DE3687999T2

DE3687999T2 - Reihenschwingkreis-umrichter.

Info

Publication number: DE3687999T2
Application number: DE8686106338T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Kuwata; Kazuhiko Sakakibara
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-05-10
Filing date: 1986-05-07
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2006-05-08
Also published as: EP0201876A3; DE3687999D1; EP0201876A2; EP0201876B1; US4679129A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Reihenresonanz-Gleichumrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 15.
Ein Reihenresonanzumrichter hat üblicherweise zwei Resonanzkreise, von denen jeder einen Reihenschwingkreis mit einer Induktivität und einem Kondensator, einen mit dem Reihenschwingkreis in Reihe geschalteten Gleichrichter und ein Schaltelement aufweist, z. B. einen bipolaren Transistor (oder einen MOS Transistor) oder eine Diode. Der durch das Schaltelement fließende Resonanzstrom ist sinusförmig mit natürlichen Nulldurchgängen, so daß das Schaltelement den Strom nicht zwangsabschalten muß. Theoretisch treten daher keine Schaltverluste auf. Es werden weniger Störungen erzeugt, und es ist leicht möglich, den Umrichter so aufzubauen, daß er bei einer hohen Frequenz betrieben werden kann. Zusätzlich kann man erwarten, einen störungsfreien, kleinen und leichten Umrichter zu erhalten. Die Ausgangskennlinien des Reihenschwingkreises sind im wesentlichen Konstantstromkennlinien. Daher kann das Umrichtersystem leicht geschützt werden, wenn eine Überlast oder ein Kurzschluß in der Last auftritt.
Das Dokument FR-A-2 446 557 offenbart einen Sinusleistungsgenerator, das heißt einen Wechselrichter. Dieser bekannte Wechselrichter weist einen ersten Kreis mit einem ersten Schaltelement, einen zweiten Kreis mit einem zweiten Schaltelement, wobei sich der erste und der zweite Kreis einen gemeinsamen Pfad teilen, und eine Stromversorgungseinrichtung auf, die verursacht, daß unter der Steuerung durch das erste Schaltelement ein Strom durch den ersten Kreis fließt und unter der Steuerung durch das zweite Schaltelement ein Strom durch den zweiten Kreis fließt. Der gemeinsame Pfad der beiden Kreise enthält eine Reihenschaltung aus einem Reihenschwingkreis und einem Parallelschwingkreis, wobei die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises höher als die des Parallelschwingkreises ist. Die Last ist bei diesem Umrichter induktiv an die Induktivität des Parallelschwingkreises angekoppelt.
Das Dokument US-A 4 054 827 offenbart eine Spannungsverstärkerschaltung, die dazu gedacht ist, einen Präzisions-Leistungs-Festkörperwechselrichter mit dem erforderlichen Gleichspannungspegel zu versorgen. Die Spannungsverstärkerschaltung enthält Schaltelemente, die zu jeweiligen Dioden parallel geschaltet sind, welche zueinander in Reihe geschaltet sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden ist über einen Reihenschwingkreis mit einem Parallelschwingkreis verbunden, und die Induktivität des letzteren fungiert als Primärwicklung eines Transformators, dessen Sekundärwicklungen für den Anschluß an Lasten vorgesehen sind. Das bedeutet, die Lasten werden parallel zum Parallelschwingkreis angeschlossen, was der Lastankopplung des oben erwähnten Dokuments FR- A-2 446 557 entspricht. In diesem Fall ist nicht möglich, den Ausgangsstrom, das heißt den Laststrom, durch Änderung der Betriebsfrequenz des Wechselrichters auf Null zu bringen.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Reihenresonanzumrichter, wie er beispielsweise in der Druckschrift IEEE Transactions on Industry Applications, Band IA-21, No. 6, November/December 1985, Seiten 1453-1459 offenbart ist. Die Fig. 2A, 2B und 2C sind Wellenformdiagramme, die die Arbeitsweise des Umrichters illustrieren.
Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der die Bezugszahl 11 einen Halbleiterschalter bezeichnet, bei dem es sich um einen Transistor handelt, und der als ein Schaltelement dient. Wenn der Halbleiterschalter 11 durch Anlegen eines Gatesignals an das Gate des Transistors 11 eingeschaltet wird, verursacht dies, daß einen Reihenresonanzstrom i&sub1; (durch eine ausgezogene Linie dargestellt) durch einen Reihenresonanzkreis fließt, der sich von einer Stromquelle 12 durch den Halbleiterschalter 11, einen Gleichrichter 13, eine Last 14 (Kondensator 15) dann wieder den Gleichrichter 13, dann einen Kondensator 16 und eine Spule 17 und zurück zur Stromquelle 12 erstreckt. Dieser Reihenresonanzstrom i&sub1; ist sinusförmig, wie in Fig. 2A gezeigt. Bezeichnet man die Induktivität der Spule 17 mit L&sub0;, die Kapazität des Kondensators 16 mit C&sub0; und die Kapazität des Kondensators 15 mit C0t, wird der Strom i&sub1;, da C0t » C&sub0; zur einer Zeit π L&sub0;C&sub0;, nachdem er ausgelöst wurde, zu Null. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung V&sub1; über dem Kondensator 16 zu einer Spitzenspannung V&sub1;&sub2;. Wenn die Spitzenspannung V&sub1;&sub2; höher ist als die Summe der Ausgangsspannung V&sub0; (das heißt der Spannung über der Last 14) und der Spannung E/2 der Stromquelle 12 zu diesem Zeitpunkt, wie in Fig. 2C gezeigt, wird ein Rückstrom i&sub1;' durch eine Diode 21 verursacht, der in Fig. 2A gestrichelt dargestellt ist. Dieser Strom i&sub1;' ist wiederum ein Reihenresonanzstrom durch die Spule 17 und den Kondensator 16, der nach einer Zeitspanne π L&sub0;C&sub0; nach seinem Beginn zu Null wird. Das Gatesignal ist so beschaffen, daß seine Dauer länger als π L&sub0;C&sub0; und kürzer als 2π L&sub0;C&sub0; ist. Daher wird das Gatesignal, daß an die Transistor 11 angelegt wurde, innerhalb der Zeit des Stroms i&sub1;' entfernt, womit die Erzeugung eines weiteren Resonanzstroms nach dem Aufhören von i&sub1;' verhindert wird. Die Ströme i&sub1; und i&sub1;' werden durch den Gleichrichter 13 doppelweggleichgerichtet, so daß ein Strom i&sub3; gemäß Darstellung in Fig. 2B zur Filterung durch den Kondensator 15 fließt. Der Kondensator 15 liefert unterbrechungslos eine Gleichspannung an die Last 14.
Die Bezugszahl 18 bezeichnet einen weiteren Halbleiterschalter, bei dem es sich auch um einen Transistor handelt, der als Schaltelement -dient. Wenn der Halbleiterschalter 18 eingeschaltet wird, verursacht dies, daß ein Reihenresonanzstrom i&sub2; (durch eine ausgezeichnete Linie gezeigt) durch einen Reihenresonanzkreis fließt, der sich von der Stromquelle 19 über die Spule 17, den Kondensator 16, den Gleichrichter 13, die Last 14 (den Kondensator 15), wieder den Gleichrichter 13 und dann den Halbleiterschalter 18 zurück zur Stromquelle 19 erstreckt. Dieser Reihenresonanzstrom i&sub2; ist in Fig. 2A gezeigt. Nachdem i&sub2; einmal zu Null geworden ist, fließt ein Strom i&sub2;' durch eine Diode 22. Der Gleichrichter 13 richtet diese Ströme i&sub2; und i&sub2;' gleich, um einen Strom i&sub3; zur Aufladung des Kondensators 15 zur Filterung zu liefern. Das heißt, der Kondensator 15 liefert eine Gleichspannung an die Last 14. Bei der oben beschriebenen Betriebsweise sind die Ströme i&sub1; und i&sub2; Reihenresonanzströme gleicher Größe aber zueinander entgegengesetzter Polarität. Gleichermaßen sind die Reihenresonanzströme i&sub1;' und i&sub2;' gleich in der Größe aber entgegengesetzt in der Polarität.
Da es sich bei den durch die Halbleiterschalter 11 und 18 fließenden Strömen um Reihenresonanzströme handelt, werden diese nach einer Zeit π L&sub0;C&sub0; nachdem die Halbleiterschalter 11 und 18 eingeschaltet wurden, von selbst zu Null. Daher besteht keine Notwendigkeit, die Ströme mittels der Halbleiterschalter 11 und 18 zwangsabzuschalten, das heißt die Anordnung hat natürlicherweise keine Schaltverluste. Man kann daher einen Hochfrequenzbetrieb erzielen.
