DE19750041C1

DE19750041C1 - Semiconductor DC voltage regulator

Info

Publication number: DE19750041C1
Application number: DE19750041A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Falk
Original assignee: SMA REGELSYSTEME GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-11-13

Abstract

The semiconductor regulator produces a constant DC voltage output (Ua) without input current distortion from a variable DC input voltage or rectified AC voltage (Ue), including at least one circuit arrangement (13) with at least one input step-up converter having a commutation group, a bridge arrangement, and a transformer (24) with output rectifiers (27) connected between an input inductance (11) and an output capacitor (12). The strew inductance of the transformer and the capacitors of an intermediate circuit of the input step-up converter are in resonance, excited through a phase-adjusted control of at least one valve (17) of the step-up converter, and at least one valve (21) of a half-bridge arrangement or two valves (21) of a full-bridge arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung oder gleichgerichteter Wechselspannung U_e, mit mindestens einer Schaltungsanordnung mit mindestens einem Eingangshochsetzsteller mit einer Kommutierungsgruppe, einer Brückenanordnung und einem Transformator mit Ausgangsgleichrichter zwischen einer Eingangsinduktivität und einem Ausgangskondensator.The present invention relates to a semiconductor controller for generating a constant DC output voltage U _a without input current distortion in the case of variable DC input voltage or rectified AC voltage U _e , with at least one circuit arrangement with at least one input step-up converter with a commutation group, a bridge arrangement and a transformer with output rectifier between an input inductor and an output capacitor.

Hochsetzsteller für hohe Eingangsspannungen mit galvanischer Trennung sind bekannt. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 ist auf Seite 6 Zeile 32 bis Seite 7 Zeile 12 ein Ladegerät für ein Elektrofahrzeug beschrieben. Da die Energieversorgungsunternehmen mehr und mehr netzfreundliche Verbraucher mit geringem Blind- und Verzerrungsleistungsbedarf fordern, kann danach einem Wechselstromnetz nur mit einem Hochsetzsteller ein weitgehend sinusförmiger oberschwingungsarmer Strom mit cos ϕ = 1 entnommen werden. Der Hochsetzsteller des Ladegeräts, nur der ist hier von Interesse, sorgt dann dafür, daß die Spannung an einem Zwischenkreiskondensator immer größer ist als der Scheitelwert der Netzspannung. Der Wechselrichter erzeugt aus dieser Gleichspannung eine hochfrequente rechteckförmige Wechselspannung, deren Amplitude halb so groß ist, wie die Spannung am Zwischenkreiskondensator. Somit ist der für diese hochfrequente Rechteckspannung dimensionierte Transformator weitaus kleiner und leichter als ein entsprechender 50 Hertz Transformator.Step-up converter for high input voltages with galvanic isolation are known. From the German utility model G 94 03 447.8 is on Page 6 line 32 to page 7 line 12 a charger for an electric vehicle described. As the energy company more and more network-friendly consumers with low blind and Distortion power requirements can then require an AC network a largely sinusoidal only with a step-up converter Low harmonic current with cos ϕ = 1 can be taken. Of the Boost converter of the charger, only that is of interest here, then provides for making the voltage across an intermediate circuit capacitor ever greater is the peak value of the mains voltage. The inverter generates from this DC voltage is a high-frequency rectangular AC voltage, the amplitude of which is half the voltage at DC link capacitor. So this is for this high frequency Rectangular voltage sized transformer much smaller and lighter than a corresponding 50 Hertz transformer.

Dem Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 ist weiter eine Energieversorgungs einrichtung für Reisezugwagen zu entnehmen, deren Einbaumasse relativ niedrig mit verbessertem Leistungsfaktor ist und an Gleich- und Wechsel spannung betrieben werden kann. Dies wird danach dadurch erreicht, daß die Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen aus einem Eingangssteller mit Zwischenkreisfilter und einem Wechselrichter mit nachgeschaltetem Transformator besteht, wobei als Eingangssteller ein Hochsetzsteller verwendet wird und dieser Hochsetzsteller und der Wechselrichter jeweils als Stromrichterventile schnellschaltende, abschaltbare Leistungshalbleiter aufweisen. Durch diesen netzfreundlichen Hochsetzsteller der direkt mit der Eingangsspannung, z. B. einer Sammelschienenspannung verbunden ist, wird am Spannungszwischenkreis eine geregelte Gleichspannung erzeugt, die in ihrem Wert höher als der Scheitelwert der Eingangsspannung ist. Mit dem Hochsetzsteller wird neben der Verbesserung der Netzfreundlichkeit für den Wechselrichter eine stabilisierte Gleichspannung zur Verfügung gestellt, so daß hier keine weiteren Regeleingriffe erforderlich sind. Der Wechselrichter kann wegen des Betriebs an konstanter Spannung wesentlich wirtschaftlicher dimensioniert werden als bei einem Stand der Technik, bei dem der Wechselrichter unmittelbar an der schwankenden Eingangsspannung betrieben wird. Damit wird der Mehraufwand für den Eingangssteller kompensiert. Hierdurch, also durch das zentrale Energieversorgungssystem, reduziert sich dessen Einbaumasse bei verbessertem Leistungsfaktor und kann an Gleich- oder Wechselspannung der internationalen Bahnnetze betrieben werden. Auch der Wirkungsgrad verbessert sich, so daß eine wirtschaftliche, kompakte, zentrale Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen zu erhalten ist.The utility model G 94 03 447.8 is also an energy supply equipment for passenger coaches, their installation dimensions relative is low with an improved power factor and in equal and alternating voltage can be operated. This is achieved in that the energy supply device for passenger coaches from one Input controller with DC link filter and an inverter with downstream transformer, with an input controller Step-up converter is used and this step-up converter and the Inverters each as fast-switching converter valves have switchable power semiconductors. Through this network-friendly Step-up converter directly with the input voltage, e.g. B. one Busbar voltage is connected to the DC link generates a regulated DC voltage that is higher in value than that Is the peak value of the input voltage. With the boost converter is next to improving grid friendliness for the inverter stabilized DC voltage provided so that here no further control interventions are required. The inverter can because of operation at constant voltage is much more economical be dimensioned as in a prior art, in which the Inverters directly at the fluctuating input voltage is operated. This means the additional effort for the input controller compensated. This means that the central energy supply system its installation dimensions are reduced with an improved power factor and can be on DC or AC voltage of international rail networks operate. The efficiency also improves, so that a economical, compact, central energy supply device for Passenger coach is available.

Bei einer weiteren Energieversorgungseinrichtung des Gebrauchsmusters G 94 03 447.8, die aus mehreren entsprechenden Energieversorgungs einrichtungen besteht, die eingangsseitig elektrisch in Reihe und ausgangs seitig elektrisch parallel geschaltet sind, ergibt sich der Vorteil, daß die für die Versorgung von Reisezugwagen übliche hohe Eingangsspannung auf mehrere, spannungsmäßig entsprechend geringer beanspruchte Teilschaltungen aufgeteilt werden kann und die Netzfreundlichkeit durch Summierung der Pulsfrequenzen der eingangsseitigen Hochsetzsteller weiter verbessert werden kann. Eine Mehrfachreihenschaltung der Hochsetzsteller ermöglicht bei versetzter Taktung eine Vervielfachung der wirksamen Arbeitsfrequenz der Hochsetzsteller, wodurch es möglich wird, bis zu hohen Frequenzen aktive Ströme auf der Netzseite zu beeinflußen bzw. zu unterdrücken. Insbesondere können dadurch für bestimmte Frequenzen bzw. Frequenzbereiche hohe Eingangsimpedanzen ohne die bisher erforderlichen großen, schweren, passiven Komponenten realisiert werden. Dieses Prinzip der modularen Mehrfachreihenschaltung von Hochsetzstellern mit Wechselrichtern führt bei eingangsseitiger Parallelschaltung zu einer inherrent weitgehend symmetrischen Last- und Spannungsaufteilung auf der Eingangsseite. Wird ferner eine Umschalteinrichtung vorgesehen, mit der die Energieversorgungseinrichtungen eingangsseitig in Reihe oder parallel und ausgangsseitig parallel geschaltet werden kann, dann ergibt dies den Vorteil, daß bei ähnlich installierter Leistung der Teilschaltungen und unter Beibehaltung der summarischen Ausgangsleistung eine Anpassung an die unterschiedlichen Gleich- und Wechselspannungen der internationalen Bahnnetze und deren Toleranzen mit Spannungen ohne großen Mehraufwand möglich ist.In a further energy supply device of the utility model G 94 03 447.8, which consists of several corresponding energy supplies there is electrical equipment on the input side in series and output are electrically connected in parallel, there is the advantage that the for the supply of coaches usual high input voltage several, correspondingly less stressed Subcircuits can be divided and network friendliness through Summation of the pulse frequencies of the step-up converter on the input further can be improved. A multiple series connection of the step-up converter enables a multiplication of the effective ones with offset clocking Working frequency of the step-up converter, which makes it possible up to high frequencies to influence active currents on the network side suppress. In particular, this allows for certain frequencies or frequency ranges high input impedances without the previously required large, heavy, passive components. This principle of modular multiple series connection of step-up converters with inverters leads to a inherently largely symmetrical load and voltage distribution the entry page. If a switchover device is also provided with of the energy supply devices on the input side in series or can be connected in parallel and on the output side in parallel, then results this has the advantage that with a similarly installed power of the subcircuits and while maintaining the total output power a Adaptation to the different DC and AC voltages of the international rail networks and their tolerances with tensions without great additional effort is possible.

