DE102016010615B4

DE102016010615B4 - Sperrwandler mit Betriebsverfahren, Leuchte und Flugzeug

Info

Publication number: DE102016010615B4
Application number: DE102016010615.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Nieberlein; Günther KÖNINGER
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: DE102016010615A1

Abstract

Sperrwandler (2), der für einen Quasi-Resonanz-Betrieb zur Umsetzung einer Eingangsspannung (UE) in eine Ausgangsspannung (UA) eingerichtet ist,- der eine zweipolige erste Schnittstelle (4a) und eine zweipolige zweite Schnittstelle (4b) für die Zwischenschaltung einer Übertrageranordnung (6a-c) enthält,dadurch gekennzeichnet, dass- zwischen den Schnittstellen (4a,b) mindestens zwei Übertrageranordnungen (6a-c) parallel zueinander angeschlossen sind,- wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) eine an die erste Schnittstelle (4a) angeschlossene Reihenschaltung aus der Primärseite eines Übertrager (8) und einer Parallelschaltung eines Schaltelements (10) mit einem Kondensatorelement (12) enthält, wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) eine an die zweite Schnittstelle angeschlossene Sekundärseite des jeweiligen Übertragers (8) enthält,- wobei den Übertrageranordnungen (6a-c) eine hierarchische Reihenfolge zugewiesen ist,- wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) ein Steuermodul (22a-c) enthält, das dazu eingerichtet ist, das jeweilige Schaltelement (10) zu einem jeweils vom Quasi-Resonanz-Prinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt (ZE) einzuschalten,- und das Steuermodul (22a) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) dazu eingerichtet ist, deren Schaltelement (10) anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums (Ga) auszuschalten,- wobei der Sperrwandler (2) ein Synchronmodul (24) enthält, das dazu ausgebildet ist, die Zeitpunkte (ZA) der Ausschaltung der Schaltelemente (10) aller hierarchisch nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunktes (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) zu steuern,- wobei das Synchronmodul (24) dazu ausgebildet ist, die Schaltelemente (10) aller nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) kaskadierend zu schalten, indem der Zeitpunkt (ZA) für die Ausschaltung des Schaltelements (10) einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunkts (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (6ab) gesteuert ist,- wobei das Synchronmodul (24) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (10) einer jeweils nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) im jeweiligen Zeitpunkt (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweils vorhergehenden Übertrageranordnung (6a-b) oder um einen Zeitversatz (V) nach dem jeweiligen Zeitpunkt (ZE) der Einschaltung verschoben auszuschalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sperrwandler zur Umsetzung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung und dessen Betrieb, wobei der Sperrwandler für einen Quasi-Resonanzbetrieb eingerichtet ist beziehungsweise bei seinem Betrieb im Quasi-Resonanzbetrieb arbeitet. Die Erfindung betrifft auch eine Leuchte mit einem entsprechenden Sperrwandler und ein Flugzeug mit einem entsprechenden Sperrwandler und/oder einer entsprechenden Leuchte.
Bei nichtlinearen Verbrauchern, zum Beispiel einem Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Schaltnetzteilen, treten bei sinusförmiger Spannungsversorgung phasenverschobene und nicht sinusförmige Eingangsströme auf. Derartige Eingangsströme können in Stromversorgungsnetzen und anderen elektrischen Geräten Störungen verursachen. Daher ist es notwendig, den Stromverlauf möglichst sinusförmig zu gestalten und den Blindstromanteil zu minimieren. Die Leistungsfaktorkorrektur PFC (Power Factor Control) behebt die nichtlineare Stromaufnahme von Verbrauchern. In modernen Netzteilen muss daher ab einer von der Anwendung abhängigen Leistungsgröße ein zur Netzspannung synchroner Sinusstrom vom Netz gezogen werden. Dies bewerkstelligen beispielsweise übliche Schaltnetzteile, die in PFC Konfiguration laufen.
Aus der US 2010/0181970 A1 ist ein Phasenverschiebungssteuerungsverfahren für einen Boost-Converter bekannt. Der Boost-Converter weist eine Master-Phase und eine Slave-Phase auf. Jeder Phase ist ein Schaltelement zugeordnet. Treibersignale treiben die Schaltelemente. TS ist ein Zeitintervall zum Laden des ersten Treibersignals. TS/2 ist die Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt des leitenden Zustandes des zweiten Treibersignals und dem Zeitpunkt des leitenden Zustandes des ersten Treibersignals.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Lösungen beim Einsatz von Schaltnetzteilen anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sperrwandler gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der Sperrwandler dient zur Umsetzung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung. Der Sperrwandler ist für einen Quasi-Resonanzbetrieb (QR) eingerichtet, das heißt beim bestimmungsgemäßen Betrieb arbeitet dieser im Quasi-Resonanzbetrieb. Es handelt sich also um einen sogenannten QR-Flyback-Converter. Der Sperrwandler enthält eine zweipolige erste elektrische Schnittstelle und eine zweipolige zweite elektrische Schnittstelle. Die Schnittstellen dienen zur Zwischenschaltung einer Übertrageranordnung.
Zwischen den Schnittstellen sind mindestens zwei Übertrageranordnungen parallel zueinander angeschlossen. Insbesondere sind mehrere, z.B. drei, vier oder fünf Übertrageranordnungen vorgesehen. Jede der Übertrageranordnungen enthält eine an die erste Schnittstelle angeschlossene Reihenschaltung aus einem Übertrager bzw. dessen Primärseite und einer Parallelschaltung. Die Parallelschaltung enthält ein Schaltelement, dem ein Kondensatorelement parallelgeschaltet ist. Die jeweilige Übertrageranordnung enthält auch eine an die zweite Schnittstelle angeschlossene Sekundärseite des Übertragers. Den Übertrageranordnungen ist eine hierarchische Reihenfolge zugewiesen. Gemäß Festlegung dieser Hierarchie bildet also eine erste Übertrageranordnung einen „Master“ im Sperrwandler. Die hierarchisch nachfolgenden parallel geschalteten Übertrageranordnungen sind jeweilige untergeordnete „Slaves“. Auch die Slaves besitzen untereinander eine festgelegte Reihenfolge, also eine hierarchisch zweite, dritte, vierte usw. Übertrageranordnung.
Jede der Übertrageranordnungen enthält ein Steuermodul, das dazu eingerichtet ist, das jeweilige Schaltelement zu einem jeweils vom Quasi-Resonanzprinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt einzuschalten. Das Steuermodul der hierarchisch ersten Übertragungsanordnung (Master) ist außerdem dazu eingerichtet, deren Schaltelement anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums auszuschalten.
Der Sperrwandler enthält ein Synchronmodul. Das Synchronmodul ist dazu ausgebildet, die Zeitpunkte der Ausschaltung der Schaltelemente aller hierarchisch nachfolgenden (zweite, dritte, usw.) Übertrageranordnungen (Slaves) in Abhängigkeit des Zeitpunktes der Einschaltung des Schaltelements der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (Master) zu steuern.
Der „vom Quasi-Resonanzprinzip systembedingt vorgegebene Zeitpunkt der Einschaltung“ ist folgender: Durch Einschalten des Schaltelements fließt Strom durch die Primärseite des Übertragers. Energie wird in diesem gespeichert. Beim Ausschalten ist also Energie in der Spule des Übertragers gespeichert. Nach dem Ausschalten wird diese Energie über die Sekundärseite des Übertragers abgegeben. Durch den Schwingkreis aus Primärseite des Übertragers und Kondensatorelement schwingt hierbei die Spannung am Kondensator und somit auch am Schaltelement in freier Weise, d.h. durch das jeweilige Resonanzverhalten bedingt. Diese Schwingung weist verschiedene Minima auf. Gemäß dem üblichen Quasi-Resonanzbetrieb wird insbesondere in einem bestimmten „ersten“ oder auch in einem der nachfolgenden Spannungsminima der Spannung am Kondensator beziehungsweise am Schaltelement das Einschalten vorgenommen. Insbesondere im ersten Spannungsminimum liegt hierbei eine insgesamt minimale Spannung am Schaltelement an, sodass sich nur minimale Schaltverluste beim Einschalten des Schaltelements ergeben. So ergeben sich die üblichen und hier nicht näher erläuterten Vorteile eines QR-Sperrwandlers. Da das Einschalten bzw. dessen Zeitpunkt nicht über eine definierte Zeit, sondern über das Auftreten eines Spannungsminimums definiert ist, kann der entsprechende Zeitpunkt, wann dieses Minimum auftritt, nicht festgelegt werden, sondern variiert zeitlich, da die freie Schwingung der Spannung am Schaltelement bis zum Minimum eben gerade zugelassen werden soll. Der Zeitpunkt ist also systembedingt vorgegeben und kann nicht nach einem Zeitkriterium gewählt werden.