Bei diesem bekannten Reihenresonanzumrichter kann die der Last über den Gleichrichter 13 übertragene Ladungsmenge aus Änderungen der Spannung über dem Kondensator 16 berechnet werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 2C, die die Wellenform der Spannung V&sub1; über dem Kondensator 16 zeigt, gilt normalerweise V&sub1;&sub1; = V&sub1;&sub1;' , wobei V&sub1;&sub1; die Spannung über dem Kondensator 16 ist, bevor der Resonanzstrom durch einen der Schalter 11 und 18 verursacht wird, und V&sub1;&sub1;' die Spannung über dem Kondensator ist, bevor der nächste Resonanzstrom durch den anderen Schalter verursacht wird. Die Ladungsmenge Q&sub0;, die pro Halbperiode auf die Last übertragen wird, wird damit zu
Q&sub0; = C&sub0;{(V&sub1;&sub1; + V&sub1;&sub2;) + (V&sub1;&sub2; - V&sub1;&sub1;')} = 2C&sub0;V&sub1;&sub2; (1)
worin V&sub1;&sub2; die Spitzenspannung über dem Kondensator 16 ist. Der Mittelwert I&sub3; des in Fig. 2B gezeigten Stroms i&sub3; ist
I3 = Q/(1/2f) = 4C&sub0;V&sub1;&sub2;f (2)
worin f die Betriebsfrequenz ist, mit der die Halbleiterschalter 11 und 18 abwechselnd eingeschaltet werden. Normalerweise ist die Spannung über dem Filterkondensator 15 fest, so daß der Strom i&sub3; vollständig an die Last 14 geliefert wird. Die Ausgangsspannung V&sub0; ist damit
V&sub0;= R·I&sub3; = (4C&sub0;V&sub1;&sub2;f)·R (3)
worin R der Widerstand der Last 14 ist.
Aus Gleichung (3) erkennt man, daß die Ausgangsgleichspannung V&sub0; durch Steuerung von C&sub0;, V&sub1;&sub2; oder f gesteuert werden kann. Derzeit ist eine stetige Steuerung von C&sub0; schwierig. Die Spitzenspannung V&sub1;&sub2; wird von den Stromquellen 12 und 19 normalerweise in stationären Zuständen auf E/2 geklemmt, und zwar infolge der Rückkopplungsströme i&sub1;' und i&sub2;' durch die Diode 21 oder 22 parallel zum Halbleiterschalter 11 oder 18. Die Spannung V&sub1;&sub2; kann daher nicht gesteuert werden, wenn nicht die Spannungen der Stromquellen 12 und 19 variiert werden. Gewöhnlich wird daher die Spannung V&sub0; durch Steuerung der Betriebsfrequenz f auf einen konstanten Wert geregelt.
Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist herkömmlicherweise vorgesehen, daß eine Gatesignalerzeugungsschaltung zwei Gatesignale der Frequenz f erzeugt, die 180º gegeneinander phasenversetzt sind, und diese dem jeweiligen Gate der Schalter 11 und 18 liefert. Die Ausgangsspannung V&sub0; wird zur Signalerzeugungsschaltung zurückgeführt, um die Frequenz f der Gatesignale so zu steuern, daß die Ausgangsspannung V&sub0; konstant bleibt. Daher sinkt die Frequenz f mit zunehmendem Widerstand R, wie sich aus Gleichung (3) ergibt, und im Fall eines Betriebs mit geringer Last, kann die Frequenz leicht in den Audiofrequenzbereich kommen. Wenn die Betriebsfrequenz f beispielsweise bei Nennstrom (100% Last) 100 kHz beträgt, wird eine Lastminderung auf 20% der Last oder weniger verursachen, daß die Frequenz f unter 20 kHz fällt, was störende Geräusche verursacht. Es ist schwierig gewesen, mit diesem Geräusch fertig zu werden, da sich die Betriebsfrequenz mit der Last ändert.
