanical Energy converter having a switch and a control device.
Schaltnetzteile mit oder ohne Resonanzkreis kommen meist nicht ohne induktive elektromagnetische Bauelemente aus. Zur Erzielung eines verlustarmen Schaltbetriebs können solche Schaltungen nur bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz und nur mit resonanten induktiven Elementen oder breitbandigen Transformatoren oder Induktivitäten betrieben werden. Derartige Komponenten sind volumenintensiv und verursachen einen signifikanten Kostenanteil am gesamten Gerät.Switching Power Supplies with or without resonant circuit usually do not come without inductive electromagnetic Components out. To achieve a low-loss switching operation can such circuits only up to a certain maximum frequency and only with resonant inductive elements or broadband transformers or inductors operated become. Such components are volume-intensive and cause a significant share of the cost of the entire device.
Beispielsweise ist eine selbst- oder fremderregte Halbbrückenschaltung anzuführen, die mit Bipolartransistoren, Reversdioden, einem Serienresonanzkreis sowie induktiver Basisrückkopplung arbeitet. Eine beispielhafte Ausführungsform einer derartigen Halbbrückenschaltung ist in folgender Schrift (1) offenbart: S. Lowbridge, M. Maytum, K. Rutgers, „Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors" (Texas Instruments, 1992). Dabei ist der Lastkreis vorwiegend induktiv ausgeprägt, wodurch ein verlustarmes Schalten in verschiedenen Lastfällen möglich wird. Diese Schaltung kann man auch als einen Verstärker der Klasse D einordnen. Sie hätte selbst unter Verwendung von minoritätsladungsfreien MOS-Transistoren (MOS; MOS = Metal-Oxid Semiconductor) den Nachteil kapazitiver Ausräumverluste, da die Schalter unter Spannung eingeschaltet werden müssen, falls nicht eine ausgangsseitige Resonanzdrossel die Spannung bei einem Einschalten etwa auf Null über einem jeweiligen Schalter ansteigen läßt. Somit wird das Nullspannungsschalten (ZVS; ZVS = Zero Voltage Switching), das sich dadurch auszeichnet, dass beim Schalten eine Spannung über einem Leistungshalbleiter vor und während eines Schaltvorgangs zu Null gemacht wird, durch eine ausreichend große (Resonanz-) Induktivität am Lastkreis erreicht.For example is a self-or externally excited half-bridge circuit to cite the with bipolar transistors, reverse diodes, a series resonant circuit as well as inductive base feedback is working. An exemplary embodiment of such Half-bridge circuit is disclosed in the following specification (1): S. Lowbridge, M. Maytum, K. Rutgers, "Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors "(Texas Instruments, 1992). The load circuit is predominantly inductive, whereby a low-loss switching in different load cases is possible. This circuit can one also as an amplifier class D class. She had even using minority charge-free MOS transistors (MOS, MOS = Metal Oxide Semiconductor) the disadvantage of capacitive clearances, because the switches must be switched on under voltage, if not an output side resonance choke the voltage at a Turn on about zero above a respective one Switch rises. Consequently will Zero Voltage Switching (ZVS), which is characterized in that when switching a voltage across a Power semiconductors before and during a shift is made to zero, by a sufficient size (Resonance) inductance reached at the load circuit.
Weiterhin gibt es HF-Verstärker (HF; HF = Hochfrequenz) der Klasse E mit nur einem Schalter und einem hohen Wirkungsgrad. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (2) veröffentlicht: N. O. Sokal, A. D. Sokal, „Class E – A New Class of High Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers", (IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-10, Nr. 3, Juni 1975). Derartige Verstärker werden vorwiegend als Sendeverstärker benutzt und dabei mit einem extern erzeugten Takt bei einer optimalen Einschaltzeit betrieben. Die Einschaltzeit beträgt meistens etwa eine halbe Periodendauer (D = 0,5 entspricht Optimum). D bezeichnet dabei die relative (d.h. auf eine Periodendauer bezogene) Einschaltzeit. Diese Schaltung benötigt ebenfalls eine Resonanzinduktivität im Lastkreis, erreicht jedoch das Nullspannungsverhalten (ZVS) parallel zu einer ausreichend großen Kapazität. Während bei einer Halbbrückenschaltung die parallele Kapazität zum Schalter möglichst klein gewählt wird, um das Nullspannungsverhalten (ZVS) problemlos durch eine Resonanzinduktivität zu erreichen, wird bei der genannten Schaltung der Klasse E diese Parallelkapazität so groß wie möglich gemacht, um die maximale Spannung über dem Schalter während des Ausschaltens so klein wie möglich zu halten. Wird die Kapazität jedoch zu groß gewählt, so kann die Spannung nicht mehr auf Null zurückkehren, und es treten unzulässige Einschaltverluste auf.Farther There are RF amplifiers (RF, RF = high frequency) Class E with only one switch and a high efficiency. An embodiment of such Circuit is published in the following document (2): N.O. Sokal, A. D. Sokal, "Class E - A New Class of High Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers ", (IEEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-10, No. 3, June 1975). Such amplifiers become predominantly as transmission amplifiers used and thereby with an externally generated clock at an optimal On-time operated. The switch-on time is usually about half a time Period duration (D = 0.5 corresponds to optimum). D denotes the relative (i.e., on period duration) on-time. These Circuit needed also a resonance inductance in the load circuit, but achieved the zero-voltage behavior (ZVS) parallel to a sufficiently large capacity. While at a half-bridge circuit the parallel capacity as possible to the switch chosen small is to the zero-voltage behavior (ZVS) easily by a resonance to achieve this, the class E is called this parallel capacitance as big as possible made to the maximum voltage across the switch during the Turn off as small as possible to keep. Will the capacity However, too big, so can the voltage will not return to zero and there will be inadmissible turn-on losses on.
Bei einem Einsatz von hochfrequenten piezoelektrischen Transformatoren (Piezotransformatoren) oder anderen Energieumformern mit einer elektromechanischen Energiewandlung lassen sich beliebige Transformationsverhältnisse realisie ren, jedoch bieten diese Bauelemente meistens kein vorwiegend induktives Eingangsverhalten. Solche elektromechanischen Wandler sind meist auch sehr schmalbandig und können bezüglich ihres Frequenzverhaltens nur sinusförmige Schwingungen übertragen. Eine hart schaltende Konvertertopologie ist deshalb für deren Betrieb weniger geeignet. Somit muß der Resonanzbetrieb, günstigerweise auch in einer Resonanzkonvertertopologie, gewählt werden. Da durch ein piezokeramisches Material im wesentlichen ein kapazitives Eingangs- und Ausgangsverhalten vorgegeben ist, kann ein solcher Wandler die konventionellen Induktivitäten oder Transformatoren nur dann ersetzen, wenn im Fall eines gewünschten induktiven Lastkreisverhaltens für zusätzliche induktive Formung des Lastkreises Sorge getragen wird. Bei einer Halbbrückenschaltung ist ein solches induktives Lastkreisverhalten gefordert, um die Schaltverluste klein zu halten. Als einfachste Maßnahme läßt sich eine zusätzliche, wenn auch kleine konventionelle Induktivität in den Lastkreis einfügen. Wenn die Einschaltverluste aufgrund entsprechend niedriger Eingangsspannungspegel (z. B. Kleinspannungen bis 24 V) klein genug sind, kann auch ein kapazitives Verhalten des elektromagnetischen Wandlers in der Halbbrücke akzeptabel sein.at a use of high-frequency piezoelectric transformers (Piezotransformatoren) or other energy converters with an electromechanical Energy transformation can be any transformation ratios Realisie ren, however, these components usually provide no predominantly inductive input behavior. Such electromechanical transducers are usually also very narrow band and can with respect to their frequency behavior only sinusoidal Transmit vibrations. A hard-switching converter topology is therefore for their Operation less suitable. Thus, the resonance mode must, favorably also in a resonance converter topology. Because of a piezoceramic Material essentially a capacitive input and output behavior is given, such a converter, the conventional inductors or Transformers replace only if in the case of a desired inductive Load circuit behavior for additional inductive shaping of the load circuit care is taken. At a Half-bridge circuit Such an inductive load circuit behavior is required to prevent the Keep switching losses small. The simplest measure can be an additional, although small conventional inductance in the load circuit insert. If the Switch-on losses due to correspondingly low input voltage level (eg low voltages up to 24 V) are small enough, can also be a Capacitive behavior of the electromagnetic transducer in the half-bridge acceptable be.