Derartige Schaltungsanordnungen dienen somit dazu, aus einer variablen Eingangsspannung letztlich eine konstante, galvanisch freie Zwischenkreis geichspannung und Ausgangsgleichspannung U_a bereitzustellen, also ohne galvanische Kopplung. Der Eingangsstrom wird dabei derart beeinflußt, daß er der Eingangsspannungsform folgt (PFC = Power Factor Correction).Such circuit arrangements thus serve to ultimately provide a constant, galvanically free intermediate circuit reference voltage and output DC voltage U _a from a variable input voltage _, that is to say without galvanic coupling. The input current is influenced in such a way that it follows the input voltage form (PFC = Power Factor Correction).

Das PFC Verfahren zur Bereitstellung einer konstanten Ausgangsgleich spannung U_a bei verzerrungsfreiem Eingangsstrom I_e hat in den letzten Jahren eine breite Markteinführung erfahren. Eine typische entsprechende Schaltungsanordnung weist im Fall eines vorhandenen Wechselstromnetzes eingangsseitig einen Netzgleichrichter auf, dem ausgangsseitig an seinem Pluspol eine Induktivität und eine Freilaufdiode und zwischen diesen und dem negativen Pol des Netzgleichrichters ein abschaltbarer Leistungshalbleiter nachgeordnet ist sowie einen Ausgangskondensator, der der Freilaufdiode nachgeordnet ist und ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichspannung verbunden ist. Die Ausgangsgleichspannung U_a wird dann über dem Ausgangskondensator abgegriffen, wobei der abschaltbare Leistungshalbleiter, die Freilaufdiode und der Kondensator eine Kommutierungsgruppe bilden. Werden mehrere Kommutierungsgruppen in Reihe mit einer gemeinsamen Induktivität geschaltet, so fließt ein gemeinsamer Drosselstrom durch jede der dadurch gebildeten Kommutierungsgruppen. Bei versetzter Taktung ist die Maximalspannung je Halbleiter gleich der Spannung am Zwischenkreiskondensator dieser Kommutierungsgruppe. Hierdurch ist eine Reihenschaltung möglich, ohne ein synchrones exakt gleichzeitiges Halten und Takten der Leistungshalbleiter sicherstellen zu müssen. Bei m Kommutierungsgruppen in Reihe ist die Rippelfrequenz des Drosselstromes somit m mal größer als die Taktgrundfrequenz fg. Dies ist bei einer Reihenschaltung der Leistungs halbleiterschalter deshalb erforderlich, da diese nur durch versetzte Taktung und die Kondensatoren in der Lage sind die Spannung U_e aufzuteilen. Es sind Verfahren bekannt, die regelungstechnisch oder durch transformatorische Ankopplung an eine konstante Spannung sicherstellen, daß die Spannungen U₁ bis U_m einen Maximalwert nicht überschreiten.The PFC process for providing a constant DC output voltage U _a with a distortion-free input current I _e has been widely launched in recent years. A typical corresponding circuit arrangement has, in the case of an existing AC network, a line rectifier on the input side, which is followed by an inductor and a free-wheeling diode on the output side at its positive pole, and between this and the negative pole of the line rectifier a power semiconductor which can be switched off is arranged as well as an output capacitor which is arranged downstream of the free-wheeling diode and also is connected to the negative pole of the DC voltage. The DC output voltage U _a is then tapped across the output capacitor, the switchable power semiconductor, the freewheeling diode and the capacitor forming a commutation group. If several commutation groups are connected in series with a common inductance, a common inductor current flows through each of the commutation groups thus formed. If the clocking is offset, the maximum voltage per semiconductor is equal to the voltage at the DC link capacitor of this commutation group. This enables a series connection without having to ensure synchronous holding and clocking of the power semiconductors at exactly the same time. With m commutation groups in series, the ripple frequency of the choke current is thus m times greater than the basic clock frequency fg. This is necessary in a series connection of the power semiconductor switches, since these are only able to split the voltage U _e by offset clocking and the capacitors. Methods are known which, in terms of control technology or by transformer coupling to a constant voltage, ensure that the voltages U ₁ to U _m do not exceed a maximum value.

Im Fall eines symmetrischen n×3-Phasenspannungssystem kann vorteilhaft zur galvanischen Trennung und zur Spannungsanpassung ein 3×n-Phasen transformator verwendet werden. Die Gesamttransformatorbauleistung wird damit gegenüber der Verwendung von n×3-Einzeltransformatoren signifikant verringert.In the case of a symmetrical n × 3 phase voltage system can be advantageous a 3 × n phase for electrical isolation and voltage adjustment transformer can be used. The total transformer output will significant compared to the use of n × 3 transformers decreased.

Halb- oder Vollbrückenanordnungen, häufig auch als Halb- oder Vollbrückentopologien bezeichnet, in galvanisch trennenden DC/DC Wandlern (Gleichstrom/Gleichstrom Wandlern) mit höherer Taktfrequenz sind seit langem Stand der Technik. Die Eingangsspannung U_e liegt beispielsweise über zwei Kondensatoren an, denen parallel eine Halbbrücke mit Leistungshalbleiterschalter und Freilaufdiode geschaltet ist, mit jeweils mittigen Anschlüssen für eine Primärspule eines Transformators. Die Sekundärspule eines Transformators wirkt dann mit einem Ausgangsgleichrichter, einer Glättungsinduktivität und einem Ausgangskondensator zusammen, über dem die Ausgangsgleichspannung U_a abgegriffen wird. Ebenso ist eine solche Schaltung bekannt, die anstelle der Halbbrücke eine Vollbrücke aufweist, die jeweils vier Leistungshalbleiterschalter mit entsprechenden Freilaufdioden aufweist. Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen jeder Kommutierungsgruppe des Hochsetzstellers eine separat geregelte Voll- oder Halbbrückenanordnung nachgeschaltet ist. Diese müssen ausgangsseitig jeweils durch eine eigene Induktivität, also Drossel gegen den Ausgangskondensator entkoppelt werden und benötigen jeweils eine eigene Meßwerterfassung und Regelung des Drosselstromes oder/und der zugehörigen Zwischenkreis kondensatorspannung. Es muß somit regelungstechnisch sichergestellt werden, daß die Spannungen U₁ bis U_m also jede Teileingangsspannung im Hochsetzsteller einen Maximalwert nicht übersteigen.Half or full bridge arrangements, often also referred to as half or full bridge topologies, in galvanically isolating DC / DC converters (direct current / direct current converters) with a higher clock frequency have long been state of the art. The input voltage U _e is present, for example, via two capacitors, to which a half bridge with power semiconductor switch and free-wheeling diode is connected in parallel, each with central connections for a primary coil of a transformer. The secondary coil of a transformer then interacts with an output rectifier, a smoothing inductor and an output capacitor, via which the DC output voltage U _{a is} tapped. Such a circuit is also known, which instead of the half-bridge has a full bridge, each having four power semiconductor switches with corresponding freewheeling diodes. Methods are also known in which each commutation group of the step-up converter is followed by a separately regulated full or half-bridge arrangement. These must be decoupled on the output side by their own inductance, i.e. choke, against the output capacitor and each require their own measured value acquisition and control of the choke current and / or the associated intermediate circuit capacitor voltage. It must therefore be ensured in terms of control technology that the voltages U ₁ to U _m, ie each part input voltage in the step-up converter, do not exceed a maximum value.