Fig. 3 zeigt einen Reihenresonanzumrichter, wie er in der Druckschrift Electronic Engineering, September 1981, Seite 39 zur Lösung der oben erörterten Probleme vorgeschlagen wird. Bei diesem vorgeschlagenen Reihenresonanzumrichter ist eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung eines Transformators 27 und einem Kondensator 16 zwischen den Verbindungspunkt zwischen Schaltelementen 11 und 18 und einen Anschluß einer Spule 17 geschaltet. Gleichstromquellen 12 und 19 sind zwischen den anderen Anschluß der Spule 17 und den anderen Anschluß eines jeweiligen der Schaltelemente 11 und 18 geschaltet. Ein Kondensator 44 liegt parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 27, und ein Gleichrichter 13, eine Spule 20 und eine Last 14 sind mit der Sekundärwicklung des Transformators 27 in Reihe geschaltet. Ein Merkmal dieses bekannten Umrichters ist, daß die Schaltfrequenz, mit der die Schaltelemente 11 und 18 ein- und ausgeschaltet werden, in einem Frequenzbereich variable ist, der höher als die Resonanzfrequenz f&sub0; = 1/(2π L&sub0;C&sub0;) ist, welche auf der Induktivität L&sub0; der Spule 17 und der Kapazität C&sub0; des Kondensators 16 basiert. Der Strom im Reihenschwingkreis bei einer Frequenz oberhalb f&sub0; ist der Frequenz umgekehrt proportional. Daher ist es möglich, über die Schaltfrequenzsteuerung eine Spannungsregelung zu erzielen derart, daß die Schaltfrequenz bei abnehmendem Laststrom ansteigt und bei steigendem Laststrom abnimmt, und zwar in einem Bereich oberhalb von f&sub0;. Damit wird es möglich, Geräusche durch Wahl von f&sub0; oberhalb des hörbaren Frequenzbereiches auszuschließen. Da aber die Schaltfrequenz über f&sub0; liegt kann das Schaltelement 11 oder 18 nicht zum Einschalten gebracht werden, nachdem der Resonanzstrom durch die Spule 17 Null geworden ist. Anders ausgedrückt, ein plötzlich ansteigender Schaltstrom wird verursacht, wenn das Schaltelement eingeschaltet wird, was zu einem Anstieg der Schaltverluste und einem Anstieg von Störungen führt. Zur Verminderung der Störungen und auch zur weiteren Verminderung des Änderungsbereiches der Schaltfrequenz ist bei diesem bekannten Umrichter der Kondensator 44 über die Sekundärwicklung des Transformators 27 geschaltet, und die Reihenspule 20 ist zwischen den Ausgang des Gleichrichters 13 und einen Anschluß des Kondensators 15 geschaltet, wodurch eine Sinusspannung auf die Sekundärseite des Transformators 27 übertragen wird. Dabei fließt jedoch ein recht großer Blindstrom durch den Kondensator 44, ohne wesentlich von der Last beeinflußt zu werden. Mit anderen Worten, ein wesentlicher Teil des durch die Schaltelemente 11 und 18 im Zustand geringer Last fließenden Stroms ist ein Blindstrom, der durch den Transformator 27 zum Kondensator 44 fließt, wodurch der Wirkungsgrad sehr stark verringert wird.
Fig. 4 zeigt einen weiteren bekannten Reihenresonanzumrichter. Bei diesem Umrichter sind Dioden 21 und 22 parallel zu jeweiligen Kondensatoren 41 und 42 geschaltet, eine Gleichstromquelle 43 ist an die Reihenschaltung der Kondensatoren 41 und 42 angeschlossen, und ein Gleichrichter 13 liegt in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt der Halbleiterschalter 11 und 18 und einer Spule 17. Die Gates der Transistoren (das heißt der Schaltelemente) 11 und 18 werden von Gatesignalen gesteuert, die eine Frequenz und ein Tastverhältnis von 50% aufweisen und 180º gegeneinander phasenversetzt sind. Dieser Umrichter zeichnet sich dadurch aus, daß für die Halbleiterschalter 11 und 18 und die Resonanzkondensatoren 41 und 42 eine Spannungsfestigkeit (das heißt Durchbruchsspannung) ausreicht, die höher als die Spannung über der Stromquelle 43 ist. Da ferner der Effektivwert des Resonanzstroms verglichen mit dem des in Fig. 1 gezeigten Reihenresonanzumrichters gering ist, ist der Verlust an den Schaltern 11, 18 und am Gleichrichter gering, und im Gegensatz zum Fall von Fig. 3 treten auch keine Schaltverluste auf.