Schließlich kann auch das Schalten in einem Resonanzfall unter Verwendung eines piezoelektrischen Transformators so gestaltet werden, daß die Schaltverluste minimiert werden, wenn eine Umladezeit der relativ großen Eingangskapazitäten des piezoelektrischen Transformators durch ein exaktes Einhalten von erforderlichen Ansteuerzeiten durch ein zeitweises Ausschalten beider Schalter (Totzeiten) überbrückt wird. Hierzu ist jedoch eine genau einstellbare High-Side- und Low-Side-Treiberschaltung erforderlich, die ferner meist einen integrierten Schaltkreis aufweist. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (3) veröffentlicht: R. L. Lin, F. C. Lee, E. M. Baker, D. Y. Chen, „Inductor-less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps", APEC2001, Anaheim, CA, USA, Proceedings, Vol. 2, Seiten 664–669.Finally, the switching in a resonance case using a piezoelectric transformer can be designed so that the switching losses are minimized when a Umladezeit the relatively large input capacitances of the piezoelectric transformer by an exact observance of required driving times by a temporary switching off both switches (dead times) is bridged. For this purpose, however, a precisely adjustable high-side and low-side driver circuit is required, which further usually has an integrated circuit. An embodiment of such a circuit is disclosed in the following specification (3): RL Lin, FC Lee, EM Baker, DY Chen, "Inductor-less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps", APEC2001, Anaheim, CA, Proceedings , Vol. 2, pages 664-669.
Bei
einer Resonanzschaltung der Klasse E ist das vorwiegend kapazitive
Eingangsverhalten eines Piezotransformators nutzbringend, indem
die Größe der Eingangskapazität auf einen
elektrisch erforderlichen Wert angepaßt werden kann und somit nicht
störend
wirkt, wie es bei einer Halbbrücke
oder einer anderen zielgemäß induktiv
wirkenden Lastkreisschaltung der Fall ist. Derartige Schaltungen
der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator sind bereits
aus der folgenden Schrift (4) bekannt: T.Abe, Sh. Jomura, T. Tamakai, „Discharge
tube driving device and piezoelectric transformer therefore",
Solche Schaltungen werden in Schrift (4) jedoch nicht für den technisch in Netzspannungsanwendungen gegebenen Fall einer großen Eingangsspannung und einer kleinen Ausgangsspannung eingesetzt, sondern zur Hochtransformation von einer kleineren Spannung auf eine größere verwendet. Diese Beschränkung auf kleine Eingangsspannungen war bisher vorwiegend durch die fehlende Verfügbarkeit dynamisch schneller, hochsperrender Leistungsschalter bestimmt, welche nun inzwischen kostengünstig hergestellt werden können, z. B. Fieldstop-IGBT (IGBT; IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) bis 1700 V oder Cool-MOS-Transistoren bis 800 V.Such Circuits are not in the font (4) for the technically in mains voltage applications given case of a big one Input voltage and a small output voltage used, but to the high transformation of a smaller voltage a larger one used. These restriction to small input voltages was previously mainly due to the lack of Availability dynamically fast, high-blocking circuit breaker, which are now inexpensive can be produced z. B. Fieldstop IGBT (IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) up to 1700 V or Cool MOS transistors up to 800 V.
Bei Kleinspannungsanwendungen wird eine Klasse-E-Schaltung nach Schrift (4) und nach Schrift (2) meist im optimalen Betrieb mit der relativen Einschaltzeit von D = 0,5 eingesetzt. Meistens benötigt eine solche Schaltung im Falle der Hochtransformation eine zusätzliche eingangsseitige Parallelkapazität, falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators nicht ausreichend groß ist. Dies ist in einem Abtransformationsfall nicht gegeben, wo die Eingangskapazität mancher Ausführungsformen von piezoelektrischen Transformatoren zu groß sein kann.at Low voltage applications will use a class E circuit according to script (4) and after writing (2) mostly in optimal operation with the relative On time of D = 0.5 used. Mostly needed one such circuit in the case of the high transformation an additional input parallel capacity, if the input capacity of the piezoelectric transformer is not sufficiently large. This is not given in a Abtransformationsfall, where the input capacitance some embodiments of piezoelectric transformers can be too large.
Außerdem gibt es Eintransistorschaltungen mit einem Piezotransformator, die eine Resonanzinduktivität erfordern, die nicht, oder nicht ausschließlich, glättend wirkt und somit für eine hohe Frequenz von ca. 50 bis 200 kHz durch eine geeignete Wahl von einem Magnetmaterial und einem Litzendraht geeignet sein muß. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in der Schrift (5), US-6,052,300, offenbart. Außerdem verhindert eine eingangsseitige Glättungsdrossel gegenüber einer nicht eingangsseitig wirkenden Glättungs- oder Resonanzinduktivität ein direktes Einwirken von hochfrequenten Stromschwingungen auf einen Eingang oder auf einen Glättungskondensator, so daß eine eingangsseitige Glättungsdrossel (im folgenden Drosselinduktivität genannt) anderen Anordnungen einer Induktivität vorzuziehen ist.There are also it Eintransistorschaltungen with a piezotransformer, the one resonance require, which does not, or not exclusively, smoothing and thus for a high Frequency of about 50 to 200 kHz by a suitable choice of one Magnetic material and a stranded wire must be suitable. An embodiment such an arrangement is shown in document (5), US-6,052,300, disclosed. Furthermore prevents an input-side smoothing choke against one input-side smoothing or resonance inductance a direct action of high-frequency current oscillations an input or a smoothing capacitor, so that an input side smoothing choke (hereinafter inductance inductance called) other arrangements of an inductance is preferable.
Bezüglich der Steuerung von Schaltungen mit einem piezoelektrischen Wandler ist die Phasenregelung (PLL; PLL= Phase Lock Loop) ein typischer Weg der Frequenzabstimmung. In der Schrift (7), US-5,866,968, wird eine Möglichkeit beschrieben, die Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und dem Treibersignal einer Schaltung nach (4) so einzustellen, daß eine PLL-Schaltung mit einem einfachen Oszillator/Treiber-IC realisierbar ist. Diese Regel-Schaltung für die Klasse E ist insbesondere für Piezotransformatoren mit Hochtransformationseigenschaften gut geeignet, da das Spannungsmaximum an dem Ausgang des Transformators einen markanten Punkt gleichzeitig für die Nennleistung darstellt. Wegen der geringen Strombelastung bei Hochtransformation wird die Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung nahezu einem Leerlauffall entsprechen, so daß sich das Transformationsverhältnis zwischen Leerlauf und Nennlast wenig ändert. In (7) ist also im wesentlichen eine Phasenregelung über die Spannungsverläufe zwischen Eingang und Ausgang gegeben, so daß sich immer eine maximale Ausgangsspannung einstellt, wenn die richtige Phasenlage (in diesem Fall ca. 90° oder etwas weniger) eingestellt wird. Dieses gilt auch für andere Topologien mit starker Hochtransforma tion der Spannung, zum Beispiel für die Halbbrückenschaltung. Für den Fall der Abtransformation ist ein Abflachen der Übertragungscharakteristik der Ausgangsspannung zu beobachten, da die sekundärseitige Strombelastung das Spannungsübertragungsverhältnis deutlich beeinflußt. In diesem Fall stellen sich bei einer ungenauen Fixierung des Nennpunktes in Anwendungen zum Beispiel für Niederdruckgasentladungslampen oder Stromversorgungen sehr unterschiedliche Ausgangsleistungen ein, wenn ein Abgleich auf die Phase zwischen den Spannungen erfolgen würde. Gasentladungslampen haben eine negative differentielle Widerstandskennlinie, und sind durch den Lampenstrom bezüglich ihrer Nennleistung ausreichend festgelegt. Wenn man die Phasenverschiebung zwischen dem Maximum des Ausgangsstroms und einer Eingangsgröße als Grundlage für eine Regelung verwendet, so wird durch die Exemplarstreungen von Lampe (Nennspannung) und Piezotransformator unabhängig von der Topologie kaum die erwünschte Nennleistung einstellbar sein. Somit muß die Regelung auf einen bestimmten Nennwert des Ausgangsstromes erfolgen, welcher nicht notwendigerweise der maximal übertragbare Strom ist. Eine grundsätzliche Lösung zur Einstellung einer PLL-Regelung nach diesem Prinzip mit ebendiesem Nachteil ist nach (3) bekannt geworden. Für die Einstellung des Lampenstroms in (3) muß demzufolge eine sehr genaue Regelschaltung eingesetzt werden, welche entweder für jedes Gerät einen besonderen Nennwertabgleich erforderlich macht, um den Nennpunkt zu erreichen. Oder der Wert des Ausgangsstroms wird mit großem Verarbeitungsaufwand genau genug abgetastet. Eine Phasenregelung durch Abtastung der Nulldurchgänge von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom bei einer Halbbrückenschaltung ist wiederum ungenau wegen der Streuung von Umladezeiten am Eingang des Piezotransformators, so daß dort eine Auswertung der Amplitude des Ausgangsstroms erforderlich ist, um die Nennleistung einzustellen.With regard to the control of circuits with a piezoelectric transducer, phase lock loop (PLL) is a typical way of frequency tuning. In the document (7), US-5,866,968, a way is described, the phase shift between the output voltage and the drive signal of a circuit according to (4) set so that a PLL circuit with a simple oscillator / driver IC can be realized. This class E control circuit is well suited for piezotransformers with high transformation properties, since the maximum voltage at the output of the transformer is a significant point at the same time for the rated power. Because of the low current load in the high transformation, the frequency characteristic of the output voltage will almost correspond to an idle case, so that the transformation ratio between idle and nominal load changes little. In (7) is thus essentially given a phase control on the voltage waveforms between input and output, so that always sets a maximum output voltage when the correct phase position (in this case about 90 ° or slightly less) is set. This also applies to other topologies with strong high transformation of the voltage, for example for the half-bridge circuit. In the case of the transformation, a flattening of the transmission characteristic of the output voltage can be observed, since the secondary-side current load significantly influences the voltage transmission ratio. In this case, with an inaccurate fixation of the nominal point in applications, for example for low-pressure gas discharge lamps or power supplies, very different output powers occur if an adjustment to the phase between the voltages would take place. Gas discharge lamps have a negative differential resistance characteristic, and are sufficiently fixed by the lamp current with respect to their rated power. If one uses the phase shift between the maximum of the output current and an input variable as the basis for a control, so the desired nominal power is hardly adjustable by the Exemplarstreungen of lamp (nominal voltage) and piezotransformer, regardless of the topology. Thus, the control must be made to a certain nominal value of the output current, which is not necessarily the maximum transmittable current is. A fundamental solution for setting a PLL control according to this principle with this same disadvantage has become known from (3). Consequently, for adjusting the lamp current in (3), a very accurate control circuit must be used which either requires a special nominal value adjustment for each device in order to reach the nominal point. Or the value of the output current is sampled with sufficient processing effort. A phase control by sampling the zero crossings of output voltage and output current in a half-bridge circuit is again inaccurate because of the dispersion of Umladezeiten at the input of the piezoelectric transformer, so that there is an evaluation of the amplitude of the output current is required to adjust the rated power.