Derartige im Stand der Technik bekannte Halbleitersteller sind daher nicht geeignet, die nachfolgende Aufgabe der vorliegenden Erfindung befriedigend zu lösen.Such semiconductor actuators known in the prior art are therefore not capable of the following object of the present invention to solve satisfactorily.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung oder gleichgerichteter Eingangswechselspannung U_e anzugeben, der u. a. für Mehrspannungsanwendungen im internationalen Bahnverkehr geeignet ist, bei hohen Eingangsspannungen auch ohne Niederfrequenztransformator und/mit einer erforderlichen galvanischen Trennung eine geringe Baumasse, also ein geringes Gewicht sicherstellt und nur lastabhängige Ströme und Spannungen nach dem Eingangshochsetzsteller aufweist.The present invention has for its object to provide a semiconductor controller for generating a constant DC output voltage U _a without input current distortion with variable DC input voltage or rectified AC input voltage U _e , which is suitable for multi-voltage applications in international rail traffic, at high input voltages even without a low-frequency transformer and / or with a required galvanic isolation ensures a low construction mass, i.e. a low weight and only has load-dependent currents and voltages after the input step-up converter.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Streuinduktivitäten des Transformators und die Kondensatoren des Zwischenkreises des Eingangshochsetzstellers, angeregt durch phasenrichtiges Ansteuern mindestens eines Ventils des Eingangshochsetzstellers und mindestens eines Ventils der Halbbrückenanordnung oder zweier Ventile der Vollbrückenanordnung, in Resonanz sind. Das heißt, daß die Transformatorstromfrequenz gleich oder nahezu gleich der Eigenfrequenz der Streuinduktivität des Transformators und des Kondensators ist. Weiterhin wird hieraus erkennbar, daß durch die Streuinduktivität des Transformators und die Kondensatoren des Zwischenkreises des Hochsetzstellers ein Schwingkreis gebildet wird.This object is achieved in that the Stray inductance of the transformer and the capacitors of the DC link of the input step-up converter, stimulated by correct control of at least one valve of the Input step-up converter and at least one valve of the Half-bridge arrangement or two valves of the full-bridge arrangement, in Are resonance. That is, the transformer current frequency is equal to or almost equal to the natural frequency of the leakage inductance of the transformer and the capacitor. It can also be seen from this that Leakage inductance of the transformer and the capacitors of the Intermediate circuit of the step-up converter, a resonant circuit is formed.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß mit Hilfe eines Transformator resonanzverfahrens, welches weiter unten näher beschrieben ist, ein dem Stand der Technik ähnlicher Halbleitersteller mit einfachsten Mittel verändert werden kann, wenn ein Halbleitersteller zur Verfügung steht, bei dem unabhängig von der Eingangsspannung die Strom- und Spannungsform am Transformator relativ konstant ist. D. h., der Halbleitersteller mit all seinen Bauelementen braucht nicht größer ausgelegt zu werden, wenn die Eingangsspannung kleiner wird. Die Ströme und Spannungen nach dem Eingangshochsetzsteller sind ausschließlich lastabhängig bzw. die Spannungen und Ströme bleiben konstant, auch wenn die Eingangsspannung U_e variiert. Erreicht wird dies im wesentlichen dadurch, daß die Eigenfrequenz des Schwingkreises jeweils einer Schaltungsanordnung, gebildet von den Kondensatoren, einer oder mehrerer Kommutierungsgruppen und der Streuinduktivität des Transformators, konstant ist. Dieser Schwingkreis wird durch das Takten der Leistungshalbleiterschalter im Hochsetzsteller in Resonanz angeregt, wobei zu beachten ist, daß die Leistungshalbleiterschalter in der nachgeordneten Halb- oder Vollbrückenanordnung phasenrichtig geschaltet werden.Surprisingly, it has been found that with the aid of a transformer resonance method, which is described in more detail below, a semiconductor actuator similar to the prior art can be changed with the simplest means if a semiconductor actuator is available in which the current and Voltage form at the transformer is relatively constant. In other words, the semiconductor actuator with all of its components need not be designed to be larger if the input voltage becomes lower. The currents and voltages after the input step-up converter are exclusively load-dependent or the voltages and currents remain constant, even if the input voltage U _e varies. This is essentially achieved in that the natural frequency of the resonant circuit of a circuit arrangement, formed by the capacitors, one or more commutation groups and the leakage inductance of the transformer, is constant. This resonant circuit is excited by the clocking of the power semiconductor switches in the step-up converter, whereby it should be noted that the power semiconductor switches are switched in phase in the downstream half or full bridge arrangement.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der/die Kondensator(en) einer/zweier benachbarten(r) Kommutierungsgruppe(n) 1, ..., n des Eingangshochsetzstellers eingangsseitig jeweils gleichzeitig der/die Kondensator(en) der Brückenanordnung ist/sind und diese Kapazität(en) mit der Streuinduktivität des Transformators einen Schwingkreis bildet(n), dessen Eigenfrequenz oberhalb der Grundtaktfrequenz fg der Gesamtschaltung liegt. Auf diese Weise entstehen n = m/2 Halbbrückenanordnungen. Die Ausgangsgleichrichter sind direkt, ohne zwischengeschaltete Glättungsdrossel an einen gemeinsamen Ausgangskondensator angeschlossen, über dem die Ausgangsgleichspannung U_a, wie im Stand der Technik, abgegriffen wird. Das Trafoübersetzungsverhältnis ist derart gewählt, daß die transformierte Ausgangsgleichspannung immer größer ist als der Scheitelwert aller erwarteten Eingangspannungen geteilt durch m.According to the invention, it is provided that the capacitor (s) of one or two adjacent commutation group (s) 1 ,..., N of the input step-up converter is / are the capacitor (s) of the bridge arrangement on the input side and this capacitance (s) forms a resonant circuit with the leakage inductance of the transformer, the natural frequency of which is above the basic clock frequency fg of the overall circuit. In this way, n = m / 2 half-bridge arrangements arise. The output rectifiers are connected directly, without an intermediate smoothing choke, to a common output capacitor, via which the DC output voltage U _a , as in the prior art, is tapped. The transformer ratio is chosen such that the transformed DC output voltage is always greater than the peak value of all expected input voltages divided by m.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Taktgeber einen Taktzeitpunkt für das Takten der Ventile der Kommutierungsgruppe(n) derart gibt, daß ein oder zwei Ventile der Brückenanordnung phasenrichtig einschalten, bevor der Strom des Transformators fließt und abschalten, nachdem er erloschen ist. D. h., bei z. B. einem Hochsetzstellers aus m in Reihe geschalteten Kommutierungsgruppen mit einem schaltbaren Leistungshalbleiterschalter einer Freilaufdiode und einem Kondensator, wie eingangs geschildert, bei denen die Leistungshalbleiterschalter der einzelnen Kommutierungsgruppen jeweils um 1/m der Gesamtperiodendauer Tg = 1/fg versetzt eingeschaltet werden, sind diese Zeitpunkte zu wählen. War beispielsweise das erste Ventil, ausgebildet als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter, der Kommutierungsgruppe leitend und wird abgeschaltet, so fließt der Eingangsdrosselstrom über die Freilaufdiode als weiteres Ventil und den Kondensator dieser Kommutierungsgruppe. Der Anstieg des Trafostroms kann beginnen, wenn die Spannung an diesem Kondensator den transformierten Wert der Ausgangsgleichspannung U_a übersteigt. Das entsprechende Ventil der Brückenschaltung wird phasenrichtig eingeschaltet. Der Trafostrom steigt an. Durch die gewählte Systemeigen frequenz erlischt der Transformatorstrom vor Ende der halben Periodendauer und die Halbleiterventile in der Brückenanordnung werden stromlos abgeschaltet. Lediglich der Transformatormagnetisierungsstrom kommutiert auf die Freilaufdioden der entsprechenden Leistungshalbleiterschalter der Brückenanordnung. Der Transformatorstrom ist dadurch quasi sinusförmig. Diese Form ist durch die Eingangsspannung und Ausgangslast praktisch nicht beeinflußt.According to the invention it is provided that a clock generator gives a timing for clocking the valves of the commutation group (s) in such a way that one or two valves of the bridge arrangement switch on in phase before the current of the transformer flows and switch off after it has gone out. That is, at e.g. B. a step-up converter from m series commutation groups with a switchable power semiconductor switch of a freewheeling diode and a capacitor, as described at the beginning, in which the power semiconductor switches of the individual commutation groups are switched on offset by 1 / m of the total period Tg = 1 / fg, these are the times to choose. For example, if the first valve, designed as a switchable power semiconductor switch, was conductive to the commutation group and is switched off, the input choke current flows via the freewheeling diode as a further valve and the capacitor of this commutation group. The increase in the transformer current can begin when the voltage across this capacitor exceeds the transformed value of the DC output voltage U _a . The corresponding valve of the bridge circuit is switched on in the correct phase. The transformer current increases. Due to the selected system frequency, the transformer current goes out before the end of half the period and the semiconductor valves in the bridge arrangement are switched off without current. Only the transformer magnetizing current commutates on the free-wheeling diodes of the corresponding power semiconductor switches in the bridge arrangement. The transformer current is quasi sinusoidal. This form is practically not affected by the input voltage and output load.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herabsetzung der Eingangsgleichspannung U_e am Eingang der zwischengeschalteten Schaltungsanordnung eine Reihenschaltung einer Vielzahl von n der Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von m Kommutierungsgruppen vorgesehen sind und diesen in Reihenschaltung die Eingangsinduktivität und in Parallelschaltung der einzige Ausgangskondensator zugeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, da hinsichtlich der Eingangsinduktivität und auch des Ausgangskondensators jeweils nur ein Bauelement benötigt wird.According to a special embodiment of the invention, it is provided that in order to reduce the input DC voltage U _e at the input of the intermediate circuit arrangement, a series connection of a plurality of n of the circuit arrangement with a plurality of m commutation groups is provided and the input inductance is connected in series connection and the only output capacitor is connected in parallel are. This is advantageous since only one component is required with regard to the input inductance and also the output capacitor.