Die Arbeitsweise dieses Umrichters wird nun unter der Annahme eines Ausgangszustands beschrieben, bei dem die Resonanzkondensatoren 41 und 42 auf die Spannung der Stromquelle 43 bzw. Null Volt geladen wurden. Fig. 5 zeigt Wellenformen, wie sie sich an verschiedenen Teilen des Umrichters von Fig. 4 ergeben. Wenn der Halbleiterschalter 11 eingeschaltet wird, fließt ein Ladestrom i&sub1; von der Stromquelle 43 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann erneut den Gleichrichter 13 und dann die Resonanzspule 17, um den Resonanzkondensator 42 zu laden. Gleichzeitig fließt ein Entladestrom i&sub2; von dem Resonanzkondensator 41 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (den Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13 und dann die Resonanzspule 17. Die Ströme i&sub1; und i&sub2; sind gleich und haben eine Sinuswellenform mit einer Halbperiode von π 2L&sub0;C&sub0; wie in Fig. 5A gezeigt. Es handelt sich um Resonanzströme zur Aufladung und Entladung des Resonanzkondensators 42, wie in Fig. 5D gezeigt, und zur Entladung und Aufladung des Resonanzkondensators 41, wie in Mol-%5C gezeigt. Bezeichnet man die Spannung über dem Kondensator 15 (das heißt die Ausgangsspannung) mit V&sub0;, die Induktivität der Resonanzspule 17 mit L&sub0;, die Kapazität der Resonanzkondensatoren 41 und 42 mit C&sub0; und die Spannung der Stromquelle 12 mit E, dann werden die Spannungen Vc1 und Vc2 über den Resonanzkondensatoren 41 und 42 Null bzw. E zu einem Zeitpunkt t&sub1; nach Ablauf einer Zeit von etwa
nach t&sub0;. Zu diesem Zeitpunkt t&sub1; wird die Diode 21 leitend, so daß der Strom, der durch die Resonanzspule 17 geflossen ist nun als Strom i&sub2;' gemäß Darstellung in Fig. 5B zu einem Strom durch die Resonanzspule 17, die Diode 21, den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15) und dann wieder den Gleichrichter 13 wird, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieser Strom i&sub2;' wird nach Ablauf der Zeit
nach dem Moment des Einschaltens der Diode 21 zu Null, er tritt also in eine Abklingzeitspanne ein, die anhält, bis der Halbleiterschalter 11 ausschaltet und der Schalter 18 bei t&sub3; einschaltet, um einen Halbzyklus des Betriebs zu beenden. Im nächsten Halbzyklus wird der Halbleiterschalter 18 bei t&sub3; eingeschaltet, um den Resonanzkondensator 41 aufzuladen und den Resonanzkondensator 42 zu entladen.
Bei dem bekannten Reihenresonanzumrichter, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Kennlinie der Ausgangsspannung V&sub0; über dem Ausgangsstrom I&sub0; eine Konstantstromkennlinie, wie in Fig. 6A gezeigt, daß heißt der Ausgangsstrom I&sub0; bleibt unabhängig von einer Verringerung der Ausgangsspannung V&sub0; im wesentlichen konstant, solange die Betriebsfrequenz f konstant ist. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Reihenresonanzumrichter ist der Mittelwert der Ströme i&sub1;, i&sub2; und i&sub2;', die in den Gleichrichter 13 fließen, das heißt der Ausgangsstrom i&sub0; proportional zur Kapazität C&sub0; und zur Betriebsfrequenz f und umgekehrt proportional zur Ausgangsspannung V&sub0;, wie in Fig. 6B gezeigt. Wenn daher V&sub0; infolge von Fällen wie etwa einem Ausgangskurzschluß außergewöhnlich abnimmt, während die Betriebsfrequenz f festgehalten wird, steigt T&sub2; (siehe Fig. 5B) entsprechend dem Ausdruck (5) extrem an. In diesem Fall erlöschen die Ströme durch die Halbleiterschalter 11 und 18 nicht mehr von selbst innerhalb jedes Halbzyklus der Betriebsfrequenz f, so daß es nötig ist, diese Ströme durch die Halbleiterschalter 11 und 18 zwangsabzuschalten, was zu den Problemen erhöhter Störungen und erhöhter Schaltverluste führt. Wenn die Ausgangsspannung V&sub0; beispielsweise infolge starker Last gering wird, muß die Betriebsfrequenz f verringert werden, um den Ausgangsstrom I&sub0; innerhalb des maximal zulässigen Laststroms Im zu halten, der als gestrichelte Linie 45 dargestellt ist. Abhängig von dem Lastzustand tritt die Betriebsfrequenz in den hörbaren Frequenzbereich fA ein, was zu Geräuschen führt.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reihenresonanzumrichter zu schaffen, der es erlaubt, für die Änderung der Betriebsfrequenz bezogen auf Laständerungen eine niedrigste zulässige Frequenz einzustellen, und der frei von Geräuschen bzw. Störungen ist.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reihenresonanzumrichter zu schaffen, der eine Konstantspannungsregelung über einen Bereich von Null bis zu voller Last erlaubt und einen engen Betriebsfrequenzbereich sowie die Fähigkeit aufweist, die Betriebsfrequenz oberhalb einer niedrigsten zulässigen Frequenz zu halten.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reihenresonanzumrichter zu schaffen, der die Ausgangsspannung ohne Erzeugung von Geräuschen bzw. Störungen begrenzen kann, selbst wenn die Ausgangsspannung infolge eines Falles wie eines Ausgangskurzschlusses außerordentlich abnimmt.