Aus „A Very Simple DC/DC Converter Using Piezoelectric Transformer", M.J. Prieto u.a., IEEE, 2001, Seiten 1755 bis 1760 sind Stromversorgungen mit Piezo-Trafo in einer Halbbrücken-Topologie bekannt.From "A Very Simple DC / DC Converter Using Piezoelectric Transformers ", M.J. Prieto et al. IEEE, 2001, pages 1755 to 1760 are power supplies with piezo transformer in a half-bridge topology known.
Aus
der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Resonanzkonverter sowie ein Verfahren zum effizienten Treiben von veränderlichen Lasten zu schaffen.The The object of the present invention is a resonance converter and a method for efficiently driving variable loads to accomplish.
Diese Aufgabe wird durch einen Resonanzkonverter zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 14 gelöst.These Task is by a resonant converter to drive variable Loads according to claim 1 and a method for driving variable loads according to claim 14 solved.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Piezotransformator zum Treiben von veränderlichen lasten in einem Nennlastbetrieb für den Abtransformationsfall eingesetzt werden kann, indem ein Schalter zum Schalten eines an den Piezotransformator anlegbaren Spannungssignals verwendet wird, dessen Schaltfrequenz auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom gesteuert wird.Of the The present invention is based on the finding that a piezotransformer to drift changeable loads in a nominal load operation for the transformation case can be used by a switch for switching an on the piezotransformer applicable voltage signal is used, its switching frequency based on a phase shift between a switch current and a load current is controlled.
Durch die vorgestellte Erfindung wird ein Schaltnetzteil oder Oszillator definiert, welches grundsätzlich wie ein Verstärker der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator aufgebaut ist, jedoch in seiner Betriebsweise von einem Optimum, das durch D = 0,5 gegeben ist, nach unten hin abweicht, so daß der Schalterstrom während der Einschaltzeit nur ansteigend verläuft, wobei D typischerweise in einem Intervall von 0,25 bis 0,45 liegt, und ein Maximum einer Schalterspannung auf einen etwa dreifachen Wert der Eingangsspannung begrenzbar wird. D wird hierbei als relative Einschaltzeit nur des positiven Verlaufs des Schalterstroms betrachtet. Zusätzlich kann und sollte ein negativer Schalterstromverlauf durch z.B. eine antiparallele Diode zum Schalter in allen Betriebsfällen auftreten, wodurch das Nullspannungsschalten (ZVS) stets gewährleistet werden kann.By the presented invention will be a switching power supply or oscillator defined, which in principle like an amplifier Class E with a piezoelectric transformer is, however, in its mode of operation of an optimum, by D = 0.5 is given, deviates downwards, so that the switch current while the ON time is only increasing, where D typically in an interval of 0.25 to 0.45, and a maximum of one Switch voltage to about three times the value of the input voltage becomes limited. D is here as the relative switch-on time only the positive History of the switch current considered. Additionally one can and should negative switch current waveform by e.g. an antiparallel diode to the switch in all operating cases occur, whereby the zero voltage switching (ZVS) always guaranteed can be.
Diese
Maßnahme
zur sinnvollen Begrenzung der Schalterspannung in Netzspannungsanwendungen
ist aus der Schrift (6),
Um in dieser Schaltung keine zusätzlichen reaktiven Lastkreiskomponenten zu benötigen, wird ein Spannungstransformationsverhältnis des piezoelektrischen Transformators gerade so gewählt, daß die Lastimpedanz angepaßt wird, und es wird eine Eingangskapazität des Piezotransformators so gewählt, daß sie den erforderlichen Blindleistungsanteil resonant speichern kann, so daß weder die Schalterspannung überschritten wird, noch die Spannungsrückkehr auf Null ausbleibt. Gegenüber der Schaltung nach Schrift (4) wird die dort gezeigte externe Kapazität parallel zu dem Schalter überflüssig, da die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators für eine Netzspannungsanwendung ausreichend groß gewählt werden kann, während ihr Wert bei Kleinspannungsanwendungen von einem piezoelektrischen Transformator weniger gut erreicht wird und unter Umständen zu klein ist.In order to avoid the need for additional reactive load circuit components in this circuit, a voltage transformation ratio of the piezoelectric transformer is just chosen to match the load impedance, and an input capacitance of the piezotransformer is chosen so that it can resonantly store the required reactive power contribution, so that neither the Switch voltage is exceeded, nor does the voltage return to zero. Compared with the circuit according to document (4), the external capacitance shown there in parallel with the switch is superfluous because the input capacitance of the piezoelectric transformer is sufficient for a mains voltage application can be chosen large, while their value in low voltage applications of a piezoelectric transformer is less well achieved and may be too small.
Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Schaltung vergleichsweise zu Halbbrückenschaltungen für Netzspannungsan wendungen nur einen Low-Side-Treiber und weist damit einen vertretbaren Ansteueraufwand auf. Dadurch vereinfacht sich der Ansteueraufwand für die gesamte Schaltung und ist mit einem Ansteueraufwand eines hart schaltenden DC-DC-Konverters (Flyback- oder Boost-Anordnung) vergleichbar.In addition, the required inventive circuit comparatively to half-bridge circuits for mains voltage applications only a low-side driver and thus has a reasonable tax expense on. This simplifies the control effort for the entire Circuit and with a driving effort of a hard-switching DC-DC converter (flyback or Boost arrangement) comparable.