Vorteilhaft ist gemäß einer ersten Alternative vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren im Zwischenkreis angeordnet sind und jedem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil, zugeordnet ist, mit einer Verbindung zwischen den steuerbaren Ventilen, den Kondensatoren und der Primärspule des Trafos, die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist. Der Schaltungshalbleiterschalter der zweiten Kommutierungsgruppe einer Schaltungsanordnung wird um 180° versetzt zum ersten Halbleiterschalter geschaltet. Bei beispielsweise n = 6 werden dann sechs Halbleiterschalter der Kommutierungsgruppen der 3 Schaltungsanordnungen um jeweils 60° verschoben geschaltet. Je mehr Hochsetzstellerkommutierungsgruppen vorhanden sind, umso größere Eingangsgleichspannungen U_e sind dadurch verteilbar und um so kleiner wird der Rippelstrom in der Eingangsdrossel, d. h. die Eingangsdrossel kann kleiner gebaut werden und die Frequenzbelastung des Netzes wird um so geringer. Darüberhinaus sind vorteilhaft die abschaltbaren Leistungshalbleiter der Brückenanordnung nicht separat geregelt. Ihre Schaltzeitpunkte sind durch die Eingangsspannung und durch die Schaltzeitpunkte der Halbleiterschalter im Hochsetzsteller definiert. Die Frequenz von Trafostrom und Trafospannung ist gleich der Grundtaktfrequenz fg der Gesamtschaltung.According to a first alternative, it is advantageously provided that the bridge arrangement on the input side of the circuit arrangement is designed as a half-bridge, two capacitors being arranged in the intermediate circuit and each being assigned a commutation group of the input step-up converter, each consisting of a controllable and non-controllable valve, with a connection between the controllable valves, the capacitors and the primary coil of the transformer, which on the other hand is connected to the middle of the bridge. The circuit semiconductor switch of the second commutation group of a circuit arrangement is switched by 180 ° to the first semiconductor switch. With n = 6, for example, six semiconductor switches of the commutation groups of the 3 circuit arrangements are then shifted by 60 ° each. The more step-up converter commutation groups are present, the greater the DC input voltages U _e can be distributed thereby and the smaller the ripple current in the input choke, ie the input choke can be made smaller and the frequency load on the network becomes lower. In addition, the switchable power semiconductors of the bridge arrangement are advantageously not regulated separately. Their switching times are defined by the input voltage and the switching times of the semiconductor switches in the step-up converter. The frequency of the transformer current and transformer voltage is equal to the basic clock frequency fg of the overall circuit.

Gemäß einer vorteilhaften zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren im Zwischenkreis angeordnet sind und diesen gemeinsam eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil, zugeordnet ist, mit einer Verbindung zwischen den Kondensatoren und der Primärspule des Trafos, die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist. Bislang wurde der erfindungsgemäße Hochsetzsteller nur mit einer Halbbrückenanordnung zum Transformatorresonanzverfahren kombiniert, wobei je Halbbrückenzweig eine Kommutierungsgruppe angeordnet war, also n = m/2. Gemäß der vorstehenden besonderen Ausgestaltung ist eine Kombination des Hochsetzstellers auch mit einer Voll- oder Halbbrückenanordnung zum Transformatorresonanzverfahren möglich, mit der Anzahl von Brückenanordnungen n = m.According to an advantageous second alternative embodiment of the invention it is provided that the bridge arrangement on the input side of the Circuit arrangement is designed as a half bridge, two Capacitors are arranged in the intermediate circuit and this in common a commutation group of the input step-up converter, consisting of a controllable and non-controllable valve, is associated with a Connection between the capacitors and the primary coil of the transformer, which on the other hand is connected to the middle of the bridge. So far, the Booster according to the invention only with a half-bridge arrangement for Transformer resonance method combined, with each half-bridge branch a commutation group was arranged, i.e. n = m / 2. According to the The above special configuration is a combination of Booster also with a full or half-bridge arrangement for Transformer resonance method possible with the number of Bridge arrangements n = m.

Aufgrund einer besonderen dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Vollbrücke ausgebildet ist, welcher im Zwischenkreis ein Kondensator parallel geschaltet ist, dem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil zugeordnet ist und die Primärspule des Trafos mit der Brückenmitte verbunden ist. D. h., hier ist jeder Kommutierungsgruppe 1 bis m im Hochsetzsteller eine eigene Voll- oder Halbbrückenanordnung zugeordnet. Die Transformatorfrequenz beträgt dann fg/2. Bei jedem Takten des Hochsetzstellers wird abwechselnd die eine und die andere Brückendiagonale geschaltet. Die Eigenfrequenz von Trafostreuinduktivität und Zwischenkreiskondensator liegt sicher oberhalb fg/2. Besonders vorteilhaft ist diese alternative Ausgestaltung gegenüber derjenigen mit mehreren Kommutierungsgruppen je Brückenanordnung deshalb, weil die Halbleiterspannung von den Halbleitern der Brückenanordnung gleich und nicht doppelt so groß sein muß wie für die Halbleiter des Hochsetzstellers.Due to a special third alternative embodiment of the invention, it is therefore provided that the input-side bridge arrangement of the circuit arrangement is designed as a full bridge, which is connected in parallel in the intermediate circuit to a capacitor to which a commutation group of the input step-up converter, each consisting of a controllable and non-controllable valve, is assigned and which The primary coil of the transformer is connected to the middle of the bridge. In other words, each commutation group 1 to m in the step-up converter is assigned its own full or half-bridge arrangement. The transformer frequency is then fg / 2. Each time the step-up converter is cycled, one and the other bridge diagonal is switched. The natural frequency of transformer leakage inductance and DC link capacitor is certainly above fg / 2. This alternative embodiment is particularly advantageous over that with several commutation groups per bridge arrangement because the semiconductor voltage from the semiconductors of the bridge arrangement must be the same and not twice as large as for the semiconductors of the step-up converter.