Diese Aufgaben werden mit einem Umrichter, wie er beansprucht wird, gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Parallelresonanzeinrichtung mit einer Resonanzfrequenz oberhalb der hörbaren Frequenz in Reihe mit einem Gleichrichter des Reihenresonanzumrichters geschaltet, das heißt die Parallelresonanzeinrichtung ist in jeden Reihenresonanzkreis eingeschlossen. Wenn demnach die Betriebsfrequenz so gesenkt wird, daß sie sich der Resonanzfrequenz oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs nähert, senkt die Resonanz der Parallelresonanzeinrichtung den an eine Last gelieferten Strom ausreichend ab.
Die Betriebsfrequenz wird nie in den hörbaren Frequenzbereich eintreten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Kondensator in Reihe mit dem Gleichrichter des Reihenresonanzumrichters vorgesehen. Wenn die Ausgangsspannung außergewöhnlich verringert wird, wird die Betriebsfrequenz vermindert, um einen entsprechenden Ausgangsstromanstieg zu begrenzen. Wenn die Betriebsfrequenz auf einen bestimmten Wert verringert ist, bewirkt die von dem oben angegebenen Kondensator und einer Resonanzspule hervorgerufene Reihenresonanz, daß der Ausgangsstrom automatisch beim Nulldurchgang des Resonanzstroms abgeschaltet wird. Der Ausgangsstrom wird daher nicht außergewöhnlich ansteigen, so daß keine Notwendigkeit der Verringerung der Betriebsfrequenz in den hörbaren Frequenzbereich besteht.
Genauer gesagt ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein Gleichrichter gemeinsam für einen ersten Reihenresonanzkreis, der ein erstes Schaltelement enthält, und einen zweiten Reihenresonanzkreis, der ein zweites Schaltelement enthält, vorgesehen. Eine Stromversorgungseinrichtung ist derart vorgesehen, daß unter der Steuerung durch das erste Schaltelement ein Resonanzstrom durch den ersten Reihenresonanzkreis fließt und unter der Steuerung durch das zweite Schaltelement ein Resonanzstrom durch den zweiten Reihenresonanzkreis fließt. Für den ersten und den zweiten Resonanzkreis ist eine Parallelresonanzeinrichtung vorgesehen. Die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzeinrichtung ist so gewählt, daß sie die niedrigste Betriebsfrequenz darstellt (höher als der hörbare Frequenzbereich). Was die Stromversorgungseinrichtung betrifft, können für den ersten und den zweiten Reihenresonanzkreis jeweils eine Stromversorgung oder eine gemeinsame vorgesehen werden. Ein Kondensator oder eine Spule oder beides kann gemeinsam für den ersten und den zweiten Reihenresonanzkreis verwendet werden. In diesem Fall wird unter der Steuerung durch das erste Schaltelement ein Stromfluß von der Stromquelle zum ersten Reihenresonanzkreis verursacht, und dabei gespeicherte Energie wird dann über das zweite Schaltelement dem zweiten Reihenresonanzkreis zugeführt, um in diesem einen Resonanzstrom vorzurufen. Mit anderen Worten braucht keine Stromversorgung in dem zweiten Reihenresonanzkreis vorgesehen zu werden.