Außerdem kommt der Schalter nur kurzzeitig, und vergleichbar wie bei der Wirkung einer Stromquelle, in einen Reversbetrieb und arbeitet deshalb insbesondere bei einer Verwendung von MOS-Transistoren, aber auch bei einer Verwendung von IGBT mit Reversdiode selbst bei hohen Frequenzen bis über 100 kHz sehr verlustarm.Besides that comes the switch only for a short time, and comparable to the effect a power source, in a reverse mode and therefore operates in particular when using MOS transistors, but also when using IGBT with reverse diode even at high frequencies up to over 100 kHz very low loss.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, in gewissen Grenzen veränderliche Lasten verlustarm und mit einem einfachen Ansteueraufwand bei hohen Frequenzen zu treiben, wobei nur ein minimaler Schaltungsaufwand, einschließlich beispielsweise eines Schalters (MOSFET oder IGBT mit einer Reversdiode), einer Eingangsgleichstromdrossel (Drosselinduktivität) und eines elektromechanischen Energiewandlers (piezoelektrischer Transformator) anfällt. Dabei ist eine gleichgerichtete Netzspannung mit gewissen Schwankungen der Eingangsspannung ebenso verwendbar wie eine konstante Eingangsgleichspannung. Der Konverter (Resonanzkonverter) erzeugt wegen einer hohen Güte des elektromechanischen Transformators eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung, wodurch der Crestfaktor bei nachgeschalteten ohmschen Lasten, wie beispielsweise Gasentladungslampen, ausreichend klein gehalten werden kann. Dieses ist bei einer konventionellen Schaltung, wie sie beispielsweise in der Schrift (2) offenbart ist, nur bei einer großen Lastkreisgüte möglich, welche wiederum eine erhöhte Stromdichtebelastung einer entkoppelnden Kapazität, ebenso wie einer Schalterparallelkapazität zur Folge hätte. Die so verwendete Schaltung arbeitet insgesamt verlustarm und die maximal verwendbare Frequenz wird im wesentlichen nur durch die dynamischen Verluste des Schalters begrenzt. Ein Fieldstop-IGBT ist durch seine kurze Tailzeit und ein entlastetes Ausschalten für diese Anwendung sehr gut geeignet.The present invention enables it, within certain limits changeable Loads with low loss and with a simple driving effort at high frequencies to drive, with only a minimal amount of circuitry, including, for example a switch (MOSFET or IGBT with a reverse diode), a Input DC reactor (reactor inductance) and an electromechanical Energy converter (piezoelectric transformer) is obtained. there is a rectified mains voltage with certain fluctuations the input voltage as well as a constant input DC voltage. The converter (resonant converter) generates because of a high quality of the electromechanical Transformers a nearly sinusoidal output voltage, thereby the crest factor at downstream ohmic loads, such as Gas discharge lamps, can be kept sufficiently small. This is in a conventional circuit, such as for example is disclosed in the document (2), only possible with a large load circuit quality, which again an increased Current density loading of a decoupling capacity, as well as a switch-parallel capacity result would have. The so used circuit works low loss and the maximum Usable frequency is essentially only through the dynamic Losses of the switch limited. A fieldstop IGBT is through his short tail time and a relieved switch off for this application very well suitable.
Somit werden in der Erfindung wenige kostengünstige Bauelemente so kombiniert, daß die technischen Erfordernisse der Abtransformation aus gleichgerichteter Netzspannung für typische Brennspannungen für Niederdruckgasentladungslampen erfüllt werden. Gleichzeitig erfüllt der elektromechanische Wandler (piezoelektrischer Transformator) die Forderung der Auftransformation in einem unbelasteten Zustand, so daß eine Niederdruckgasentladungslampe problemlos gezündet werden kann. Vor dem Zünden stellt eine solche Lampe einen sehr großen Widerstand dar, welcher in einem gezündeten Zustand (Brennbetrieb) in eine definierte Last mit einem negativen differentiellen Widerstand übergeht, und näherungsweise mit einem ohmschen Widerstand in einem Betriebspunkt angenähert werden kann. Die durch weitere Bauelemente in einem konventionellen Vorschaltgerät realisierte Zündschaltung kann in einem Vorschaltgerät mit einem piezoelektrischen Transformator ausschließlich durch diesen Transformator realisiert werden, wodurch eine weitere Kostenreduktion herbeigeführt wird.Consequently In the invention, few inexpensive components are combined in such a way that that the technical Requirements for the derivation from rectified mains voltage for typical Burning voltages for Low-pressure gas discharge lamps are met. At the same time the electromechanical transducer (piezoelectric transformer) the demand the Auftransformation in an unloaded state, so that a low pressure gas discharge lamp easily ignited can be. Before the ignition represents such a lamp is a very large resistance, which in an ignited Condition (combustion mode) in a defined load with a negative passes differential resistance, and approximately be approximated with an ohmic resistance at an operating point can. The realized by other components in a conventional ballast ignition circuit can in a ballast with a piezoelectric transformer exclusively through This transformer can be realized, resulting in a further cost reduction brought becomes.
Weiterhin wird durch eine Ausnutzung einer lastabhängigen Phasenverschiebung zwischen einem Laststrom und einem Schalterstrom ein solcher Nennlastpunkt eingestellt, daß dieser über einen Phasenregelkreis (PLL; PLL = Phase Lock Loop) geregelt werden kann. Dabei kann bei einer ausreichenden Bandbreite eines piezoelektrischen Transformators eine einfache integrierte Ansteuerschaltung verwendet werden. Eine Erfassung einer Eingangs- oder einer Lampenspannung ist dabei zu einer Einstellung eines Arbeitspunktes nicht erforderlich, da eine Parameterabhängigkeit einer Phasenverschiebung klein genug ist, um allein über einen Sollwertabgleich der Phasenverschiebung die Lampenleistung zu justieren. Ebenfalls muß die Amplitude des Ausgangsstromes zum Zwecke einer ungefähren Leistungseinstellung nicht abgetastet werden, da sich aufgrund der Änderung des Trans formationsverhältnisses bei Laständerung die Nennleistung genau genug auf die Phasenverschiebung der Stromnulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abbilden läßt.Farther is due to an utilization of a load-dependent phase shift between a load current and a switch current such a rated load point set this via a phase locked loop (PLL = Phase Lock Loop) can be controlled. It can at a sufficient bandwidth of a piezoelectric transformer a simple integrated drive circuit can be used. A Detecting an input or a lamp voltage is to a setting of an operating point not required, as a parameter dependence a phase shift is small enough to be alone over one Setpoint adjustment of the phase shift to adjust the lamp power. Also has the Amplitude of output current for approximate power adjustment not be sampled because of the change in the transformation ratio at load change the rated power is accurate enough to the phase shift of the current zero crossings of Can map switch and load current.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIGS enclosed drawings closer explained. Show it:
In
Von
der Quelle
Weiterhin
ist in
Der
Piezotransformator
Wird
der spannungsgesteuerte Leistungsschalter
Wird
nun der Schalter
Dieses
frequenzabhängige
Spannungsübertragungsverhältnis eines
piezoelektrischen Transformators, das in
Wird
nun die Spannungsübertragungsfunktion
durch eine geeignete Auslegung des elektromechanischen Wandlers
Ferner
wird der Piezotransformator
Das
frequenzabhängige
Spannungsübertragungsverhältnis eines
piezoelektrischen Transformators wird in dem in
Bei
den meisten Piezotransformatoren ist die Resonanzfrequenz in einem
unbelasteten Betrieb höher
als die optimale Frequenz unter Last (beispielsweise für eine maximale
Leistung oder auch für einen
maximalen Wirkungsgrad). Um diese Eigenschaft für eine Steuerung an einer Gasentladungslampe
zu nutzen, wird die Resonanzfrequenz des elektromechanischen Wandlers
ohne Last nur wenig oberhalb der Resonanzfrequenz unter Last realisiert, was
technisch problemlos durch eine geeignete Auslegung eines piezoelektrischen
Transformators möglich
ist. Die Nennfrequenz für
den Nennlastbrennbetrieb soll dabei etwa mit der Resonanzfrequenz
in einem lastfreien Zustand übereinstimmen.
Zum Einschalten der Gasentladungslampe wird zunächst ausgehend von der Resonanzfrequenz
der Konverter mit einer um den lastlosen Resonanzpunkt herum vorzugsweise
veränderlichen
Frequenz angesteuert, welche periodisch langsam ansteigt und/oder
langsam wieder abgesenkt wird, und einem Verlauf einer in
Nach
einer Detektion eines kleiner werdenden Reversstroms, der durch
den Schalter
Erfindungsgemäß wird zu einer Steuerung und einer Regelung des so aufgebauten Konverters ein Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Laststrom und dem Schalterstrom ausgewertet, um beispielsweise eine überresonante Regelung zu realisieren.According to the invention, a phase angle φ LT between the load current and the switch current is evaluated for controlling and regulating the converter constructed in this way in order, for example, to realize a superresonant control.
In
Zu einer Steuerung oder einer Regelung der Gasentladungslampenleistung kann daher beispielsweise der überresonante Bereich oberhalb von einer Frequenz fopt verwendet werden. Hiernach ist es daher nicht notwendig, einen Maximalwert des Gasentladungslampenstroms zu erfassen, um die Steuerung bzw. um die Regelung des Konverters vorzunehmen. Es ist ausreichend, den Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Schalter- und dem Laststrom abzutasten und auf einen Nominalwert einzustellen. Wird die Frequenz kleiner, so steigt die Wirkleistungsübertragung bei einem überresonanten Betrieb bis zu ihrem Maximum bei der Resonanzfrequenz an.For example, the supersorant range above a frequency f opt can be used for controlling or regulating the gas discharge lamp power. Accordingly, it is therefore not necessary to detect a maximum value of the gas discharge lamp current to perform the control or the regulation of the converter. It is sufficient to sample the phase angle Φ LT between the switch and the load current and set it to a nominal value. If the frequency becomes smaller, the active power transfer increases in an over-resonant operation up to its maximum at the resonance frequency.