Das Grenzkriterium entscheidet über die Menge der ab dem jeweiligen Einschalten im Übertrager eingespeicherten und damit später zur Sekundärseite zu übertragenden Energie und ist ein Freiheitsgrad, welcher beliebig variierbar ist. Je nach Wahl des Grenzkriteriums beziehungsweise Wahl der Schaltung des Schaltelements wird pro Einschalt-Ausschalt-Zyklus entsprechend viel Energie durch den Sperrwandler transportiert. So erfolgt also dessen Leistungssteuerung.
Im QR-Sperrwandler werden also keinerlei klassische Schaltzeitpunkte im Sinne einer klassischen fixen Zeitsteuerung vorgegeben. Die Einschaltzeitpunkte sämtlicher Schaltelemente sind durch das QR-Prinzip systembedingt vorgegeben und können nicht beeinflusst werden. Der Ausschaltzeitpunkt des ersten Schaltelements (im Master) wird nach der gewünschten, durch den Sperrwandler zu transportierenden Energie bestimmt und somit auch nicht rein zeitgesteuert vorgegeben, sondern ergibt sich aus den Energieanforderungen bzw. dem Grenzkriterium. Die anderen gemäß QR-Prinzip an sich variabel gestaltbaren Ausschaltzeitpunkte der Slaves sind gemäß der Erfindung ebenfalls nicht frei wählbar, sondern durch das Synchronmodul erzwungen. Sie ergeben sich aus Abhängigkeiten vom Master beziehungsweise des Einschaltzeitpunktes von dessen Schaltelement zwangsweise.
Gemäß der Erfindung laufen sämtliche Übertrageranordnungen im Sperrwandler im ungestörten QR-Betrieb, weshalb der Sperrwandler nach wie vor die üblichen QR-Vorteile aufweist. Zudem ergibt sich jedoch durch das Synchronmodul beziehungsweise die Wahl einer geeigneten Abhängigkeit der Einschaltzeitpunkte der Slave-Übertrager die Möglichkeit, innerhalb des Sperrwandlers eine gewünschte Stromaufnahme zu realisieren. So kann beispielsweise durch das Synchronmodul bzw. dessen Abhängigkeitsvorgaben sichergestellt werden, dass immer nur eines der Schaltelemente eingeschaltet ist und somit stets nur ein einfacher Übertragerstrom am Eingang der Eingangsspannung aufgenommen wird.
Die Erfindung bezieht sich auf die Übertragerkomponente im Sperrwandler. Daher ist nur diese ausführlich dargestellt. Der Sperrwandler enthält weitere für übliche Sperrwandler übliche Komponenten wie zum Beispiel ein Eingangsfilter, einen Gleichrichter und Speicherkapazitäten, die hier nicht näher erläutert werden sollen.
Gemäß der Erfindung ist das Synchronmodul dazu ausgebildet, die Schaltelemente aller nachfolgenden Übertrageranordnungen (Slaves) kaskadierend zu schalten, indem der Zeitpunkt für die Ausschaltung des Schaltelements einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (Slave von Rang n=2 oder mehr) in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Einschaltung des Schaltelements der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (Master oder höherrangiger Slave vom Rang n-1) gesteuert ist. Mit anderen Worten wird also das Schaltelement in der zweiten Übertrageranordnung (erster Slave, Rang n=2) in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Einschaltung des Schaltelements der ersten Übertrageranordnung (Master, Rang n=1) gesteuert. Das Schaltelement in der dritten Übertrageranordnung (zweiter Slave, Rang n=3) wird wiederum abhängig vom Einschalten des Schaltelements in der zweiten Übertrageranordnung (erster Slave, Rang n=2) ausgeschaltet, und so weiter. In Bezug auf das Schaltverhalten ergibt sich so eine Kaskade, da jedes Schaltelement nur jeweils vom vorherigen beziehungsweise ranghöheren Schaltelement abhängig geschaltet wird. Eine zentrale Steuerung ist nicht notwendig. Im Betrieb ist eine derartige Kaskade selbstorganisierend. Das heißt, nach wenigen Schaltzyklen sämtlicher Übertrageranordnungen ergibt sich ein zeitlich stabil laufendes Schaltverfahren auf sämtlichen Hierarchieebenen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Grenzkriterium eine Grenzstromstärke durch den Übertrager und/oder durch das Schaltelement. Die Grenzstromstärke ist ein Maß für die zwischen Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt des Schaltelements in den Übertrager eingebrachte Energie. Durch die Variation der Grenzstromstärke, also derjenigen Stromstärke, bei deren Erreichen das Schaltelement ausgeschaltet wird, ist also eine Leistungssteuerung im Sperrwandler bezüglich seiner zu übertragenden Energie möglich. Alternativ ist für das Grenzkriterium beispielsweise ein Zeitintervall zwischen dem Ein- und dem Ausschaltzeitpunkt oder ein Stromintegral des zwischen Ein- und Ausschaltzeitpunkt fließenden Stromes und so weiter denkbar. Für eine Steuerung anhand einer Grenzstromstärke sind entsprechende Bauteile für Sperrwandler verfügbar. Eine Stromermittlung beziehungsweise Strommessung ist ebenfalls einfach durchführbar, zum Beispiel durch einen in Reihe zum Übertrager oder Schaltelement geschalteten Stromshunt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Synchronmodul jeweilige Teilmodule. Jedes der Teilmodule ist lediglich zwischen zwei hierarchisch aufeinanderfolgenden Übertrageranordnungen geschaltet. Jedes der Teilmodule ist dazu ausgebildet, das Schaltelement der jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung in Abhängigkeit des Zeitpunktes der Einschaltung des Schaltelements der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung auszuschalten. In Bezug auf eine Vorrichtung ergeben sich somit einzelne Teilmodule beziehungsweise eine verteilte Anordnung innerhalb des Synchronmoduls. Die Teilmodule können entsprechend einfach ausgestaltet werden, da diese nur jeweils zwischen zwei Übertrageranordnungen zu schalten sind.