Ein Reihenresonanzkondensator und eine Reihenresonanzspule können gemeinsam oder für jeden der beiden Reihenresonanzkreise gesondert vorgesehen werden. Allgemein werden Dioden parallel jeweils zum ersten und zum zweiten Schaltelement geschaltet. Der Resonanzstrom wird dem Gleichrichter nicht nur dann geliefert, wenn ein Schaltelement eingeschaltet ist, sondern auch dann, wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gleichrichter gemeinsam für einen ersten Reihenresonanzkreis, der ein erstes Schaltelement enthält, und einen zweiten Reihenresonanzkreis, der ein zweites Schaltelement enthält, vorgesehen. Das erste und das zweite Schaltelement sind in Reihe geschaltet, und eine Stromquelle ist über diese Reihenschaltelemente geschaltet. Eine Diode ist einem Resonanzkondensator des ersten Reihenresonanzkreise parallel geschaltet, und zwar mit zur Stromquelle entgegengesetzter Polarität. Eine zweite Diode ist parallel zu einem Resonanzkondensator des zweiten Reihenresonanzkreises geschaltet, und zwar mit einer zur Stromquelle entgegengesetzten Polarität. Ein dritter Kondensator ist jeweils gesondert oder gemeinsam für den ersten und den zweiten Reihenresonanzkreis vorgesehen. Die Kapazität des dritten Kondensators ist so gewählt, daß die Resonanzfrequenz der aus diesem dritten Kondensator und einer Resonanzspule des ersten oder des zweiten Reihenresonanzkreises bestehenden Schaltung ausreichend niedriger ist als die Reihenresonanzfrequenz jedes Reihenresonanzkreises.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bekannten Reihenresonanzumrichters des Typs mit zwei Stromquellen;
Fig. 2A bis 2C sind Wellenformdiagramme, die Strom- und Spannungswellenformen zeigen, die sich an verschiedenen Stellen des in Fig. 1 gezeigten Umrichters einstellen,
Fig. 3 ist ein Schaltbild eines bekannten Reihenresonanzumrichters, bei dem die Betriebsfrequenz geklemmt wird, wenn sich die Last verringert,
Fig. 4 ist ein Schaltbild eines bekannten Reihenresonanzumrichters eines anderen Typs,
Fig. 5A bis 5D sind Diagramme, die Strom- und Spannungswellenformen zeigen, die an verschiedenen Stellen des in Fig. 4 gezeigten Umrichters auftreten,
Fig. 6A ist eine Darstellung von Kennlinien der Ausgangsspannung V&sub0; über dem Ausgangsstrom I&sub0; des bekannten in Fig. 1 gezeigten Reihenresonanzumrichters,
Fig. 6B ist eine Darstellung von Kennlinien der Ausgangsspannung V&sub0; über dem Ausgangsstrom I&sub0; des bekannten, in Fig. 4 gezeigten Reihenresonanzumrichters,
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform eines ersten Aspekts der Erfindung angewendet auf den in Fig. 1 gezeigten Reihenresonanzumrichter,
Fig. 8 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung angewendet auf den Reihenresonanzumrichter von Fig. 1, bei dem für jeden Reihenresonanzkreis gesondert ein Parallelschwingkreis vorgesehen ist und der Gleichstromeingang und der Gleichstromausgang von einander isoliert sind,
Fig. 9 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung angewendet auf den in Fig. 4 gezeigten Reihenresonanzumrichter,
Fig. 10 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, angewendet auf einen bekannten Durchflußreihenresonanzumrichter,
Fig. 11 ist ein Schaltbild noch ein anderen Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, angewendet auf einen Reihenresonanzumrichter, bei dem Energie, die gespeichert wird, wenn Strom durch einen ersten Reihenresonanzkreis verursacht wird, an einen zweiten Reihenresonanzkreis geliefert wird, und zwar ohne direkte Stromzufuhr von der Stromquelle zu dem zweiten Reihenresonanzkreis,
Fig. 12 ist ein Schaltbild noch einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, angewendet auf eine bekannten Sperreihenresonanzumrichter,
Fig. 13 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform eines zweiten Aspekts der Erfindung,
Fig. 14A bis 14D sind Wellenformdiagramme die Strom- und Spannungswellenformen zeigen, die an verschiedenen Stellen des in Fig. 13 gezeigten Umrichters auftreten,
Fig. 15 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung,
Fig. 16 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform sowohl des ersten als auch des zweiten Aspekts der Erfindung und
Fig. 17 ist ein Schaltbild, das eine weitere Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung zeigt, angewendet auf einen Reihenresonanzumrichter, bei dem jedem Reihenresonanzkreis zwei Schaltelemente vorgesehen sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 7 ist ein Schaltbild, das eine erste Ausführungsform eines ersten Aspekts der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform des Reihenresonanzumrichters stellt eine Verbesserung gegenüber dem bekannten, in Fig. 1 gezeigten Reihenresonanzumrichter dar, indem ein Parallelschwingkreis 32, der aus einer Spule 24 und einem Kondensator 25 besteht, in Reihe mit einem Reihenschwingkreis 26 geschaltet ist, der aus dem Kondensator 16 und der Spule 17 besteht. In Fig. 7 sind Teile, die solchen in Fig. 1 gleichen mit denselben Bezugszahlen versehen.