Dies
hat zur Folge, daß ein
kapazitiver Anteil des Laststroms abnimmt und der Gasentladungslampenstrom,
welcher bei der gezündeten
Gasentladungslampe (Brennbetrieb) nähe rungsweise in Phase mit der
Lampenspannung fließt,
näher an
die Phase des Schalterstroms herankommt. Der Schalterstrom verkörpert während des
Einschaltens etwa den Eingangsstrom des Piezotransformators
Weiterhin
ist in
Der
Verlauf des Phasenwinkels ΦLT bei einer konstanten Frequenz ist noch
einmal in
In
Zusätzlich zu
dem in
Das
Ansteuerteil
Die
Aufgabe des Ansteuerteils
Ausgangsseitig
treibt der Piezotransformator
Der
Widerstand
Das
somit erhaltene Vorschaltgerät
läßt sich damit
in kompakter Bauweise auf kleinstem Raum unterbringen, wobei beispielsweise
eine Bauhöhe von
10 mm leicht erreichbar ist. Für
die Eingangsdrossel
In
Die
Steuereinrichtung
Die
Einrichtung
Im
folgenden wird die Funktionsweise des in dem in
In
dem in
In
dem in
Die
Einrichtung
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
umfaßt
der Schalter
Die
Regelung nach
Gleiches
gilt für Änderungen
der Eingangsspannung: Wenn die Eingangsspannung des Konverters ansteigt,
so verkleinert sich der Phasenwinkel ϕLT nach
Gelangt
die Regelung aus irgendeinem Grund in den unterresonanten Betrieb
(
Wie
bereits erwähnt,
zeichnet sich der VCO
Aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bedeuten, daß ein resonanter Wechselrichter, bestehend aus einem selbst- oder einem fremderregten Verstärker der Klasse E, mit einer auf Resonanzfrequenz abgestimmter Betriebsweise bei einer hohen Frequenz unter Verwendung eines elektromechanischen Energiewandlers mit hoher Lastkreisgüte, einen hohen Wirkungsgrad sowie eine begrenzte Laständerung und eine begrenzte Eingangsspannungsschwankung zuläßt, indem ein dynamisch schneller Schalter mit mindestens etwa dreifacher Sperrspannung gegenüber der maximalen Eingangsgleichspannung verwendet wird. Da nur ein Schalter und eine relativ einfache Ansteuerschaltung erforderlich sind, läßt sich die Schaltung als eine Ein-Chip-Lösung (z. B. in einer SMART-POWER-Technologie) realisieren, oder in bekannter kostengünstiger Multi-Chip-Ausführung ohne eine Notwendigkeit einer brückenfähigen Hochvolt-Technologie für die Ansteuerschaltung. Unter Verwendung von beispielsweise üblichen Hochvoltleistungsschaltern (z. B. Fieldstop-IGBT bis 1700V, Cool-MOS bis 800V) ist ein Betrieb an gleichgerichteter Netzspannung möglich. Die benötigte Ansteuerschaltung arbeitet insbesondere bei Verwendung von MOS-Transistoren oder schnellen IGBT wegen des kapazitiven Gateverhaltens sehr verlustarm, ebenso der Schalter und der elektromechanische Wandler. Durch die Verwendung von MOS-Schaltern oder auch schnellen IGBT ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielbar. Wegen daraus resultierender möglicher Frequenzerhöhung bis etwa 200 kHz oder auch mehr verkleinern sich die kapazitiven und die induktiven Bauelemente der Gesamtanordnung, wie beispielsweise die Eingangsdrossel. Eine Resonanzinduktivität ist somit nicht mehr erforderlich, ebensowenig wie eine High-Side-Treibereinrichtung, was für vergleichbare Halbbrückenlösungen mit schmalbandigen Energiewandlern nicht, oder nur unter Einschränkungen bezüglich der Ansteuergenauigkeit, gegeben ist. Außerdem sind im Lastkreis keine reaktiven Bauelemente (Kondensatoren, Induktivitäten) erforderlich und werden vollständig durch den piezoelektrischen Transformator ersetzt.Out the above-described embodiments according to the present invention Invention will be apparent that the Improvements over the Prior art mean that a resonant inverter, consisting of a self-excited or an externally excited one amplifier Class E, with a tuned to resonant frequency mode of operation a high frequency using an electromechanical Energy converter with high load circuit quality, high efficiency and a limited load change and allows a limited input voltage swing by a dynamically fast switch with at least about three times Reverse voltage opposite the maximum input DC voltage is used. Because only one switch and a relatively simple drive circuit are required, can be the circuit as a one-chip solution (eg in a SMART POWER technology) realize, or in a known cost-effective multi-chip design without a need for bridge-capable high-voltage technology for the Drive circuit. Using, for example, conventional High-voltage circuit-breakers (eg Fieldstop IGBT up to 1700V, Cool-MOS bis 800V), operation at rectified mains voltage is possible. The needed Drive circuit operates in particular when using MOS transistors or fast IGBT because of the capacitive gate behavior very low loss, as well as the switch and the electromechanical transducer. By the Use of MOS switches or even fast IGBT is high Switching speed achievable. Because of the resulting possible rate increase up to about 200 kHz or more, the capacitive ones are decreasing and the inductive components of the overall arrangement, such as the input choke. A resonance inductance is therefore no longer necessary as well as a high-side driver device, which is comparable Half bridge solutions with narrowband energy converters are not, or only with restrictions in terms of the driving accuracy, is given. In addition, in the load circuit no reactive components (capacitors, inductors) are required and become Completely replaced by the piezoelectric transformer.
Gegenüber einer aufwendigen Auswertung des Laststromes zur Einstellung der Nennleistung nach Schrift (3) ist für die gewählte Klasse-E-Schaltung nur ein Phasenvergleich zwischen den Nulldurchgängen von Laststrom und Schalterstrom erforderlich, um die Nennleistung einzustellen. Dadurch vereinfacht sich die Regelschaltung und läßt sich als Analogschaltung auf einer kleineren Chipfläche integrieren als wenn aufwendige Auswerteschaltungen für die Amplitude des Laststroms verwendet würden, oder diese Auswertung durch kostenintensive Brückentreiber-Ics vorgenommen wird.Opposite one elaborate evaluation of the load current to adjust the rated power to Font (3) is for the chosen one Class E circuit only one phase comparison between the zero crossings of Load current and switch current required to set the rated power. This simplifies the control circuit and can be integrate as analog circuit on a smaller chip area than if consuming Evaluation circuits for the amplitude of the load current would be used, or this evaluation through costly bridge driver ICs is made.
Das inverse Spannungsübertragungsverhältnis 1/ü (Eingangsspannung/Ausgangsspannung) des elektromechanischen Wandlers wird bezüglich einer Sinusübertragung bei Resonanzfrequenz in Anpassung an typische Netzanwendungen für Entladungslampen (z. B. Niederdrucklampen) erfindungsgemäß mit 1,5:1 bis 5:1 gewählt. Dabei kann die Eingangsnetzspannung zwischen 80 und beispielsweise 260 Volt Wechselspannung betragen. Aus dem elektrischen Filterverhalten des elektronmechanischen Wandlers (z. B. piezoelektrischer Transformator) ergibt sich dann eine Lastspannung (Brennspannung) im typischen Bereich der Niederdruckentladungslampen von z. B. 50 bis 160 V. Bei anderen Übersetzungsverhältnissen wäre in dieser Schaltungstopologie eine Lastenanpassung mit optimaler Schalterspannungsbegrenzung für die beschriebenen Netzanwendungen nicht erreichbar, weshalb das richtig dimensionierte Übersetzungsverhältnis im Nennlastbetrieb ein wesentlicher Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist.The inverse voltage transfer ratio 1 / ü (input voltage / output voltage) of the electromechanical transducer is relative to a sine wave transmission at resonant frequency in adaptation to typical mains applications for discharge lamps (For example, low-pressure lamps) according to the invention with 1.5: 1 to 5: 1 selected. there For example, the input line voltage may be between 80 and 260, for example Volt AC voltage. From the electrical filter behavior of the electronic mechanical transducer (eg piezoelectric transformer) then results in a load voltage (burning voltage) in the typical Range of low-pressure discharge lamps of z. B. 50 to 160 V. For other gear ratios would be in this circuit topology a load adjustment with optimal switch voltage limiting for the can not be reached, which is why the correctly dimensioned transmission ratio in Rated load operation is an essential basic idea of the solution according to the invention.