Gemäß der Erfindung ist das Synchronmodul dazu ausgebildet, das Schaltelement einer jeweils nachfolgenden Übertrageranordnung im jeweiligen Zeitpunkt der Einschaltung des Schaltelements der jeweils vorhergehenden Übertrageranordnung auszuschalten. Die oben genannte Ansteuerung „in Abhängigkeit“ wird also als ein Schalten „zum gleichen Zeitpunkt“ konkretisiert, wobei Laufzeit- bzw. Verarbeitungsverzögerungen hierbei außer Acht gelassen werden sollen sind. Die „Abhängigkeit“ ist somit besonders einfach zu verwirklichen: Das Einschalten der ranghöheren Stufe bewirkt das Ausschalten der rangniedrigeren Stufe. Somit ist sichergestellt, dass sich zumindest bezüglich dieser beiden Übertrageranordnungen deren Stromaufnahmen lückenlos und überlappungsfrei aneinander anschließen. Eine doppelte Stromaufnahme und eine Lücke in der Stromaufnahme bezüglich einzelner Übertrageranordnungen im Sperrwandler ist an dieser Stelle vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind auch alle Steuermodule der nachfolgenden Übertrageranordnungen (Slaves, Rang n=2,3,...) dazu ausgebildet, das jeweilige Schaltelement anhand eines jeweiligen Grenzkriteriums auszuschalten. Die Ausschaltung durch das Synchronmodul erfolgt hierbei vorrangig zur Ausschaltung durch das jeweilige Steuermodul. Der Sperrwandler ist derart dimensioniert, dass im regulären Betrieb sichergestellt ist, dass in allen nachfolgenden Übertrageranordnungen (Slaves, Rang n=2,3,...) die Ausschaltung des Schaltelements durch das zugeordnete Steuermodul zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen würde als das vorrangige Ausschalten durch das Synchronmodul. Die entsprechenden Steuermodule in allen Slaves bewirken daher im regulären Betrieb niemals eine tatsächliche Ausschaltung, da diese vorher vorrangig durch das Synchronmodul erfolgte. Sie sind somit als „Reserve“ zu sehen, die sicherstellen, dass eine Ausschaltung der jeweiligen Übertrageranordnung anhand des Grenzkriteriums dann erfolgt, wenn fehlerhafterweise kein Ausschaltbefehl durch das Synchronisierungsmodul erfolgt. Durch eine entsprechende Maßnahme wird auch im Moment des Einschaltens des Sperrwandlers sichergestellt, dass keine der Übertrageranordnungen eine unerwünscht hohe Leistung (höher, als durch das Grenzkriterium bestimmt) auf dessen Sekundärseite transportiert, da sämtliche Übertrageranordnungen gemäß Grenzkriterium auf eine gewünschte Leistung begrenzt sind.
Abschaltströme bzw. Abschaltzeiten der Steuermodule sind insbesondere 10 - 20 Prozent größer dimensioniert als die im regulären Betrieb durch das Synchronmodul bewerkstelligte entsprechende tatsächliche Größe. Insbesondere wird für alle nachfolgenden Übertragermodule etwa eine gleich große Abweichung definiert. Ansonsten sind die Übertrageranordnungen z.B. für die gleichen Strom- und/oder Zeitverläufe dimensioniert.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das jeweilige Grenzkriterium der nachfolgenden Steuermodule (Slaves, Rang n=2,3,...) in Abhängigkeit des Grenzkriteriums des ersten Steuermoduls (Master) und/oder des vorhergehenden Steuermoduls (Master oder ranghöherer Slave) gewählt. Somit ändern sich sämtliche Grenzkriterien „synchron“ mit einer Veränderung des ersten Grenzkriteriums im Master. Zum Beispiel betragen die Slave-Grenzkriterien proportional stets 115 Prozent des ersten Grenzkriteriums und/oder das Slave-Grenzkriterium unterscheidet sich durch einen festen Offset vom Master-Grenzkriterium. Somit ist auch eine gewisse Leistungssteuerung des gesamten Sperrwandlers möglich, selbst für einen Fall, dass das Synchronmodul fehlerbehaftet ist oder ausfällt.
In einer weiteren bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Grenzkriterium eine Grenzstromstärke und die vorrangige Abschaltung des Schaltelements ist dadurch bewerkstelligt, dass für den Moment der Abschaltung eine dem Steuermodul zugeführte Messgröße für die aktuelle Stromstärke durch das Synchronmodul künstlich derart erhöht ist, dass im Steuermodul die anhand der Messgröße gemessene Stromstärke größer der Grenzstromstärke erscheint. Dem Steuermodul wird also zum Zeitpunkt der Abschaltung jeweils eine Messgröße für die aktuelle Stromstärke in der jeweiligen Übertrageranordnung zugeführt. Anhand dieser Messgröße ermittelt das Steuermodul die Stromstärke und vergleicht diese mit der Grenzstromstärke. Bei Erreichen der Grenzstromstärke wird das Schaltelement abgeschaltet. Das Synchronmodul erhöht nun kurzzeitig künstlich die Messgröße, obwohl tatsächlich nicht mehr Strom durch die Übertrageranordnung fließt. Das Steuermodul „sieht“ somit in diesem Moment eine Messgröße, die einer künstlich erhöhten - also nicht der Realität entsprechenden - Stromstärke entspricht. Die künstliche Erhöhung wird so durchgeführt, dass die vom Steuermodul ermittelte Stromstärke in diesem Augenblick über der Grenzstromstärke liegt, weshalb zu diesem Zeitpunkt eine Abschaltung des Schaltelements durch das Steuermodul erfolgt, obwohl tatsächlich die Grenzstromstärke im Schaltelement bzw. Übertrager nicht erreicht ist.
Mit anderen Worten dient so das Steuermodul als Aktor des Synchronmoduls in Bezug auf die tatsächliche Ausschaltung des Schaltelements. So kann das Schaltelement auf besondere einfache Weise ausgeschaltet werden.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Ausschaltung der Schaltelemente zu einem späteren Zeitpunkt dadurch sichergestellt ist, dass das Grenzkriterium eine Grenzstromstärke ist und die Übertrager der nachfolgenden Übertrageranordnungen eine höhere Hauptinduktivität (Primärseite) als der Übertrager der ersten Übertrageranordnung aufweisen. Bei gleicher Spannung an der ersten Schnittstelle fließt daher aufgrund der höheren Hauptinduktivität länger Strom in die Primärseiten der Slave-Übertrager als des Master-Übertragers. Dadurch, dass die Induktivität erhöht ist, wird auch bei gleichem Stromfluss die entsprechende Grenzstromstärke im jeweiligen Slave erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht als im Master. Mit anderen Worten dauert es länger, bis der Strom auf den gleichen Endwert ansteigt. Im eingeschwungenen System ist somit sichergestellt, dass die Ausschaltung durch das Synchronmodul vor der Ausschaltung durch das Steuermodul anhand der Grenzstromstärke erfolgt.