Die beiden vorstehenden Ausgestaltungen weisen somit die gleichen Vorteile wie die erste Alternative mit einer Halbbrückenanordnung auf, haben jedoch weiter zum Vorteil, daß im Hochsetzsteller ein weiterer Kondensator eingespart werden kann, allerdings mit dem Nachteil, daß der Schaltungsaufwand für die Vollbrückenanordnung größer ist und, wie zuvor beschrieben, eine um den Faktor zwei kleinere Transformatorfrequenz vorliegt.The two above configurations thus have the same Advantages like the first alternative with a half-bridge arrangement, However, have the further advantage that another in the step-up converter Capacitor can be saved, but with the disadvantage that the Circuit effort for the full bridge arrangement is greater and, as before described, a transformer frequency that is two times smaller is present.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß im Fall von je einem Transformator pro Schaltungsanordnung und einer Reihenschaltung von n Schaltungsanordnungen eine durch 2 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller jeder Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet sind. Bei Verwendung von je einem Transformator je Brückenanordnung kann somit eine durch 2 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen je Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden. Im Ausgang wird jedem Transformator ein Gleichrichter nachgeschaltet. Alle Gleichrichter sind vorteilhaft an einen gemeinsamen Ausgangskondensator gleichspannungsseitig parallel geschaltet.It is also advantageously provided that in the case of one transformer each per circuit arrangement and a series connection of n Circuit arrangements a number m divisible by 2 Commutation groups in the input step-up converter each Circuit arrangement are connected in series. When using each one transformer per bridge arrangement can thus be divided by 2 Number of commutation groups per step-up converter connected in series become. In the output, each transformer becomes a rectifier downstream. All rectifiers are advantageous to a common one Output capacitor connected in parallel on the DC voltage side.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß im Fall eines gemeinsamen Drehstromtransformators für n Schaltungsanordnungen eine durch 2 und 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller der Schaltungsanordnungen in Reihe geschaltet sind. Bei Verwendung eines einzigen Drehstromtransformators kann eine durch 2 und 3 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden, also 6, 12, 18, 24 etc. (Schaltung mit Kommutierungsgruppe je Halbbrückenventil).It is also advantageously provided that in the case of a common Three-phase transformer for n circuit arrangements one through 2 and 3 Divisible number m of commutation groups in the input step-up converter the circuit arrangements are connected in series. When using a single three-phase transformer can be a number divisible by 2 and 3 are connected in series by commutation groups in the step-up converter, So 6, 12, 18, 24 etc. (circuit with commutation group each Half-bridge valve).

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von je einem Transformator für jede von n Schaltungsanordnungen eine beliebige Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind. Bei diesen Schaltungsanordnungen können eine beliebige Anzahl von m Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden. Auch hier werden alle Ausgangsgleichrichter an einem gemeinsamen Ausgangskondensator parallel geschaltet.It is also advantageously provided that in the case of one transformer each for each of n circuit arrangements an arbitrary number m of Commutation groups connected in series in the step-up converter are. With these circuit arrangements, any number of m Commutation groups can be connected in series in the step-up converter. Again, all output rectifiers are common Output capacitor connected in parallel.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von einem gemeinsamen Drehstromtransformator in Verbindung mit n Schaltungsanordnungen eine durch 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind. Im Fall einer Halb- bzw. Vollbrückenanordnung und einer reduzierten Anzahl von Kommutierungsgruppen können eine durch 3 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden, also 3, 6, 9, 12, etc.It is also advantageously provided that in the case of a common Three-phase transformer in connection with n circuit arrangements by 3 divisible number m of commutation groups in the Input step-up converter are connected in series. In the case of a half or Full bridge arrangement and a reduced number of Commutation groups can be a number of divisible by 3 Commutation groups can be connected in series in the step-up converter 3, 6, 9, 12, etc.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von drei in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen mit Eingangshochsetzstellern und nachgeordneten Bauelementen, also n = 3, der Transformator als Drehstromtransformator ausgebildet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft. Denn die primärseitige Spannungszeitfläche an allen Transformatorprimärwicklungen ist durch diese beiderseitige Ankopplung an dem gemeinsamen Ausgangskondensator und die exakt symetrische Ansteuerung der steuerbaren Halbleiter der Brückentopologie annähernd gleich. Wenn nun die abschaltbaren Halbleiterventile im Hochsetzsteller phasenrichtig geschaltet werden, dann entsteht ein symetrisches 3-Phasen-System und ein Drehstromtransformator kann verwendet werden.It is also advantageously provided that in the case of three connected in series Circuit arrangements with input step-up converters and subordinate ones Components, i.e. n = 3, the transformer as a three-phase transformer is trained. This arrangement is particularly advantageous. Because the primary-side voltage time area on all transformer primary windings is due to this mutual coupling to the common one Output capacitor and the exactly symmetrical control of the controllable semiconductors of the bridge topology approximately the same. If so the semiconductor valves that can be switched off in the boost converter are in phase are switched, then a symmetrical 3-phase system and a three-phase transformer can be used.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Schaltungsanordnungen mit nur einer Kommutierungsgruppe eine Trafofrequenz von fg/2 aufweisen, die bei jedem Takten des Eingangshochsetzstellers abwechselnd die eine und andere Brückendiagonale schaltet und die Eigenfrequenz des Resonanz schwingkreises in Verbindung mit der Trafostreuinduktivität oberhalb von fg/2 liegt. Wie bereits erwähnt ist hierbei, also in einer Schaltung mit einer reduzierten Anzahl von Kommutierungsgruppen gegenüber einer Schaltung mit Kommutierungsgruppen je Brückenventil vorteilhaft, daß die Halbleiterspannung von den Halbleitern der Brückenanordnung gleich und nicht doppelt so groß sein muß wie für die Halbleiter des Hochsetzstellers.It is also advantageously provided that the circuit arrangements with only a commutation group have a transformer frequency of fg / 2, which at every cycle of the input step-up converter alternately one and other bridge diagonal switches and the natural frequency of the resonance resonant circuit in connection with the transformer leakage inductance above fg / 2 lies. As already mentioned, this is in a circuit with a reduced number of commutation groups compared to a circuit with commutation groups per bridge valve advantageous that the Semiconductor voltage equal to and from the semiconductors of the bridge arrangement does not have to be twice as large as for the semiconductors of the step-up converter.

Sekundärseitig können bei allen vorgestellten Schaltungen alle üblichen Wicklungs- und Gleichrichteranordnungen wie Drehstrombrücken schaltungen, 12-Puls-Gleichrichter, 18-Puls-Gleichrichter Verwendung finden. Weiterhin kann jeder Sekundärwicklung auch eine einphasige Gleichrichterbrücke nachgeschaltet werden.On the secondary side, all the usual circuits can be used Winding and rectifier arrangements such as three-phase bridges circuits, 12-pulse rectifiers, 18-pulse rectifiers use Find. Furthermore, each secondary winding can also have a single phase Rectifier bridge can be connected downstream.

Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist noch auf folgendes hinzuweisen:Another advantage over the prior art is still on to point out the following:

In der Brückenanordnung wird stromlos ein- und abgeschaltet. Dadurch werden Schaltverluste vermieden. Dadurch sind die Einbußen am Wirkungsgrad für die galvanische Trennung gering. Hieraus ergibt sich eine frei wählbare Ausgangsspannung, wodurch bei nachgeschalteten Geräten verringerte Isolationsanforderungen voll genutzt werden können.The bridge arrangement is switched on and off without current. Thereby switching losses are avoided. As a result, the losses are Efficiency for galvanic isolation low. This results in a freely selectable output voltage, which means with downstream devices reduced insulation requirements can be fully used.