Weiterhin ist die Eingangskapazität des elektromechanischen Wandlers so zu wählen, daß neben dem parallel zu dem Wandlereingang geschalteten Halbleiterschalter keine weitere Parallelkapazität benötigt wird. Der Wert dieser Eingangskapazität wird bei einer Frequenz von typischerweise 100 kHz und einer Leistung von 10 bis 20 Watt je nach Eingangsspannung zwischen 100 pF und 1 nF betragen. Bei kleiner Eingangsspannung (80 bis 160 V Wechselspannung) ist der Wert der Kapazität etwa 500 pF bis 1 nF zu wählen, bei einer großen Eingangsspannung (160 bis 260 V Wechselspannung) ist dieser Wert etwa mit 100 pF bis 500 pF zu wählen.Farther is the input capacity of the electromechanical transducer to be chosen so that in addition to the parallel to the Converter input switched semiconductor switch no further parallel capacitance is needed. The value of this input capacity is at a frequency of typically 100 kHz and power from 10 to 20 watts depending on the input voltage between 100 pF and 1 nF. At low input voltage (80 to 160 V AC) is the value of the capacity to choose about 500 pF to 1 nF, at a big one Input voltage (160 to 260 V AC), this value is about with 100 pF to 500 pF to choose.
Die parallel hierzu wirkende Kapazität des Schalters liegt dabei in einer Größenordnung von weniger als 200 pF. Für andere Leistungsbereiche verschiebt sich der Wert der Eingangskapazität nach oben (größere Leistung) oder auch nach unten (kleinere Leistung). Eine solche Anpassung ist durch eine Konstruktion eines piezoelektrischen Transformators möglich. Bevorzugt wird hierbei ein zirkular oder auch ein lateral schwingender piezoelektrischer Transformator eingesetzt. Hingegen ist ein piezoelektrischer Transformator, der auf der Basis einer Dickenschwingung arbeitet, oder ein Rosen-Typ-Transformator weniger für diese Anwendung geeignet, da diese ein entsprechendes Abtransformationsverhältnis in dem vorgegebenen Leistungsbereich und der geforderten Eingangskapazität nicht bei einem ausreichenden Wirkungsgrad zulassen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch diese beiden Typen von Piezotransformatoren erfindungsgemäß eingesetzt werden können.The parallel acting capacity of the switch is on the order of less than 200 pF. For other power ranges, the value of the input capacitance shifts up (higher power) or down (smaller power). Such an adaptation is possible by a construction of a piezoelectric transformer. Preferably, a circular or a laterally oscillating piezoelectric transformer is used here. On the other hand, a piezoelectric transformer which operates on the basis of a thickness vibration or a Rosen type transformer is we niger suitable for this application, since they do not allow a corresponding transformation ratio in the specified power range and the required input capacitance at a sufficient efficiency. It should be noted, however, that these two types of piezotransformers can be used according to the invention.
Außerdem hilft der negative differentielle Widerstand einer Gasentladungslampe im Brennbetrieb, die Nullspannungsschaltung der Klasse E zu stabilisieren, und ist als Last in Verbindung mit einem schmalbandigen elektromechanischen Wandler hierzu besser geeignet als ein konstanter ohmscher Widerstand. Dazu wird der piezoelektrische Transformator so ausgelegt, daß seine Spannungsübertragungsfunktion eine ausreichende Bandbreite besitzt, die, wie es bereits erwähnt worden ist, bezüglich der Frequenz etwa einer Gauß'schen Funktion folgt, und so breit gewählt wird, daß bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz eine Verkleinerung des Spannungsübertragungsverhältnisses ü auftritt, dem das Ansteigen der Spannung an der Gasentladungslampe entgegenwirkt. Dadurch läßt sich eine Steuerung oder Regelung für Gasentladungslampen über eine Erfassung des Lampenstroms technisch zuverlässig implementieren die Frequenzbandbreite bis zum Abfall auf eine halbe Leistung wenigstens etwa 5 bis 10 % der Nennfrequenz beträgt. In diesem Bereich, und durch die Wirkung der Ausgangskapazität bei einer steigenden Lampenspannung, ändert sich das Ver halten der Klasse-E-Schaltung bezüglich der Nullspannungsschaltung und der Schalterstrombelastung kaum, so daß keine wesentlichen Änderungen bezüglich des Schaltermaximalstroms, des Schalterreversstroms und der Schaltermaximalspannung bei etwa konstanter relativer Einschaltzeit auftreten. Dieses ist dadurch bedingt, daß die Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators groß genug ist (z.B. einige Nanofarad), um auch im belastungsfreien Zustand genügend Blindleistung aufzunehmen, und an den Eingang resonant zurückzuspeisen, wenn die Wirklast gegenüber ihrem Nennwert kleiner wird.It also helps the negative differential resistance of a gas discharge lamp in the burning mode, to stabilize the class E zero-voltage circuit, and is used as a load in conjunction with a narrowband electromechanical Converter better suited as a constant ohmic resistance. For this purpose, the piezoelectric transformer is designed so that its Voltage transfer function has a sufficient bandwidth, which, as already mentioned is, re the frequency follows approximately a Gaussian function, and chosen so broadly will that at a deviation from the resonance frequency, a reduction of the Voltage transfer ratio ü occurs, counteracts the increase in the voltage at the gas discharge lamp. This can be done a control or regulation for Gas discharge lamps over a detection of the lamp current technically reliable implement the frequency bandwidth until waste to half a performance at least about 5 to 10% the nominal frequency is. In this area, and by the effect of output capacity at a rising Lamp voltage, changes the behavior of the class E circuit with respect to the zero voltage circuit and the switch current load hardly, so that no significant changes in the Switch maximum current, the switch reverse current and the switch maximum voltage occur at approximately constant relative on-time. This is due to the fact that the Output capacity of the piezoelectric transformer is large enough (e.g., a few nanofarads), to record enough reactive power even in the load-free state, and resonantly fed back to the entrance, when the load opposite their nominal value is smaller.
Der Klasse-E-Konverter reagiert auf eine verstärkt kapazitive oder eine weniger ohmsche Ausgangsbelastung mit einer Erhöhung des Blindstromanteils, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird. Hierbei wirkt sich die inhärente Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators in diesem Sinne stabilisierend aus. Somit kehrt die Schalterspannung weiterhin auf Null zurück, auch wenn die Gasentladungslampe wieder verloschen oder entfernt worden ist. Damit erhöht sich lediglich der Reversstromanteil in dem Schalter. Für den Fall, daß keine Wirkleistung mehr an die Last übertragen wird, ist der maximale Reversstrom gleich dem maximalen Einschaltstrom des Schalters (Zündbetrieb). Somit kann eine Detektion von End-Of-Life-Effekten oder Lastkreisunterbrechung durch ein Abtasten des Reversstroms in dem Schalter erfolgen, ohne daß die Lampenspannung überwacht werden muß. Allerdings ändert sich die optimale relative Einschaltzeit mit der Frequenz und muß bei größeren Frequenzänderungen innerhalb der Bandbreite nachgeführt werden. Solches ist für eine Festpunktlast innerhalb einer PLL-Regelung jedoch seltener oder gar nicht erforderlich und wird nur bei einer Leistungsstellung in einem größeren Bereich anzuwenden sein, oder wenn ein Zündbetrieb mit Vorheizen der Gasentladungslampe vorgesehen ist. Wegen der stärkeren Verluste während des Vorheizens im piezoelektrischen Transformator ist ein vorheizungsfreier Instant-Start für diese Lösung jedoch zu bevorzugen.Of the Class E converter responds to an amplified capacitive or a less ohmic output load with an increase of the reactive current component, without that Zero voltage condition is violated. In this case, the inherent output capacitance of the piezoelectric effect Transformers in this sense stabilizing. Thus, the returns Switch voltage continues to return to zero, even if the gas discharge lamp has been extinguished or removed. This increases only the reverse current component in the switch. In the event that no Active power is transferred to the load more the maximum reverse current is equal to the maximum inrush current of the switch (ignition mode). Consequently can detect end-of-life effects or load circuit interruption by sampling the reverse current in the switch, without that monitors the lamp voltage must become. However, changes the optimum relative on-time with the frequency and must at larger frequency changes tracked within the bandwidth become. Such is for a fixed point load within a PLL control, however, less often or not at all and will only be in a performance position in a larger area be applied, or if an ignition operation is provided with preheating the gas discharge lamp. Because of the greater losses while preheating in the piezoelectric transformer is a preheater-free Instant start for this solution however, to be preferred.