In einer alternativen Variante dieser Ausführungsform ist die Ausschaltung der Schaltelemente zu einem späteren Zeitpunkt dadurch sichergestellt, dass das Grenzkriterium eine Grenzstromstärke ist und die Grenzstromstärken in den nachfolgenden Übertrageranordnungen größer sind als diejenigen der ersten Übertrageranordnung. Somit muss die Hauptinduktivität nicht variiert werden und sämtliche Übertrager in den Übertrageranordnungen können gleich ausgeführt werden. Dadurch, dass die Abschaltströme in den Slave-Übertragermodulen höher dimensioniert sind, würden diese ohne Einsatz des Synchronmoduls eine höhere Leistung innerhalb des Sperrwandlers übertragen, da jedoch die Abschaltung durch das Synchronmodul erfolgt und dieses insbesondere dafür sorgt, dass sämtliche Übertrager gleiche Leistung übertragen, erfolgt die Abschaltung vor dem Ausschaltzeitpunkt des Steuermoduls.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Grenzstromstärke dadurch erhöht, dass bei gleichen Steuermodulen in der ersten und der jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung die Auswertung von Stromstärken in den Steuermodulen anhand einer Messgröße gleich gehalten ist, jedoch eine Messvorrichtung verwendet ist, die ein verändertes Messsignal für die nachfolgenden im Gegensatz zur ersten Übertrageranordnung erzeugt. Die Auswertung von Stromstärken in den Steuereinheiten anhand einer Messgröße erfolgt also gleich, jedoch wird eine veränderte Messgröße für die Slaves im Gegensatz zum Master erzeugt. Insbesondere werden in den Slaves veränderte Shuntwiderstände verwendet, die eine kleinere Messspannung bei an sich gleichem tatsächlichem Strom erzeugen. Oder eine gleich zum Master erzeugte Messgröße wird im Gegensatz zum Master nicht direkt, sondern über einen Spannungsteiler an die Steuervorrichtung weitergeleitet. Bei gegebener gleicher Stromauswertung im Master und allen Slaves, zum Beispiel durch an sich gleiche Steuermodule, kann somit für die Slaves ein virtuell veränderter Strommesswert erzeugt werden, der künstlich erniedrigt ist. Eine abweichende Grenzstromstärke ist so besonders einfach zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Sperrwandler einen Eingang zum Anschluss an eine Versorgungsspannung. Der Sperrwandler ist zum bestimmungsgemäßen Anschluss an eine sinusartige Versorgungsspannung mit einer Netzfrequenz im Bereich zwischen 360 Hertz und 800 Hertz eingerichtet. „Sinusartig“ bedeutet hier, dass der Spannungsverlauf (in seiner Grundform, d.h. unter Auslassung von Störungen, Artefakten usw.) keine Knicke oder Sprünge aufweist, wie z.B. bei einer Dreieck- oder Rechteckspannung, sondern „glatt“ verläuft. Somit ist der Sperrwandler in kritischen Anwendungen, wie zum Beispiel an einem Flugzeugbordnetz betreibbar, da dort entsprechend variable Frequenzen in der Spannungsversorgung vorherrschen.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Sperrwandler ein der ersten Schnittstelle vorgeschaltetes Energieversorgungsmodul. Jede der Übertrageranordnungen enthält ein Entkoppelmodul zur Reduzierung von Rückwirkungen auf das Energieversorgungsmodul. Somit wird sichergestellt, dass bei einer Stromaufnahme der einzelnen Übertrageranordnungen die Spannung im Energieversorgungsmodul ausreichend konstant gehalten wird. So werden sämtliche Teilschaltungen wie beispielsweise Steuermodule und Synchronmodul mit ausreichend stabilisierter Versorgungsspannung aus dem Sperrwandler versorgt und können zuverlässig arbeiten, da sie die gleichen Randbedingungen für ihren Betrieb vorfinden. So werden die Leistungsstufen bzw. Übertrageranordnungen aus Stabilitätsgründen voneinander bzw. von der Versorgungsspannung getrennt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Leuchte gemäß Patentanspruch 12. Die Leuchte enthält eine Lichtquelle und ein Netzteil zum Anschluss der Lichtquelle an eine Versorgungsspannung. Das Netzteil enthält einen Sperrwandler gemäß der Erfindung. Die Eingangsspannung ist dann die Versorgungsspannung. Die Ausgangsspannung dient zur Versorgung der Lichtquelle.
Die Leuchte und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sperrwandler erläutert.
Sämtliche Vorteile des erfindungsgemäßen Sperrwandlers ergeben sich somit auch für die Energieversorgung der Leuchte. Insbesondere kann diese störungsarm an einem Flugzeugbordnetz betrieben werden, wobei sämtliche bekannten Vorteile von QR-Sperrwandlern erhalten bleiben, insbesondere niedrige elektromagnetische Interferenzen, sinusförmige Stromaufnahmen und so weiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Netzteil stabförmig entlang einer Längsachse und weist quer zur Längsachse Abmessungen von höchstens 30 bis 50 Millimeter Breite und 30 bis 50 Millimeter Höhe auf. Eine entsprechende Leuchte eignet sich somit hinsichtlich ihres Netzteils zum Einbau in einen schlauchförmigen Montageraum, der einen maximalen Querschnitt von 30 bis 50 mm in zwei Dimensionen zur Verfügung stellt. Die Leuchte kann somit insbesondere am Einbauort einer Linienleuchte zur bestimmungsgemäßen Montage in einem Innenraum eines Flugzeugs ausgeführt werden.
Die Dimensionen liegen insbesondere im Bereich 35 - 45 Millimeter, insbesondere 40 Millimeter. Durch die Aufteilung einer Gesamt-Übertrageranordnung auf mehrere Teil-Übertrageranordnungen gemäß der Erfindung ergibt sich der Vorteil der Verwendung kleinerer Baugrößen für die entsprechenden einzelnen Übertrager in den Teilanordnungen. Solche Übertrager können dann geometrisch z.B. in Reihe hintereinander angeordnet werden, sodass lediglich der Querschnitt der einzelnen Übertrager im Wesentlichen den Querschnitt des gesamten Netzteils bestimmt. So können besonders Netzteile mit kleinem Querschnitt bei skalierbarer Leistung realisiert werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Flugzeug gemäß Patentanspruch 14. Das Flugzeug enthält einen Sperrwandler gemäß der Erfindung und/oder eine Leuchte gemäß der Erfindung. Somit ergeben sich die Vorteile des Sperrwandlers beziehungsweise der Leuchte auch für den Einbau in einem Flugzeug.
Das Flugzeug und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sperrwandler und/oder der Leuchte erläutert.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sperrwandlers. Der Sperrwandler wird in einem Quasi-Resonanz-Betrieb zur Umsetzung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung betrieben. Den Übertrageranordnungen wird eine hierarchische Reihenfolge zugewiesen. In jeder der Übertrageranordnungen wird das jeweilige Schaltelement zu einem jeweils vom Quasi-Resonanz-Prinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt eingeschaltet. Das Schaltelement der hierarchisch ersten Übertrageranordnung wird anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums ausgeschaltet. Die Zeitpunkte der Ausschaltung der Schaltelemente aller hierarchisch nachfolgenden Übertrageranordnungen werden in Abhängigkeit des Zeitpunktes der Einschaltung des Schaltelements der hierarchisch ersten Übertrageranordnung gesteuert. Die Schaltelemente aller nachfolgenden Übertrageranordnungen werden kaskadierend geschaltet, indem der Zeitpunkt für die Ausschaltung des Schaltelements einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Einschaltung des Schaltelements der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung gesteuert wird.
Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sperrwandler und/oder der Leuchte und/oder dem Flugzeug erläutert.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen beziehungsweise Überlegungen, wobei in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Erfindung genannt sind, die Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
Für Schaltnetzteile können prinzipiell die zwei nachfolgenden Konzepte verwendet werden. Ein erstes Konzept ist ein einstufiger Sperrwandler (Flyback). Für kleine Leistungen bis ca. 25 Watt eignet sich zum Beispiel ein quasi-resonant arbeitender QR-Flyback. Vorteil sind der einfache Aufbau und das sehr gute EMV-Verhalten (Elektromagnetische Verträglichkeit). Weiterhin ist sehr wenig zusätzliche Steuerungselektronik notwendig.
Ein zweites Konzept ist ein zweistufiges Konzept aus einem Booster und einem DC/DC-Wandler. Für größere Leistungen wird z.B. dieses zweistufige System verwendet. Allerdings ist dieses sehr aufwendig und benötigt sehr viel Zusatzelektronik, um die Ablaufsteuerung und andere Regel- und Steuerungsaufgaben zu bewältigen. Weiterhin sind zwei verschiedene magnetische Bauteile, nämlich eine Boost-Drossel und ein DC/DC-Trafo, nötig, die getrennt entwickelt werden müssen und daher jeweils nur in niedriger (bzw. halber) Stückzahl gefertigt werden müssen.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass man auch Flyback-Converter größerer Leistung entwickeln könnte. Das Problem ist jedoch der zu große Trafo, der dann insbesondere meistens für die in der Regel schmalen Einbauräume von Lichtgeräten im Flugzeug zu groß ist. Eine Alternative zum zweistufigen komplexen Konzept wäre die Parallelschaltung zweier Flybacks mit kleineren Trafos, um die Leistung zu erhöhen. Sollte dies gelingen, könnte außerdem auch ein umgekehrter Weg beschritten werden und der Querschnitt eines gegebenen Netzteils verkleinert werden, indem man mehrere kleinere Flyback-Stufen (mit jeweils kleineren Übertragern) parallel schaltet.