Die Transformatorspannung und der Transformatorstrom sind in ihrer Form kaum eingangsspannungsabhängig. Die Transformatorscheinleistung ist je nach Auslegung um den Faktor 1,2 bis 1,4 größer als die Trafowirkleistung. Damit ergibt sich eine gegen andere Hochsetzsteller mit direkter Transformation außerordentlich gute Transformatorausnutzung.The transformer voltage and the transformer current are in their form hardly dependent on input voltage. The apparent transformer power is each according to the design, by a factor of 1.2 to 1.4 greater than the active transformer power. This results in a direct increase against other step-up converters Transformation extremely good transformer utilization.

Da die Transformatorspannung unabhängig von der Eingangsspannung konstant ist und der Transformatorstrom lediglich von der Last abhängt, ist die Ausnutzung der Halbleiterventile in der Brückenanordnung und im Ausgangsgleichrichter sehr gut. Es können hier auch preislich günstige langsam schaltende Transistoren und Dioden oder anstatt Transistoren sogar Thyristoren eingesetzt werden. Im Stand der Technik sind hierzu immer schnellschaltende Ventile nötig.Because the transformer voltage is independent of the input voltage is constant and the transformer current only depends on the load the utilization of the semiconductor valves in the bridge arrangement and in Output rectifier very well. It can also be reasonably priced slow switching transistors and diodes or instead of transistors even thyristors can be used. In the state of the art there are always fast-switching valves necessary.

Es ergeben sich auch eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten beim Aufbau und bei der Einbauanordnung des Transformators. Der Transformator oder die Einzeltransformatoren müssen in ihrem Aufbau und ihrer Einbaulage nicht im Hinblick auf eine möglichst geringe Streuinduktivität optimiert werden, da eine bestimmte Streuinduktivität sogar benötigt wird, um das Transformatorresonanzverfahren anwenden zu können. Vielmehr kann im Gegenteil durch eine Drossel zwischen Transformator und Kondensator die Streuinduktivität erhöht werden, um die Resonanzfrequenz des Gebildes insgesamt zu verringern.There are also a variety of variations in the Construction and installation arrangement of the transformer. Of the Transformer or the individual transformers must in their construction and their installation position not with regard to the lowest possible Stray inductance can be optimized because of a certain stray inductance is even needed to apply the transformer resonance method can. Rather, on the contrary, a choke between Transformer and capacitor are increased to the leakage inductance To reduce the overall resonance frequency of the structure.

So können einfach aufgebaute preisgünstige Transformatoren verwendet werden. Weiterhin kann eine größere Leitungslänge zwischen Transformator und Leistungselektronik eingebaut werden. Dadurch wird der gesamte mechanische Schaltungsaufbau vereinfacht. Der Transformator kann einfacher gekühlt werden, falls dies erforderlich ist.In this way, simply constructed, inexpensive transformers can be used become. Furthermore, there can be a longer cable length between the transformer and power electronics can be installed. This will make the whole mechanical circuit structure simplified. The transformer can be cooled more easily if necessary.

Hinsichtlich der Meßwerterfassung und Regelung ist ebenfalls ein geringerer Aufwand nötig. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist eine Regelung der Zwischenkreisspannungen des Hochsetzstellers nicht erforderlich. Die Halbleiter der Brückenanordnung werden lediglich in Abhängigkeit der Schaltzeitpunkte der Halbleiter in der Hochsetzstelleranordnung und der aktuellen Eingangsspannung gesteuert.With regard to the recording of measured values and regulation, there is also less Effort required. In contrast to the prior art, regulation is DC link voltages of the step-up converter not required. The Semiconductors of the bridge arrangement are only dependent on the Switching times of the semiconductors in the step-up converter arrangement and controlled current input voltage.

Ferner ist die Verwendung von Drehstromtransformatoren mit n×3-Phasen möglich. Durch die Verwendung derartiger Drehstromtransformatoren kann die Transformatorbauleistung weiter reduziert werden. Gewicht und Volumen der Schaltung werden somit optimiert.Furthermore, the use of three-phase transformers with n × 3 phases possible. By using such three-phase transformers transformer construction output can be further reduced. Weight and Volume of the circuit are thus optimized.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments of the invention result from the Subclaims.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt: Embodiments of the present invention are described below Reference to a drawing explained in more detail. It shows:

Fig. 1 Einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m/2, 1. Alternative, Fig. 1 a semiconductor plate of the invention with n and m circuitry commutation groups, wherein n = m / 2, the first alternative,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen mit Halbbrücke und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m, 2. Alternative und Fig. 2 shows a semiconductor actuator according to the invention with n circuit arrangements with half-bridge and m commutation groups, where n = m, 2nd alternative and

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen mit Vollbrücke und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m, 3. Alternative. Fig. 3 shows a semiconductor actuator according to the invention with n circuit arrangements with full bridge and m commutation groups, where n = m, 3rd alternative.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, an dem eine Eingangsgleichspannung U_e anliegt und der eine davon galvanisch getrennte Ausgangsgleichspannung U_a abgibt. Zwischen einer Eingangsinduktivität 11 und einem Ausgangskondensator 12 sind drei Schaltungsanordnungen 13 angeordnet. Die Eingänge dieser Schaltungsanordnungen 13 sind in Reihe und deren Ausgänge parallel geschaltet und wirken gemeinsam auf den Ausgangskondensator 12. Jede Schaltungsanordnung 13 ist in drei Schaltungsabschnitte 14, 15 und 16 unterteilt. Der Abschnitt 14 enthält einen oder mehrere Hochsetzsteller, umfassend jeweils eine Kommutierungsgruppe, bestehend aus einem Kondensator, einer Freilaufdiode 18 und einem abschaltbaren Leistungshalbleiter 17. In Fig. 1 sind die Kommutierungsgruppen 1 bis 6 dargestellt, die sich bei dieser 1. Alternative und der Anzahl von drei Schaltungsanordnungen 13 ergeben. Bei einer Anzahl von n Schaltungsanordnungen sind m Kommutierungsgruppen möglich. Die schaltbaren Leistungshalbleiterventile des Hochsetzstellers des Abschnittes 14 sind mit 17 bezeichnet, die Freilaufdioden mit 18 und die Kondensatoren mit 19. Zwischen den Halbleiterschaltern 17 und den Kondensatoren 19 ist eine Verbindungsleitung 20 vorgesehen. Fig. 1 shows a semiconductor plate 10 of the invention, in which a DC input voltage U _e applied and the one of which is electrically isolated DC output voltage U _a write. Three circuit arrangements 13 are arranged between an input inductor 11 and an output capacitor 12 . The inputs of these circuit arrangements 13 are connected in series and their outputs are connected in parallel and act together on the output capacitor 12 . Each circuit arrangement 13 is divided into three circuit sections 14 , 15 and 16 . Section 14 contains one or more step-up converters, each comprising a commutation group, consisting of a capacitor, a freewheeling diode 18 and a power semiconductor 17 that can be switched off . In Fig. 1, the commutation groups 1 to 6 are illustrated, resulting in this alternative 1 and the number of three circuit assemblies 13. With a number of n circuit arrangements, m commutation groups are possible. The switchable power semiconductor valves of the step-up converter of section 14 are designated 17 , the freewheeling diodes 18 and the capacitors 19 . A connecting line 20 is provided between the semiconductor switches 17 and the capacitors 19 .

Dem Schaltungsabschnitt 14 ist ein Schaltungsabschnitt 15 nachgeordnet, der im wesentlichen eine Halbbrücke mit zwei schaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 21 mit Freilaufdioden 22 aufweist. Die Brückenmitte dieser Halbbrückenschaltung ist mit der einen Seite der Primärspule 23 eines galvanisch trennenden Transformator 24 verbunden, deren andere Seite mit der Verbindungsleitung 20 verbunden ist. Ersichtlich bilden somit die Leistungshalbleiterschalter 21 und Kondensatoren 19 eine Halbbrücke, d. h. die Kondensatoren 19 des Zwischenkreises sind gleichzeitig Kondensatoren der Brückenschaltung des Abschnitts 15. Hierbei kann zwischen Kondensator 19 und Transformator 23 die Drossel 30 geschaltet sein.The circuit section 14 is followed by a circuit section 15 , which essentially has a half bridge with two switchable power semiconductor switches 21 with free-wheeling diodes 22 . The middle of the bridge of this half-bridge circuit is connected to one side of the primary coil 23 of a galvanically isolating transformer 24 , the other side of which is connected to the connecting line 20 . It can thus be seen that the power semiconductor switches 21 and capacitors 19 form a half bridge, ie the capacitors 19 of the intermediate circuit are at the same time capacitors of the bridge circuit of section 15 . The choke 30 can be connected between the capacitor 19 and the transformer 23 .