Bei einer Schwankung der Eingangsspannung ändert sich das Transformationsverhältnis des elektromechanischen Wandlers wenig, so daß sich die Leistung etwa mit dem Quadrat der Eingangsspannung ändert. Wird die Eingangsgleichspannung des Konverters kleiner, so sinken der Wirkstrom und der Blindstrom in dem Lastkreis entsprechend ab, und der Schalterreversstrom nimmt ab. Wenn die Sperrspannungsreserve des Schalters groß ist, kann die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators verkleinert werden, um ein Nullspannungsschalten (ZVS) bis zu kleineren Eingangsspannungen zu erreichen. Ist die Sperrspannungsreserve des Schalters hingegen klein, so darf die Eingangsspannung nicht unter einen bestimmten Minimalwert sinken. Dieser Wert ist wegen der ausreichend großen Ausgangskapazität eines piezoelektrischen Transformators bei sinkender ohmscher Belastung aber klein genug, um die üblichen Spannungsschwankungen der Netze auszugleichen und um zusätzlich eine größere Spannungsschwankung an dem Eingangsladekondensator zuzulassen. Wird die Last entfernt oder ist die lastseitige Gasentladungslampe ungezündet, so bewirkt die konstante oder geringfügig ansteigende kapazitive Ausgangslast des piezoelektrischen Transformators einerseits eine Aufrechterhaltung des Nullspannungsschaltens, indem der steigende Blindstromanteil den fehlenden Laststromanteil kompensiert. Andererseits wird die Schaltermaximalspannung jedoch nicht wesentlich größer, da der effektive Eingangsstrom abnimmt und von einem kleineren Anteil des Laststroms kompensiert werden muß, wobei auch die gesamte relative Einschaltzeit konstant bleibt.at a fluctuation of the input voltage changes the transformation ratio of the electromechanical Converter little, so that the Power approximately with the square of the input voltage changes. Becomes the input DC voltage of the converter decreases, so the sink Active current and the reactive current in the load circuit accordingly, and the switch reverse current decreases. When the reverse voltage reserve the switch is big, can the input capacity of the piezoelectric transformer are reduced to a Zero voltage switching (ZVS) up to smaller input voltages to reach. Is the reverse voltage reserve of the switch, however small, so the input voltage must not be below a certain Minimum value decrease. This value is due to the sufficiently large output capacity of a piezoelectric transformer with decreasing ohmic load but small enough to the usual To balance voltage fluctuations of the networks and in addition to a greater voltage fluctuation at the input charging capacitor. If the load is removed or is the load-side gas discharge lamp unlit, so causes the constant or slightly increasing capacitive Output load of the piezoelectric transformer on the one hand a Maintaining the zero voltage switching by the rising Reactive current component compensates for the missing load current component. on the other hand However, the switch maximum voltage is not much larger because the effective input current decreases and of a smaller proportion of the load current must be compensated, whereby the total relative Switch-on time remains constant.
Wird
die ohmsche Belastung größer, so
sinkt der Blindstromanteil auf kleinere Werte, so daß die Schaltermaximalspannung
auch in diesem Fall nicht überschritten
wird. Bei einen zu großen
ohmschen Last würde
das Nullspannungsverhalten nicht mehr erreicht, weil die Übertragungskennlinie
des piezoelektrischen Wandlers nur eine begrenzte Leistungsübertragung
(Maximallast) zulässt.
Eine Lasterhöhung stößt auf die
gleiche Begrenzung bei der Leistungsübertragung wie eine Eingangsspannungserhöhung nach
Durch den Einsatz nicht-avalanchefester Bauelemente, insbesondere Fieldstop-IGBT als Schalter, wird die vorliegende Anwendung kostengünstiger, indem kein Schutzelement gegen Überspannungen an dem Schalter eingesetzt werden muß, da der Ausgangskreis den Schutz des Schalters durch seine elektromechanischen und damit elektrischen Eigenschaften bereits gewährleistet.By the use of non-avalanche-resistant components, in particular Fieldstop IGBT as a switch, the present application becomes more cost effective, by no protection against overvoltages must be used on the switch, since the output circuit the Protection of the switch by its electromechanical and thus electrical Features already guaranteed.
Wie es bereits erwähnt worden ist, kann man zu einer Steuerung und Regelung eines so aufgebauten Konverters den Phasenwinkel zwischen Laststrom und Schalterstrom auswerten. Der Schalterstrom wird nur durch den Gleichanteil der Eingangsdrossel überlagert, welche die Phasenverschiebung um einen festen Betrag verändert, und deshalb nicht oder nur wenig von der Leistung oder Eingangsspannung abhängig ist. Wird die Eingangsdrossel des Konverters so klein gewählt, daß der Drosselstrom auf Null abklingen oder kleiner als Null werden kann, so kann man den Anteil des überlagerten Gleichstroms von Seiten der Drossel deutlich reduzieren oder fast zu Null machen, weil dann der Drosselstrom typischerweise in dem Moment des Einschaltens des Schalters etwa einen Nulldurchgang erreicht. Auch wenn die Eingangsdrossel größer gewählt wird, ist eine Phasendetektion zur Leistungsregelung möglich und muß nur wenig an den jeweiligen Wert der Eingangsdrossel angepaßt werden, da der effektive Eingangsstrom in dieser Anwendung wesentlich kleiner als der Laststrom ist.As it already mentioned can be, one can to a control and regulation of such a structure Converter the phase angle between load current and switch current evaluate. The switch current is only by the DC component of Input choke superimposed, which changes the phase shift by a fixed amount, and therefore not or only slightly depending on the power or input voltage. If the input choke of the converter is chosen so small that the inductor current can decay to zero or become less than zero, so you can the proportion of the superimposed Reduce direct current from the throttle or almost to zero because then the inductor current is typically in the When the switch is turned on, it reaches approximately zero crossing. Even if the input choke is larger, is a phase detection for power control possible and has little be adapted to the respective value of the input throttle, because the effective input current in this application is much smaller than the load current is.
Auch die Schwankung der Eingangsspannung läßt sich über die Phasendetektion und eine entsprechende Frequenzveränderung ausgleichen, da der kapazitive Anteil des Ausgangsstroms im Wandler ansteigt, wenn aufgrund sinkender Eingangsspannung die Wirkleistung kleiner wird.Also the fluctuation of the input voltage can be via the phase detection and a corresponding frequency change compensate, as the capacitive component of the output current in the converter increases when, due to decreasing input voltage, the active power gets smaller.
Wenn eine zu kleine Eingangsspannung anliegt, wird das zielgemäße Transformationsverhältnis bei Nennfrequenz nicht erreicht, wenn die Lastimpedanz aufgrund des negativen differentiellen Widerstands einer Gasentladungslampe zu groß wird. Der elektromechanische Wandler hat in der Regel die Eigenschaft, bei einer kleiner werdenden Eingangsspannung eine mit dieser quadratisch abnehmende Leistung zu übertragen.If If the input voltage is too low, the target transformation ratio will be added Rated frequency not reached when the load impedance due to negative differential resistance of a gas discharge lamp gets big. The electromechanical transducer usually has the property at a decreasing input voltage one with this square transmit decreasing power.
Wenn andererseits die ohmsche Ausgangsimpedanz größer wird, kann der Wandler nur mit einer Erhöhung der Ausgangsspannung reagieren, selbst wenn eine kleine Eingangsspannung anliegt. Dadurch verschiebt sich das Transformationsverhältnis zu größeren Werten hin und die wandlerinternen Verluste nehmen geringfügig zu. Gleichzeitig wird aber die inhärente Ausgangskapazität des Wandlers mit einer größeren Spannung beaufschlagt, wodurch der kapazitive Stromanteil zunimmt und der ohmsche Stromanteil abnimmt. Die Vergröße rung des Transformationsverhältnisses kann durch ein Design des elektromechanischen Wandlers so eingestellt werden, daß die Ausgangsspannung von Maximallast (minimal möglicher Lastwiderstand) zu kleineren Lasten hin (größerer Lastwiderstand) so zunimmt, daß der resultierende Ersatzwiderstand bezüglich des Eingangs etwa konstant bleibt oder sich wenig ändert.If On the other hand, the ohmic output impedance is greater, the converter only with an increase the output voltage will respond, even if a small input voltage is applied. This shifts the transformation ratio larger values and the internal transformer losses increase slightly. At the same time, however, the inherent output capacity of the converter with a larger voltage applied, whereby the capacitive current component increases and the ohmic current component decreases. The magnification of the transformation ratio can be adjusted by a design of electromechanical transducer be that the Output voltage from maximum load (minimum possible load resistance) to smaller loads (greater load resistance) increases so that the resulting equivalent resistance with respect to the input about constant stays or changes little.
Dadurch kann der Klasse-E-Konverter bei veränderlicher Last in einem weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird und indem die übertragene Leistung nur durch kleine Frequenzänderungen variiert werden kann. Es ist demzufolge auch möglich, den Phasenwinkel zwischen Last- und Schalterstrom etwa konstant zu halten und dadurch sowohl Änderungen der Eingangsspannung als auch Änderungen der Ausgangslast bei Einhaltung der ZVS-Bedingung auszugleichen. Diese Möglichkeit ist bei einem Übertrager mit konstanten Parametern, insbesondere mit konstantem Übersetzungsverhältnis, nicht in einem derart weiten Bereich von Last- und Eingangsspannungsänderung gegeben.Thereby The class E converter can operate at a variable load in a wide range Input voltage range can be operated without the zero voltage condition is violated and by the transferred Performance can only be varied by small frequency changes. It is therefore also possible the phase angle between load and switch current approximately constant to hold and thereby both changes the input voltage as well as changes balance the output load while maintaining the ZVS condition. This possibility is at a transformer with constant parameters, especially with constant gear ratio, not in such a wide range of load and input voltage change given.