Aus Gründen der EMI (electromagnetic interference) und des Wirkungsgrades ist es zwingend, anstelle einer hart schaltenden Leistungsstufe ein quasi-resonantes Flyback-Konzept zu verwenden. Entscheidend ist hier der Verweis auf die quasi-resonante Stufe. Bei einem hart schaltenden Flyback wäre es überhaupt kein Problem, die Stufen parallel zu schalten und sie hart von einem Master aus zu synchronisieren, da im System auf keine weiteren Eigenschaften geachtet werden muss. Anders muss man bei der quasi-resonanten Stufe auf das Eigenleben der Leistungsstufe achten. Hier laufen sämtliche Schaltvorgänge (Ein-/Ausschaltvorgang) mit sinusartigen Spannungsverläufen. Das heißt, es entstehen wenige Schaltverluste und geringe hochfrequente EMI-Störausstrahlungen. Der große Nachteil besteht jedoch darin, dass man dieses System nicht zwangsschalten darf, sondern frei schwingen lassen muss. Schaltet man nun zwei dieser freilaufenden QR-Stufen parallel, laufen sie unsynchronisiert frei schwingend und die Primär-Peak-Ströme können sich während einer Halbwelle schwebend immer wieder überlagern, sodass es zu unerlaubten Strom-Peak-Überlagerungen am Netzstrom kommt. Das hätte zur Folge, dass die Netzharmonischen ansteigen und ein vorgeschaltetes Filter stark vergrößert werden muss, oder die geforderten Power-Requirements nicht eingehalten werden.
Will man nun zwei oder mehrere dieser Stufen synchronisieren, muss man ein Verfahren anwenden, das diese unabhängig freilaufenden Systeme synchronisiert, ohne sie jedoch in ihrer Grundeigenschaft zu stören. Ansonsten würde man Wirkungsgrad und EMI-Vorteile verlieren.
Gemäß der Erfindung ergibt sich ein einfaches Konzept, welches es ermöglicht, auch bei hohen Netzfrequenzen von 400 bis 800 Hertz mindestens zwei quasi-resonante Flyback-Powerstufen (Übertrageranordnungen) sicher zu synchronisieren, sodass es zu keinen unerlaubten Strom-Peak-Überlagerungen (am Eingang des Sperrwandlers) kommt. Die wesentlichen Vorteile einer solchen synchronisierten Doppel- oder Mehrfachstufe sind eine Marktsicherung, außerdem kann nur ein Trafotyp (bzw. gleiche Trafos) anstelle von verschiedenen (Booster und DC/DC-Wandler) verwendet werden, dafür aber in entsprechend vielfacher Stückzahl. Die Verwendung eines Plattformtransformators, also eines Transformators, der in verschiedensten Applikationen eingesetzt werden kann, ist möglich. Damit wird eine hohe Stückzahl und gleichzeitig niedriger Preis erreicht. Bei gleicher Leistung kann ein kleinerer Gerätequerschnitt erreicht werden, indem mehrere kleine Transformatoren „hintereinander“, also geometrisch entlang einer Achse, gebaut werden, da Lichtgeräte (Leuchten bzw. deren Netzteile) oft lang sind, aber im Querschnitt klein sein müssen. Die Entwicklungskosten werden reduziert, da in einem Projekt nicht mehrere verschiedene Netzteiltopologien und Trafos entwickelt und geprüft werden müssen. Es wird daher nur eine Leistungsstufe (Übertrageranordnung) entwickelt und in Abhängigkeit der Leistung entsprechend oft parallel geschaltet. Der Netzfilter kann für größere und kleinere Leistung größtenteils unverändert übernommen werden. Gemäß der Erfindung kann also gegenüber einem einstufigen Flyback-Konverter ein Eingangsfilter (Netzfilter) nahezu gleichbleiben, da nahezu gleichbleibender Peak-Strom an Eingang des Sperrwandlers gemäß der Erfindung realisiert werden kann. Ein Ausgangskondensator kann ebenfalls nahezu gleich gewählt werden, muss jedoch nicht für doppelte Leistung verdoppelt werden.
Es können quasi-resonant arbeitende Flyback-Stufen für hohe Leistung verwendet werden, die ein sehr gutes EMV-Verhalten aufweisen. Auch ist durch das QRC-Prinzip (quasi-resonant converter) der Wirkungsgrad höher und die Leistungsbauteile werden nicht so stark beansprucht. Durch das gute EMI-Verhalten können Kunststoffgehäuse verwendet werden.
Die Erfindung beruht auf der Idee, dass es einen Zeitpunkt gibt, an dem man an einer QR-Stufe eingreifen kann, ohne den QR-Modus zu stören. Es wurde erkannt, dass es möglich ist, den Stromausschaltpunkt des Schaltelements, insbesondere eines MOS-FETs, frei zu verschieben. Bei der Verschaltung zweier Flyback-Stufen zu einer Doppelstufe wird gemäß der Erfindung eine Stufe zum Master, die andere Stufe wird zum Slave. Mit der Erfindung wird nun eine Synchronisierung zwischen dem Schaltsignal des Masterleistungsschalters (Einschaltpunkt) und dem Stromausschaltpunkt des Slaves hergestellt. Hinzu kommt die Idee, dass dies nur zuverlässig funktioniert, wenn im freilaufenden Modus der Slave systembedingt eine niedrigere Taktfrequenz als der Master hat. Gemäß der Erfindung wurde dies gelöst, indem der Slave entweder einen Trafo mit einer höheren Hauptinduktivität hat, was zu einer längeren Ladezeit führt. Das würde jedoch zwei verschiedene Trafos benötigen, was dem Trafo-Plattform-Gedanken widerspricht.
Noch einfacher ist es erfindungsgemäß dagegen, die Frequenz zu reduzieren, indem der Slave einen höheren Strom bei gleichem Reglervorgabesignal einstellen würde. Das kann gemäß Erfindung einfach erreicht werden, indem zum Beispiel ein Shunt zur Strommessung kleiner wird oder zwischen Shunt und Regelschaltung ein Spannungsteiler eingebaut wird. Als sinnvolle Richtgröße hierfür werden 10 bis 20 Prozent Stromerhöhung des Slaves im Vergleich zum Master vorgeschlagen.
Die Erfindung hat erkannt, dass sich bei unsynchronisierten Systemen die Peak-Schaltströme der beiden Stufen deutlich überlagern können. Damit ist das Primärstromzeitfenster klein, was eine hohe Netzstromwelligkeit erzeugt und einen großen Filter erfordert. Dagegen treffen im erfindungsgemäß synchronisierten System die beiden Peak-Ströme nie aufeinander, sondern laufen immer zeitversetzt ab. Damit ist das Primärstromzeitfenster groß, was eine niedrige Stromwelligkeit erzeugt und nur einen kleinen Filter erfordert. Im System ergeben sich also bei einer Anzahl von n Wandlern (Übertrageranordnungen) eine Anzahl von n-1 Synchronisierungsstufen zwischen jeweils zwei Wandlern. Jede Slave-Stufe wird somit wiederum zum Master der nachfolgenden Stufe. Es wird vorgeschlagen, aus Stabilitätsgründen die Leistungsstufen durch ein Entkopplungsnetzwerk aus Diode und Kondensator voneinander zu trennen.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:

1 einen erfindungsgemäßen Sperrwandler in einer Leuchte in einem Flugzeug,
2 Strom- und Spannungsverläufe am Master-Schalter des Sperrwandlers aus 1,
3 das Synchronmodul des Sperrwandlers aus 1 in detaillierterer Darstellung,
4 Strom- und Spannungsverläufe in Master und Slave des Sperrwandlers aus 1,
5 Drainspannungen an den Schaltelementen des Sperrwandlers aus 1,
6 den Eingangsstrom des Sperrwandlers aus 1,
7 eine Synchronisierungsschaltung für das Synchronmodul aus 1,
8 einen alternativen Sperrwandler mit drei parallelen Übertrageranordnungen,
9 Strom- und Spannungsverläufe in Master und Slaves des Sperrwandlers aus 8,
10 den Eingangsstrom und die Eingangsspannung des Sperrwandlers aus 8.

1 zeigt in einem nicht näher dargestellten Flugzeug 66 eine nur angedeutete Leuchte 60 mit einem Netzteil 64 und einer Lichtquelle 62. Die Lichtquelle 62 wird über das Netzteil 64 mit einer Ausgangsspannung UA versorgt. Im Flugzeug 66 wird über dessen Bordnetz eine Versorgungsspannung UN bereitgestellt, die als Eingangsspannung des Netzteils 64 fungiert.