Der Schaltungsabschnitt 16 weist den Transformator 24 auf, dessen Sekundärspule 25 mit einem Ausgangsgleichrichter 27 beispielsweise in Form einer Brückenschaltung mit den Halbleiterventilen 26 verbunden ist. Der Ausgang dieses Ausgangsgleichrichters 27 ist parallel zum Ausgangskondensator 12 geschaltet. Dadurch, daß die Kondensatoren 19 des Zwischenkreises des Schaltungsabschnittes 14 mit den Streuinduktivitäten des Transformators 24 einen Schwingkreis bilden, der bei entsprechender Auslegung der Kondensatoren und phasenrichtigem Ansteuern mindestens eines Ventils 17 des Eingangshochsetzstellers und mindestens zweier Ventile 21 der Brückenanordnung in Resonanz arbeitet. Hierdurch ist erfindungsgemäß gewährleistet, daß eine annähernd konstante Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung bzw. gleichgerichteter Wechselspannung U_e sichergestellt ist.The circuit section 16 has the transformer 24 , the secondary coil 25 of which is connected to an output rectifier 27, for example in the form of a bridge circuit, with the semiconductor valves 26 . The output of this output rectifier 27 is connected in parallel to the output capacitor 12 . Characterized in that the capacitors 19 of the intermediate circuit of the circuit section 14 form a resonant circuit with the leakage inductances of the transformer 24 , which operates in resonance with appropriate design of the capacitors and in-phase control of at least one valve 17 of the input step-up converter and at least two valves 21 of the bridge arrangement. This ensures according to the invention that an approximately constant DC output voltage U _a without input current distortion is ensured with variable DC input voltage or rectified AC voltage U _e .

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, gemäß einer 2. Alternative, der mit Ausnahme von Schaltungsabschnitt 14 und den in beliebiger Zahl angedeuteten Schaltungsanordnungen 13 entsprechend Fig. 1 ausgebildet ist, weshalb insoweit auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird. Gegenüber Fig. 1 ist je Schaltungsabschnitt 14 nur eine Kommutierungsgruppe angeordnet, die bei einer beliebigen Zahl von Schaltungsanordnungen 13, deren nominale Anzahl bis n laufen mit 1 bis m bezeichnet sind. Der Schaltungsabschnitt 14 weist einen schaltbaren Leistungshalbleiterschalter 17 und zwei Kondensatoren 19 und eine Freilaufdiode 18 auf. Ersichtlich weisen auch diese Schaltungsanordnungen 13 in ihrem Schaltungsabschnitt 15 lediglich eine Halbbrückenanordnung auf, deren Mittelpunkt mit einer Seite der Primärspule 23 des Trafos 24 verbunden ist, deren andere Seite mit der Verbindung zwischen den Kondensatoren 19 verbunden ist. Eine Verbindung 20 zwischen den Kondensatoren 19 mit der Minus-Seite des Leistungshalbleiterschalters 17 entfällt in dieser Ausgestaltung des Abschnittes 14. Auch bei diesem Hochsetzsteller 10 resultieren die erfindungsgemäßen Effekte aus der Anpassung der Kondensatoren 19 bezüglich der Streuinduktivitäten des Transformators 24. FIG. 2 shows a semiconductor actuator 10 according to the invention, according to a second alternative, which, with the exception of circuit section 14 and the circuit arrangements 13 indicated in any number, is designed in accordance with FIG. 1, for which reason reference is made to the description of FIG. 1. Compared to FIG. 1, only one commutation group is arranged per circuit section 14 , which are denoted by 1 to m for any number of circuit arrangements 13 whose nominal number runs to n. The circuit section 14 has a switchable power semiconductor switch 17 and two capacitors 19 and a free-wheeling diode 18 . As can be seen, these circuit arrangements 13 also only have a half-bridge arrangement in their circuit section 15 , the center of which is connected to one side of the primary coil 23 of the transformer 24 , the other side of which is connected to the connection between the capacitors 19 . A connection 20 between the capacitors 19 and the minus side of the power semiconductor switch 17 is omitted in this embodiment of section 14 . In this step-up converter 10 too, the effects according to the invention result from the adaptation of the capacitors 19 with regard to the leakage inductances of the transformer 24 .

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, der mit Ausnahme der Schaltungsabschnitte 14 und 15 der Schaltungsanordnungen 13 demjenigen in Fig. 2 entspricht, weshalb insoweit auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Ersichtlich weist der Schaltungsabschnitt 14 nur einer statt zwei Kondensatoren 19 auf und der Kondensator auch keine Verbindung mehr zur Primärspule 23 des Transformators 24, da Abschnitt 15 jeder dieser Schaltungsanordnungen 13 anstelle einer Halbbrücke gemäß Fig. 1 und 2 eine Vollbrücke aufweist, deren Mittelpunkte mit den jeweiligen Enden der Primärspule 23 des Transformators 24 verbunden sind. Die Vollbrückenschaltung in Abschnitt 15 weist 4 schaltbare Halbleiterschalter 21 mit entsprechenden Freilaufdioden 22 auf. Auch bei diesem Halbleitersteller 10 resultieren die Vorteile erfindungsgemäß aus der Anpassung des Kondensators 19 an die Streuinduktivität des Transformators 24 und die entsprechende Ansteuerung der schaltbaren Ventile, so daß diese Elemente einen Schwingkreis bilden. FIG. 3 shows a semiconductor actuator 10 according to the invention which, with the exception of the circuit sections 14 and 15 of the circuit arrangements 13, corresponds to that in FIG. 2, for which reason reference is made to the description thereof. Obviously, the circuit section 14 has only one instead of two capacitors 19 and the capacitor also no longer has a connection to the primary coil 23 of the transformer 24 , since section 15 of each of these circuit arrangements 13 has a full bridge instead of a half bridge according to FIGS respective ends of the primary coil 23 of the transformer 24 are connected. The full bridge circuit in section 15 has 4 switchable semiconductor switches 21 with corresponding freewheeling diodes 22 . With this semiconductor actuator 10 , too, the advantages result from the adaptation of the capacitor 19 to the leakage inductance of the transformer 24 and the corresponding activation of the switchable valves, so that these elements form an oscillating circuit.

Neben den bereits genannten Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere dem Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 werden nachfolgend noch einige Unterschiede bzw. Gemeinsamkeiten zu dem anmeldungsgemäßen Halbleitersteller angegeben:In addition to the advantages mentioned above compared to the prior art, in particular the utility model G 94 03 447.8 are given below some differences or similarities to that specified semiconductor actuator:

Das bekannte System wird mit Hilfe von Schützen in Abhängigkeit der Eingangsspannung konfiguriert. Erfindungsgemäß ist keine Konfiguration des System in Abhängigkeit der Eingangsspannung vorgesehen.The known system is used with the help of shooters depending on the Input voltage configured. According to the invention, there is no configuration of the system depending on the input voltage.

Wie im Stand der Technik erfolgt erfindungsgemäß versetztes Takten von in Reihe geschalteten Hochsetzstellerstrukturen, um die Rippelfrequenz der Drossel zu erhöhen.As in the prior art, clocked offset of Booster structures connected in series to the ripple frequency of the Increase throttle.

Im Stand der Technik ist eine regelungstechnische Entkopplung der Eingangsstufe und der Transformatorstufe durch große Kondensatoren nötig. Erfindungsgemäß ist die Transformatorstufe an den Takt der Eingangsstufe gekoppelt, was kleine Zwischenkreiskondensatoren erfordert.In the prior art there is a decoupling of the control technology Input stage and the transformer stage through large capacitors necessary. According to the invention, the transformer stage is connected to the clock Input stage coupled, which requires small DC link capacitors.