Die Größe der Eingangsdrossel kann ferner benutzt werden, um die Leistung in gewissen Grenzen bei einer vorgegebenen Frequenz einzustellen. Wird die Eingangsdrossel größer gemacht, so steigt die Übertragungsleistung an, indem bei gleicher Frequenz wegen der elektrischen Charakteristik des Klasse-E-Konverters die effektive gespeicherte Energie in der Eingangsdrossel zunimmt, welche an den Lastkreis weitergegeben wird. Die Einstellung der Leistung über die Eingangsdrossel ist jedoch wegen der begrenzten Bandbreite des elektromechanischen Wandlers nur in kleineren Grenzen möglich und wird innerhalb der üblichen Toleranzen induktiver Bauelemente unwesentlich die Gesamtleistung beeinflussen. Andererseits kann der Abgleich der Eingangsdrossel zur Justierung des Arbeitspunktes verwendet werden, falls ein anderer Abgleich nicht erfolgen soll. Ein Vorteil der endlichen Ausführung der Eingangsdrossel ist somit die Möglich keit zum Abgleich der Lampenleistung. Wird die Eingangsdrossel zu groß ausgeführt, kann sie zwar eine verbesserte Glättung der Stromoberwellen zum Netz bewirken (Störspannung), verursacht aber auch eine notwendige Anpassung der Eingangskapazität des Wandlers zu kleineren Werten bei einer Leistungserhöhung und bei einem gleichbleibenden Transformationsverhältnis oder zu einem kleineren Abwärtstransformationsverhältnis und gleichbleibender oder größerer Eingangskapazität des Wandlers.The size of the input choke can also be used to adjust the power within certain limits at a given frequency. If the input choke is made larger, the transmission power increases by the same frequency due to the electrical characteristics of the class E converter, the effective stored energy increases in the input throttle, which at the Load circuit is passed on. The adjustment of the power through the input inductor, however, is possible only within smaller limits because of the limited bandwidth of the electromechanical transducer and will affect the overall performance insignificantly within the usual tolerances of inductive components. On the other hand, the adjustment of the input choke can be used to adjust the operating point, if another adjustment should not be made. An advantage of the finite design of the input choke is thus the possi bility to balance the lamp power. If the input choke is made too large, it can cause an improved smoothing of the current harmonics to the network (noise voltage), but also causes a necessary adjustment of the input capacitance of the converter to smaller values at a power increase and at a constant transformation ratio or a smaller step-down ratio and more consistent or larger input capacitance of the converter.
Für das typische Abwärtstransformationsverhältnis von 1,5:1 bis 5:1 in einem Nennlastbetrieb und bei den übrigen genannten elektrischen Daten sind die zu einer typischen Erfindungsausführung erforderlichen Werte für die Eingangsdrossel bei einer typischen Frequenz von 100 kHz zwischen 3 mH und 20 mH zu wählen.For the typical Downward transformation ratio of 1.5: 1 to 5: 1 in a nominal load operation and in the other mentioned electrical data are those required for a typical invention implementation Values for the input choke at a typical frequency of 100 kHz between 3 mH and 20 mH.
Zur Einstellung der jeweils gewünschten Nennleistung wird zeitlich nach der Detektion des Zündens eine PLL-Regelschleife in Betrieb gesetzt, in welcher die Nulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abgetastet und auf einen Phasendetektor weitergegeben werden. Weiterhin wird diese Phasendifferenz auf ein Filter geleitet, welches eine geglättete Ausgangsspannung erzeugt. Diese wird auf einen geeigneten VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) aufgeschaltet, welcher auf einen Sollwert abgeglichen sein soll (Sollwertvergleich) und eine geeignete Verstärkung aufweist. Das Ausgangssignal des VCO wird als Frequenzsignal mit zugehörigen erfindungsgemäßen Duty-Cycle (konstant oder leicht veränderlich innerhalb des genannten Bereichs) über einen Treiber an den Schalter (Gate eines IGBT oder MOSFET) zurückgeführt. Dabei kann sich der Duty-Cycle mit sinkender Frequenz geringfügig erhöhen und mit steigender Frequenz geringfügig verringern oder er wird konstant gehalten.to Setting the respective desired nominal power is in time after the detection of the ignition PLL control loop in Operation set in which the zero crossings of switch and load current sampled and passed on to a phase detector. Farther This phase difference is passed to a filter which has a smoothed Output voltage generated. This is done on a suitable VCO (voltage controlled Oscillator), which adjusted to a desired value should be (setpoint comparison) and having a suitable gain. The output of the VCO is a frequency signal with associated duty cycle according to the invention (constant or slightly variable within the stated range) via a driver to the switch (Gate of an IGBT or MOSFET) returned. This may be the duty cycle with decreasing frequency slightly increase and with increasing frequency slightly decrease or it is kept constant.
Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Phasendifferenzsignal positiv aufgeschaltet, wodurch eine etwa konstante Leistung erzeugt wird. Wenn eine Gasentladungslampe z.B. durch Alterung eine größere Brennspannung besitzt, dann fließt ein überproportional kleinerer Lampenstrom, was als Laständerung (Lastverringerung) bezeichnet werden kann. Dabei wird der Konverter die Leistung aber etwa konstant halten, indem er zunächst „feststellt", dass der Phasenwinkel wegen sinkender Wirklast größer geworden ist. Die daraus gebildete Phasenspannung Up ist laut Diagramm aber damit kleiner geworden. Wird sie positiv auf den VCO gegeben, dann sinkt die Frequenz etwas ab, und die Leistung wird wieder erhöht. Dadurch verkleinert sich der Phasenwinkel wieder, und die Phasendifferenzspannung steigt wieder laut Diagramm an. Somit kommt die Regelung irgendwann zu einem neuen Istwert der Lampenleistung, der aber nicht sehr stark vom Ausgangswert abweicht. Es ist also eine Regelung, die nur 100% genau wäre, wenn man die Parameter so einstellen könnte, dass die Verstärkungen des VCO, der Phasendifferenzspannungsbildung, und der Regelstrecke selbst (Klasse E mit Piezo-Trafo), vollständige Kompensation der Leistungsänderung zulassen würden. Das ist in der Praxis nicht der Fall, wobei jedoch eine Toleranz der Leistung von +/– 10 bis 15 % durchaus akzeptierbar ist. Bei der Eingangsspannung ist es ähnlich. Wenn sich diese erhöht, steigt die Leistung bei gleichbleibender Frequenz an. Dadurch sinkt der Phasenwinkel ab, und die Phasendifferenzspannung steigt. Damit wird aber auch eine grössere Frequenz eingestellt, womit man über die Regelstrecke (insbes. durch Übertragungskurve des Piezotrafos) wieder ein kleineres Übersetzungsverhältnis einstellt. Damit sinkt die Leistung wieder ab, und auch hier erwartet man, dass sich Leistungsschwankungen im Rahmen der Eingangsspannun sänderungen in kleinen Grenzen halten werden, da die Regelung auch nicht völlig exakt istat In the preferred embodiment described above, the phase difference signal becomes positive connected, whereby an approximately constant power is generated. If a gas discharge lamp e.g. due to aging a larger burning voltage owns, then flows a disproportionate smaller lamp current, what as load change (load reduction) can be designated. In the process, however, the converter becomes the power keep it constant by first "determining" that the phase angle is due to sinking active load has become larger is. The resulting phase voltage Up is according to the diagram but thus become smaller. If it is given positive to the VCO, then the frequency drops slightly and the performance is increased again. Thereby the phase angle decreases again, and the phase difference voltage decreases rises again according to diagram. Thus, the regulation comes at some point a new actual value of the lamp power, but not very strong deviates from the initial value. So it's a regulation that is only 100% exactly, if you could adjust the parameters so that the gains of the VCO, the phase difference voltage formation, and the controlled system even (class E with piezo transformer), complete compensation of the power change would allow. This is not the case in practice, but with a tolerance the power of +/- 10 up to 15% is quite acceptable. At the input voltage is it is similar. If this increases, increases the power at the same frequency. This decreases the phase angle decreases, and the phase difference voltage increases. In order to but it will also be a bigger one Frequency adjusted, bringing you over the controlled system (esp. By transmission curve of the piezoelectric transformer) again sets a smaller transmission ratio. Thus, the performance decreases again, and again you expect, that fluctuations in performance occur as part of the input voltage changes be kept within small limits, since the scheme is also not completely accurate is
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