Das Netzteil 64 enthält einen Sperrwandler 2, der im Quasi-Resonanzbetrieb arbeitet und zur Umsetzung einer Eingangsspannung UE an dessen Eingang 3a in die Ausgangsspannung UA an dessen Ausgang 3b dient. Die Eingangsspannung UE entspricht der Versorgungsspannung UN.
Der Sperrwandler 2 enthält eine zweipolige erste Schnittstelle 4a und eine zweipolige zweite Schnittstelle 4b. Zwischen die Schnittstellen 4a,b sind zwei Übertrageranordnungen 6a,b parallel zueinander angeschlossen. Jede der Übertrageranordnungen (nur für die Übertrageranordnung 6a gezeichnet) enthält eine Reihenschaltung aus einem Übertrager 8 und einer Parallelschaltung eines Schaltelements 10 mit einem Kondensatorelement 12. Der Sperrwandler 2 enthält noch weitere, hier nicht näher erläuterte beziehungsweise nur angedeutete übliche Elemente, wie einen Eingangsfilter 14, einen Gleichrichter 16, eine Ausgangsdiode 18 und einen Ausgangskondensator 20. Der Eingangsfilter 14 ist gegenüber einer Sperrwandlerschaltung mit nur einer Übertrageranordnung 6a unverändert, da erfindungsgemäß auch die parallel geschalteten mehreren Übertrageranordnungen 6a,b lediglich die gleichen Peak-Ströme im Eingangsstrom IN erzeugen. Der Ausgangskondensator 20 ist gegenüber einer einzigen Übertrageranordnung 6a lediglich geringfügig größer dimensioniert, keinesfalls jedoch für zwei parallele Übertrageranordnungen 6a,b verdoppelt.
Jede der Übertrageranordnungen 6a,b enthält ein Steuermodul 22a,b. Die Übertrageranordnungen 6a,b sind hierarchisch angeordnet, wobei die Übertrageranordnung 6a die erste Übertrageranordnung (Master, Rang n=1) ist und die Übertrageranordnung 6b die zweite (Slave, Rang n=2) ist. Die Steuermodule 22a,b schalten das jeweilige Schaltelement 10 der jeweiligen Übertrageranordnung 6a,b zu einem vom Quasi-Resonanzprinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt ZE ein (Einschaltzeitpunkt). Das Steuermodul 22a der ersten Übertrageranordnung 6a ist außerdem dazu ausgebildet, das entsprechende Schaltelement 10 anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums Ga zu einem Ausschalt-Zeitpunkt ZA auszuschalten.
Der Sperrwandler 2 enthält ein Synchronmodul 24. Dieses ist dazu ausgebildet, die Zeitpunkte ZA der Ausschaltung der Schaltelemente 10 der hierarchisch nachfolgenden Übertrageranordnungen 6b in Abhängigkeit des Zeitpunktes ZE der Einschaltung des Schaltelements 10 der hierarchisch ersten Übertrageranordnung 6a zu steuern (in 1 durch Pfeile symbolisch dargestellt).
Auch dem Steuermodul 22b ist ein Grenzkriterium Gb zugeordnet. Dieses dient dazu, das Schaltelement 10 zu einem Zeitpunkt ZR auszuschalten. Der Sperrwandler 2 ist jedoch so dimensioniert, dass der Zeitpunkt ZA, der durch das Synchronmodul 24 erfolgt, stets vor dem Zeitpunkt ZR durch das Steuermodul 22b liegt. Die Ausschaltung durch das Steuermodul 22b ist vorrangig vor den Schaltbefehlen des Steuermoduls 22b. Daher erfolgt die Abschaltung in der Übertrageranordnung 6b im regulären Betrieb nur durch das Synchronmodul 24 zum Zeitpunkt ZA. Die Ausschaltung durch das Steuermodul 22b zum späteren Zeitpunkt ZR erfolgt nicht bzw. bleibt wirkungslos, da das Schaltelement 10 bereits ausgeschaltet wurde.
Im Beispiel sind die Grenzkriterien Ga,b jeweilige Grenzstromstärken IGa,b, der Stromstärke Ia, b durch das jeweilige Schaltelement 10. Die jeweilige Stromstärke Ia,b wird mit Hilfe eines Stromshunts 26a, b erfasst.
2 zeigt stellvertretend für beide Übertrageranordnungen 6a,b den zeitlichen Verlauf der Stromstärke Ia,b durch das Schaltelement 10 sowie die Drainspannung UDa,b am Schaltelement 10. Sämtliche Darstellungen von Signalverläufen in diesem Dokument zeigen Prinzipdarstellungen von ursprünglich an einem Prototypen aufgenommenen Signalverläufen über der Zeit. Skalierungen sind der Übersichtlichkeit weggelassen. Rauschen, Störungen usw. sind in den Signalverläufen gegebenenfalls enthalten.
Im systembedingten Einschaltzeitpunkt ZE, wenn nämlich die Drainspannung UDa nach einem jeweiligen quasi-resonanten Schwingungsvorgang ihr erstes Minimum erreicht, wird das Schaltelement 10 eingeschaltet, sodass der Strom der Stromstärke Ia zu fließen beginnt. Bei Erreichen der Grenzstromstärke IGa wird das Schaltelement 10, zum Ausschaltzeitpunkt ZA ausgeschaltet, weshalb die Spannung zwischen Übertrager 8 und Kondensator 12 gemäß dem Quasi-Resonanzprinzip zu schwingen beginnt. Nach dem erneuten Erreichen des systembedingten ersten Spannungsminimums erfolgt zu einem weiteren Einschaltzeitpunkt ZE wieder das Einschalten des Schaltelements 10 und ein erneuter Stromfluss mit der Stromstärke Ia durch das Schaltelement 10 beginnt.
3 zeigt nochmals symbolisch das Synchronmoduls 24 aus 1 zusammen mit den Übertrageranordnungen 6a,b mit jeweiligem Steuermodul 22a,b. Die Serienschaltung aus Übertrager 8, Schaltelement 10 und so weiter ist lediglich symbolisch angedeutet.
Das Synchronmodul 24 erzeugt also mit bzw. bei Beginn einer ansteigenden Flanke des Stroms der Stromstärke Ia im Einschaltzeitpunkt ZE des Masters ein Ausschaltsignal für das Steuermodul 22b, woraufhin dieses das Schaltelement 10 im Slave (Übertrageranordnung 6b) zum Zeitpunkt ZA ausschaltet. Hierzu benutzt es ein Steuersignal 28. Die Zeitpunkte ZE (im Master) und ZA (im Slave) fallen also stets zusammen.
4 zeigt die Drainspannung UDa und den Strom der Stromstärke Ia im Master und der Stromstärke Ib im Slave. Die Abhängigkeit des Ausschaltzeitpunktes ZA des Slave vom Einschaltzeitpunkt ZE des Masters besteht also darin, den gleichen Zeitpunkt ZA=ZE zu wählen. Somit entstehen überdeckungsfreie Primärstromzeitfenster 30. Das heißt, nur die Übertrageranordnung 6a oder die Übertrageranordnung 6b beziehen jeweils alleine den Eingangsstrom IN am Eingang 3a des Sperrwandlers 2. Das Primärzeitfenster 30 ist jeweils gestrichelt angedeutet.
4 zeigt gestrichelt (nur für zwei Schwingungen eingezeichnet) einen Stromverlauf der Stromstärken Ia,b für den Fall, dass die Abschaltung des Schaltelements 10 zu Zeitpunkten ZR anhand des Steuermoduls 22b erfolgen würde. Wie oben erläutert, werden diese Zeitpunkte ZR jedoch niemals erreicht. Zwischen dem Einschaltzeitpunkt ZE und dem Ausschaltzeitpunkt ZA tritt eine systembedingte (Laufzeiten, Verarbeitungszeiten) Laufzeitzeit L auf. Im Sinne der Erfindung sind die Zeitpunkte ZA und ZE jedoch hier „gleich“ gewählt.