Erfindungsgemäß ist die Transformatorstufe als Resonanzwandler aufgebaut, der durch die Eingangsstufe angeregt wird, was im Stand der Technik nicht vorgesehen ist.According to the invention, the transformer stage is a resonance converter built up, which is stimulated by the input stage, which in the state of the Technology is not provided.

Im Stand der Technik hat jeder Hochsetzstellertransistor seine eigene Halbbrückentransformatorstufe. Dem gegenüber sind erfindungsgemäß mindestens ein, vorzugsweise zwei Hochsetzstellertransistoren einer Transformatorstufe zugeordnet, je nach Ausführungsform.In the prior art, each step-up converter transistor has its own Half-bridge transformer stage. In contrast, are according to the invention at least one, preferably two, boost converter transistors one Assigned transformer stage, depending on the embodiment.

Im Stand der Technik sind vier Strukturen in Reihe oder parallel aufgebaut, wodurch kein Drei-Phasen-System aufgebaut werden kann. Erfindungsgemäß kann am Ausgang ein einziger Drei-Phasen-Transformator verwendet werden, da 3 Strukturen vorhanden sind, die um jeweils 120° versetzt getaktet werden. In the prior art, four structures are built in series or in parallel, which means that a three-phase system cannot be set up. According to the invention, a single three-phase transformer can be used at the output can be used as there are 3 structures, each at 120 ° be offset clocked.

Erfindungsgemäß, wie auch im Stand der Technik können IGBT- Transistoren als aktive Halbleiterschalter Verwendung finden.According to the invention, as in the prior art, IGBT Transistors are used as active semiconductor switches.

Im Stand der Technik muß jeder Gleichrichterstruktur auf der Sekundärseite noch vor dem Ausgangskondensator eine Glättungsdrossel nachgeschaltet werden. Erfindungsgemäß entfällt eine solche dem Ausgangskondensator vorgeschaltete Drossel.In the prior art, each rectifier structure must be on the secondary side a smoothing choke is connected downstream of the output capacitor become. According to the invention, the output capacitor does not have one upstream throttle.

Im Stand der Technik ist sekundärseitig immer eine Parallelschaltung vorgesehen. Erfindungsgemäß wird bei Verwendung eines Dreiphasentrans formators eine Dreiphasengleichrichtung oder eine sekundäre Parallelschaltung beim Aufbau mit Einzeltransformatoren vorgesehen.In the prior art, there is always a parallel connection on the secondary side intended. According to the invention when using a three-phase transfer formators a three-phase rectification or a secondary Parallel connection provided when building with individual transformers.

Im Stand der Technik ist die Regelung von Eingangsstrom, vier Zwischenkreisspannungen und der Ausgangsspannung erforderlich, dem gegenüber ist erfindungsgemäß nur die Regelung von Eingangsstrom und Ausgangsspannung nötig.In the prior art, the regulation of input current is four DC link voltages and the output voltage required, the compared to the invention is only the regulation of input current and Output voltage necessary.

Im Stand der Technik hat der Rippelstrom der Eingangsdrossel die vierfache Frequenz der Schaltfrequenz der einzelnen Hochsetzstellerstufen. Erfindungsgemäß hat der Rippelstrom der Eingangsdrossel die sechsfache Frequenz der einzelnen Hochsetzstellerstufen.In the prior art, the ripple current of the input choke is four times Frequency of the switching frequency of the individual step-up converter stages. According to the invention, the ripple current of the input choke is six times Frequency of the individual step-up converter stages.

Claims

1.Semiconductor controller for generating a constant DC output voltage U _a without input current distortion with variable DC input voltage or rectified AC voltage U _e , with at least one circuit arrangement ( 13 ) with at least one step-up converter with a commutation group, a bridge arrangement and a transformer ( 24 ) with output rectifier ( 27 ) between an input inductor ( 11 ) and an output capacitor ( 12 ), characterized in that the leakage inductances of the transformer ( 24 ) and the capacitors ( 19 ) of the intermediate circuit of the input step-up converter and excited by in-phase control of at least one valve ( 17 ) of the input step-up converter and at least one valve ( 21 ) of the half-bridge arrangement or two valves ( 21 ) of the full-bridge arrangement are in resonance.

2. Semiconductor actuator according to claim 1, characterized in that the capacitor (s) ( 19 ) of one / two adjacent (r) commutation group (s) 1 , ..., m of the input step-up converter on the input side each of the capacitor (s) ) the bridge arrangement is / are and this capacitance (s) with the leakage inductance of the transformer ( 24 ) forms an oscillating circuit (s), the natural frequency of which lies above the basic clock frequency fg of the overall circuit.

3. Semiconductor actuator according to claim 2, characterized in that a clock generator gives a timing for clocking the valves ( 17 ) of the commutation group (s) in such a way that two valves ( 21 ) of the bridge arrangement switch on in phase before the current of the transformer ( 24 ) flows and turn off after it has gone out.

4. Semiconductor actuator according to claim 3, characterized in that to reduce the input DC voltage U _e at the input of the intermediate circuit arrangement ( 13 ) a series connection of a plurality of n of the circuit arrangement with a plurality of m commutation groups are provided and this in series connection the input inductance ( 11 ) and the only output capacitor ( 12 ) are assigned in parallel.

5. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that the input-side bridge arrangement of the circuit arrangement ( 13 ) is designed as a half-bridge, two capacitors ( 19 ) being arranged in the intermediate circuit and each having a commutation group of the input step-up converter, each consisting of a controllable one and non-controllable valve ( 17 , 18 ), with a connection ( 20 ) between the controllable valves ( 17 ), the capacitors ( 19 ) and the primary coil ( 23 ) of the transformer ( 24 ), which on the other hand is connected to the center of the bridge .

6. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that the input-side bridge arrangement of the circuit arrangement ( 13 ) is designed as a half-bridge, two capacitors ( 19 ) being arranged in the intermediate circuit and these together a commutation group of the input step-up converter, consisting of a controllable one and non-controllable valve ( 17 , 18 ), with a connection between the capacitors and the primary coil ( 23 ) of the transformer ( 24 ), which on the other hand is connected to the center of the bridge.

7. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that the input-side bridge arrangement of the circuit arrangement ( 13 ) is designed as a full bridge, which is connected in parallel in the intermediate circuit, a capacitor ( 19 ) to which a commutation group of the input step-up converter, consisting of one each controllable and non-controllable valve ( 17 , 18 ) is assigned and the primary coil ( 23 ) of the transformer ( 24 ) is connected to the middle of the bridge.

8. Semiconductor controller according to claim 5, characterized in that in the case of one transformer ( 24 ) per circuit arrangement ( 13 ) and a series circuit of n circuit arrangements ( 13 ) a number m of commutation groups in the step-up converter of each circuit arrangement ( 13 ) in by 2 divisible Series are connected.

9. The semiconductor device according to claims 8, characterized in that in the case of a common three-phase transformer for n circuits (13) divisible by 2 and 3 m number of commutation groups in the input boost converter of the circuit arrangements (13) are connected in series.

10. Semiconductor actuator according to claims 6 and 7, characterized in that in the case of one transformer ( 24 ) for each of n circuit arrangements ( 13 ) any number m of commutation groups in the input step-up converter are connected in series.

11. A semiconductor actuator according to claims 6 and 7, characterized in that in the case of a common three-phase transformer in connection with n circuit arrangements ( 13 ) a number m of commutation groups in the input step-up converter which can be divided by 3 are connected in series.

12. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the case of three circuit arrangements ( 13 ) connected in series with input step-up converters and downstream components, ie n = 3, the transformer ( 24 ) is designed as a three-phase transformer.

13. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangements ( 13 ) with only one commutation group have a transformer frequency of fg / 2, which alternately switches the one and the other diagonal of the bridge and the natural frequency of the resonant circuit at each cycle of the input step-up converter in connection with the transformer leakage inductance lies above fg / 2.

14. Semiconductor actuator according to one or more of the preceding claims, characterized in that a choke ( 30 ) can be used between the transformer ( 24 ) and capacitor ( 19 ) in order to increase the leakage inductance of the transformer.