5 zeigt ergänzend die jeweiligen Drainspannungen UDa,b für Master und Slave.
6 zeigt den Eingangsstrom IN des Sperrwandlers 2. Am Netzstrom bzw. Eingangsstrom IN der synchronisierten Doppelstufe ist der Ripple der synchronisierten Stufen bei gleichem Netzfilter nicht höher ist als der Ripple einer Einzelstufe 6a (nicht dargestellt).
7 zeigt eine mögliche Ausführungsform für das Synchronmodul 24 in der Ausführungsform als Monoflop-Schaltung.
Eine Schaltung bzw. ein Monoflop 40 erzeugt beim Ansteigen eines Steuersignals für das Gate (Gate-Anschluss eines MOS-FET als Schaltelement 10) des Masters einen kurzen zeitlich definierten Impuls in Form des Steuersignals 28. Dieser Impuls im Steuersignal 28 wird der Messgröße 38b (am Shunt 26b abfallende Spannung) des Slaves überlagert. Auf diese Weise wird dem Slave bzw. dessen Steuermodul 22b ein Überstrom der Stromstärke Ib größer der Grenzstromstärke IGb künstlich simuliert, der ihn dann zum Abschalten des Schaltelements 10 zwingt.
Dem Monoflop 40 (integrierter Schaltkreis) ist das Steuersignal 42 am Gate des Schaltelements 10 des Masters zugeführt. Über einen Spannungsteiler 44 wird das Steuersignal 42 dem Monoflop 40 zugeführt. Über ein von einer Versorgungsspannung 46 gespeistes RC-Glied 48 wird die Verzögerungszeit des Monoflop 40 eingestellt, sodass das Steuersignal 28 erzeugt wird.
Je nach alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Steuerung des Slaves kann auch auf andere Art und Weise bewirkt werden, dass das Steuermodul 22b des Slaves das Schaltelement 10 ausschaltet.
8 zeigt symbolisch eine alternative Ausführungsform mit insgesamt drei parallel geschalteten Übertrageranordnungen 6a-c mit Steuermodulen 22a-c. Die jeweiligen Schaltelemente 10 sind hier nur symbolisch dargestellt. Das Synchronmodul 24 ist hier durch hierarchisch aufeinanderfolgende Teilmodule 50a,b realisiert, wobei jedes der Teilmodule 50a, b jeweils zwischen zwei hierarchisch aufeinanderfolgenden Übertrageranordnungen 6a,b beziehungsweise 6b,c verschaltet ist. Jedes der Teilmodule 50a,b ist dazu ausgebildet, das Schaltelement einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b,c) in Abhängigkeit des Einschaltzeitpunkts ZE des Schaltelements 10 der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (6a, b) zum Zeitpunkt ZA auszuschalten.
Auch hier sind den Steuermodulen 22b-c wieder Grenzkriterien Gb-c zugeordnet, die zu - im regulären Betrieb nie erreichten - Ausschaltzeitpunkten ZR führen.
Hier enthalten die Übertrageranordnungen 6a-c jeweilige Entkoppelnetzwerke 52. So werden die Leistungsstufen (Übertrageranordnungen 6a-c) aus Stabilitätsgründen voneinander bzw. von der Versorgungsspannung UN getrennt. Die Entkoppelnetzwerke 52 enthalten jeweils eine Diode und einen Kondensator. Wie auch beim zweifachen System gemäß 1 bis 7 müssen alle Übertrageranordnungen 6b,c (Slaves, Ränge n=2,3) bis auf die erste (Master) 6a auf eine ca. 10 Prozent bis 20 Prozent niedrigere Systemfrequenz (Dauer des Stromanstiegs der Stromstärke I vom Einschaltzeitpunkt ZA bis zum Ausschaltzeitpunkt ZR) eingestellt werden. Dies kann entweder durch einen anderen Trafo (Übertrager 8) oder eine höhere Stromvorgabe (anderer Stromshunt 26b,c oder nicht dargestellter Signalteiler im Pfad der Messgröße 38a,b) erreicht werden. Im Beispiel sind daher auch die Steuermodule 22b,c mit einem entsprechenden Grenzkriterium Gb,c ausgerüstet, wobei die Grenzkriterien Gb,c so eingestellt sind, dass sie im regulären Betrieb niemals erreicht werden, sondern stets vorrangig bereits eine Ausschaltung der Schaltelemente 10 zum Zeitpunkt ZA durch die Teilmodule 50a,b erfolgt.
9 zeigt die Verläufe der Ströme Ia-c sowie der Netzspannung UN, wobei der untere Bildteil den in der oberen Bildhälfte angedeuteten Signalausschnitt stark vergrößert zeigt. Hier, also beim dreistufigen System (drei parallele Übertrageranordnungen 6a-c) beträgt das Primärstromfenster 30 nahezu 100 Prozent. Dies spiegelt sich im Ripple des Eingangsstromes IN wider. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Abhängigkeit zwischen Einschaltzeitpunkt ZE des Masters (Strom Ia, Übertrageranordnung 6a) und Ausschaltzeitpunkt ZA des nachfolgenden Slaves (Strom Ib, Übertrageranordnung 6b) nicht darin, den selben Zeitpunkt zu wählen, sondern den Ausschaltzeitpunkt ZA um einen Zeitversatz V zu verschieben. Gleiches gilt zwischen den Strömen Ib (vorausgehender Slave, Übertrageranordnung 6b) und Ic (nachfolgender Slave, Übertrageranordnung 6c). Auch hier sind die Steuermodule 22b,c wieder hinsichtlich der Grenzkriterien Gb,c „überdimensioniert“, d.h. die - niemals erreichten - Ausschaltzeitpunkte ZR liegen nach den tatsächlichen Ausschaltzeitpunkten ZA.
10 zeigt den Netzstrom IN und die Netzspannung UN des dreifachen Systems. So hat der Eingangsstromes IN des Triple-Systems einen geringeren Ripple (nicht dargestellt) als der Eingangsstrom IN des Doppel-Systems gemäß der 1 bis 7, obwohl die Stromamplitude des Eingangsstrom IN und damit die Systemleistung gegenüber dem zweifachen System um 50 Prozent größer ist. Mit weiteren Stufen (weitere Übertrageranordnungen parallel zu 6a-c, nicht dargestellt) wird dieses Verhältnis noch besser.
Bezugszeichenliste

2: Sperrwandler
3a: Eingang
3b: Ausgang
4a,b: Schnittstelle
6a-c: Übertrageranordnung
8: Übertrager
10: Schaltelement
12: Kondensatorelement
14: Eingangsfilter
16: Gleichrichter
18: Diode
20: Kondensator
22a-c: Steuermodul
24: Synchronmodul
26a-c: Strom-Shunt
28: Steuersignal
30: Primärstromzeitfenster
38a,b: Messgröße
40: Monoflop
42: Steuersignal
44: Spannungsteiler
46: Versorgungsspannung
48: RC-Glied
50a,b: Teilmodul
52: Entkoppelnetzwerk
60: Leuchte
62: Lichtquelle
64: Netzteil
66: Flugzeug
Ga-c: Grenzkriterium
Ia-c: Stromstärke
UE: Eingangsspannung
UA: Ausgangsspannung
Ga,b: Grenzkriterium
IGa-c: Grenzstromstärke
Ia,b,: Stromstärke
UDa,b: Drainspannung
IN: Eingangsstrom
UN: Versorgungspannung
ZA: Ausschalt-Zeitpunkt
ZE: Einschalt-Zeitpunkt
ZR: späterer Zeitpunkt
L: Laufzeit
V: Zeitversatz

Claims

Sperrwandler (2), der für einen Quasi-Resonanz-Betrieb zur Umsetzung einer Eingangsspannung (UE) in eine Ausgangsspannung (UA) eingerichtet ist, - der eine zweipolige erste Schnittstelle (4a) und eine zweipolige zweite Schnittstelle (4b) für die Zwischenschaltung einer Übertrageranordnung (6a-c) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen den Schnittstellen (4a,b) mindestens zwei Übertrageranordnungen (6a-c) parallel zueinander angeschlossen sind, - wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) eine an die erste Schnittstelle (4a) angeschlossene Reihenschaltung aus der Primärseite eines Übertrager (8) und einer Parallelschaltung eines Schaltelements (10) mit einem Kondensatorelement (12) enthält, wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) eine an die zweite Schnittstelle angeschlossene Sekundärseite des jeweiligen Übertragers (8) enthält, - wobei den Übertrageranordnungen (6a-c) eine hierarchische Reihenfolge zugewiesen ist, - wobei jede der Übertrageranordnungen (6a-c) ein Steuermodul (22a-c) enthält, das dazu eingerichtet ist, das jeweilige Schaltelement (10) zu einem jeweils vom Quasi-Resonanz-Prinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt (ZE) einzuschalten, - und das Steuermodul (22a) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) dazu eingerichtet ist, deren Schaltelement (10) anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums (Ga) auszuschalten, - wobei der Sperrwandler (2) ein Synchronmodul (24) enthält, das dazu ausgebildet ist, die Zeitpunkte (ZA) der Ausschaltung der Schaltelemente (10) aller hierarchisch nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunktes (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) zu steuern, - wobei das Synchronmodul (24) dazu ausgebildet ist, die Schaltelemente (10) aller nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) kaskadierend zu schalten, indem der Zeitpunkt (ZA) für die Ausschaltung des Schaltelements (10) einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunkts (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (6ab) gesteuert ist, - wobei das Synchronmodul (24) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (10) einer jeweils nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) im jeweiligen Zeitpunkt (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweils vorhergehenden Übertrageranordnung (6a-b) oder um einen Zeitversatz (V) nach dem jeweiligen Zeitpunkt (ZE) der Einschaltung verschoben auszuschalten.
Sperrwandler (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzkriterium (Ga-c) eine Grenzstromstärke (IGa-c) durch den Übertrager (8) und/oder durch das Schaltelement (10) ist
Sperrwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Synchronmodul (24) jeweilige, zwischen zwei hierarchisch aufeinanderfolgende Übertrageranordnungen (6a-c) geschaltete Teilmodule (50a,b) enthält, wobei jedes der Teilmodule (50a,b) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (10) einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunkts (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (6a-b) auszuschalten.
Sperrwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - auch alle nachfolgenden Steuermodule (22b-c) dazu ausgebildet sind, das jeweilige Schaltelement (10) anhand eines jeweiligen Grenzkriteriums (Gb-c) auszuschalten, - wobei die Ausschaltung durch das Synchronmodul (24) vorrangig zur Ausschaltung durch das jeweilige Steuermodul (22b-c) ist, - wobei der Sperrwandler (2) derart dimensioniert ist, dass im regulären Betrieb sichergestellt ist, dass in allen nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) die Ausschaltung des Schaltelements (10) durch das zugeordnete Steuermodul (22b-c) zu einem späteren Zeitpunkt (ZR) erfolgen würde als das vorrangige Ausschalten durch das Synchronmodul (24).
Sperrwandler (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Grenzkriterium (Gb-c) der nachfolgenden Steuermodule (22b-c) in Abhängigkeit des Grenzkriteriums (Ga) des ersten Steuermoduls (6a) und/oder des Grenzkriteriums (Ga-b) des vorhergehenden Steuermoduls (22a-b) gewählt ist.
Sperrwandler (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzkriterium (Gb-c) eine Grenzstromstärke (IGb-c) ist und die vorrangige Abschaltung des Schaltelements (10) dadurch bewerkstelligt ist, dass eine dem Steuermodul (22b-c) zugeführte Messgröße (38b) für die aktuelle Stromstärke (I) durch das Synchronmodul (24) künstlich derart erhöht ist, dass im Steuermodul (22b-c) die anhand der Messgröße (38b) gemessene Stromstärke größer der Grenzstromstärke (IGb-c) erscheint.
Sperrwandler (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltung der Schaltelemente (10) zu einem späteren Zeitpunkt (ZR) dadurch sichergestellt ist, dass das Grenzkriterium (Gb-c) eine Grenzstromstärke (IGb-c) ist und die Übertrager (8) der nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) eine höhere Hauptinduktivität als der Übertrager (8) der ersten Übertrageranordnung (6a) aufweisen.
Sperrwandler (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltung der Schaltelemente (10) zu einem späteren Zeitpunkt (ZR) dadurch sichergestellt ist, dass das Grenzkriterium (Ga-c) eine Grenzstromstärke (IGa-c) ist und die Grenzstromstärken (IGb-c) in den nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) größer sind als diejenige der ersten Übertrageranordnung (6a).
Sperrwandler (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstromstärke (IGb-c) dadurch erhöht ist, dass bei gleichen Steuermodulen (22a-c) in der ersten (6a) und den jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) die Auswertung von Stromstärken (I) in den Steuermodulen (22a-c) anhand einer Messgröße (38a,b) gleich gehalten ist, jedoch eine Messvorrichtung verwendet ist, die eine veränderte Messgröße (38b) für die nachfolgenden (6b-c) im Gegensatz zur ersten Übertrageranordnung (6a) erzeugt.
Sperrwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler (2) einen Eingang (3a) zum Anschluss an eine Versorgungsspannung (UN) aufweist, wobei der Sperrwandler (2) zum bestimmungsgemäßen Anschluss an eine sinusartigen Versorgungsspannung mit einer Netzfrequenz im Bereich zwischen 360 Hz und 800 Hz eingerichtet ist.
Leuchte (60), mit einer Lichtquelle (62) und einem Netzteil (64) zum Anschluss der Lichtquelle (62) an eine Versorgungsspannung (UN), dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (64) einen Sperrwandler (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält, dessen Eingangsspannung (UE) die Versorgungsspannung (UN) ist und dessen Ausgangsspannung (UA) zur Versorgung der Lichtquelle (62) dient.
Leuchte (60) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Netzteil (64) sich stabförmig entlang einer Längsachse erstreckt und quer zu dieser Abmessung von höchstens 30-50 mm Breite und 30-50 mm Höhe aufweist.
Flugzeug (66), dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeug (66) einen Sperrwandler (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eine Leuchte (60) nach einem der Ansprüche 11 bis 12 enthält.
Verfahren zum Betreiben eines Sperrwandlers (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - der Sperrwandler (2) in einem Quasi-Resonanz-Betrieb zur Umsetzung einer Eingangsspannung (UE) in eine Ausgangsspannung (UA) betrieben wird, - den Übertrageranordnungen (6a-c) eine hierarchische Reihenfolge zugewiesen wird, - in jeder der Übertrageranordnungen (6a-c) das jeweilige Schaltelement (10) zu einem jeweils vom Quasi-Resonanz-Prinzip systembedingt vorgegebenen Zeitpunkt (ZE) eingeschaltet wird, - und das Schaltelement (10) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) anhand eines vorgebbaren Grenzkriteriums (Ga) ausgeschaltet wird, und - die Zeitpunkte (ZA) der Ausschaltung der Schaltelemente (10) aller hierarchisch nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunktes (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der hierarchisch ersten Übertrageranordnung (6a) gesteuert werden, - wobei die Schaltelemente (10) aller nachfolgenden Übertrageranordnungen (6b-c) kaskadierend geschaltet werden, indem der Zeitpunkt (ZA) für die Ausschaltung des Schaltelements (10) einer jeweiligen nachfolgenden Übertrageranordnung (6b-c) in Abhängigkeit des Zeitpunkts (ZE) der Einschaltung des Schaltelements (10) der jeweiligen vorhergehenden Übertrageranordnung (6a-b) gesteuert wird.