Bezeichnet man die Induktivität der Spule 24 im Parallelschwingkreis 23 mit Lp und die Kapazität des Kondensators 25 mit Cp, dann wird die Resonanzfrequenz fp = 1/(2π L&sub0;C&sub0;) des Parallelschwingkreises 23 so eingestellt, daß sie ausreichend niedriger als die Resonanzfrequenz f&sub0; = 1/(2π L&sub0;C&sub0;) des Reihenschwingkreises 26 ist, welche aus dem Kondensator 16 und der Spule 17 besteht. Die Resonanzfrequenz fp wird ferner zur niedrigsten Betriebsfrequenz des Reihenresonanzumrichters oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs gemacht. Die Impedanz des Parallelschwingkreises 23 ist bei der Resonanzfrequenz fp maximal und nimmt mit Zunahme der Betriebsfrequenz f jenseits fp steil ab. Bei Betriebsfrequenzen ausreichend höher als die Resonanzfrequenz fp ist die Betriebskennlinie des Umrichters im wesentlichen identisch mit derjenigen von Fig. 1.
Wenn das Schaltelement 11 in Fig. 7 (z. B. ein Halbleiterschalter) eingeschaltet wird, fließt ein Strom i&sub1; durch eine Schleife, die sich von der Stromquelle 12 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (den Kondensator 15), wieder den Gleichrichter 13, den Kondensator 16, die Spule 17 und den Parallelschwingkreis 23 erstreckt, wodurch die Last 14 mit Leistung versorgt wird. Der Resonanzstrom i&sub1; jeder Sinushalbschwingung hat eine Dauer von π L&sub0;C&sub0;, wie in Fig. 2A gezeigt. Die Wiederholungsperiode des intermittierenden Stroms i&sub1; durch den Parallelschwingkreis 23 ist die Betriebsschwingungsperiode 1/f, mit der die Halbleiterschalter 11 und 18 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Dauer jedes der Gatesignale zum Einschalten der Schalter 11 und 12 ist so gewählt, daß sie länger ist als und kürzer als 2π L&sub0;C&sub0;. Wenn die Betriebsfrequenz f ausreichend höher ist als die Resonanzfrequenz fp des Parallelschwingkreises 23, dann ist die Impedanz des Parallelschwingkreises 23 ausreichend niedrig, so daß der Spitzenwert des Stroms i&sub1; im wesentlichen konstant ist, und zwar unabhängig von der Betriebsfrequenz wie bei dem bekannten, in Fig. 1 gezeigten Umrichter. Wenn die Betriebsfrequenz sich der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 23 näher, steigt die Impedanz des Parallelschwingkreises 23 scharf an und verursacht damit eine steile Abnahme des Spitzenwerts des Stroms i&sub1;.
Nachfolgend wird das Schaltelement 18 (z. B. ein Halbleiterschalter) eingeschaltet, woraufhin ein Resonanzstrom i&sub2; von der Stromversorgung 19 durch den Parallelschwingkreis 23, die Spule 17, den Kondensator 16, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13 und dann den Halbleiterschalter 18 fließt.
Auf diese Weise wird ein Betriebszyklus beendet. Die Impedanz des Parallelschwingkreises 23 steigt mit Annäherung der Betriebsfrequenz fp steil an, obwohl sie niedrig ist, wenn die Betriebsfrequenz f von der Resonanzfrequenz fp entfernt ist. Daher kann in der Nähe von fp der Resonanzstrom i&sub1; und damit der Ausgangsstrom (das heißt der Laststrom) durch leichtes Ändern der Betriebsfrequenz gesteuert werden.
Fig. 8 ist ein Schaltbild, daß eine zweite Ausführungsform zeigt, bei der die Erfindung bei einem Reihenresonanzumrichter eingesetzt ist, der einen Transformator zu Isolierung von Gleichstromeingang und Gleichstromausgang voneinander verwendet. Die Primärwicklung des Transformators 27 ist in Reihe mit dem Reihenschwingkreis 26 geschaltet, und die Sekundärwicklung ist an die Wechselstromeingangsanschlüsse des Gleichrichters 13 angeschlossen. Mit anderen Worten, der Reihenschwingkreis 26 und der Gleichrichter 13 sind über den Transformator 27 miteinander in Reihe geschaltet. Dabei ist in jeden der beiden Reihenresonanzkreise ein Parallelschwingkreis eingefügt. Genauer gesagt sind Parallelschwingkreise 23a und 23b zwischen jeweils eine Stromquelle 12 und 19 und jeweils einen Halbleiter 11 und 18 geschaltet.
Die Arbeitsweise dieser zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie die der in Fig. 7 gezeigten ersten Ausführungsform. Bei dieser zweiten Ausführungsform können Eingangs- und Ausgangsseite voneinander isoliert werden, und die Ausgangsspannung kann aufgrund des Windungsverhältnisses n&sub1;/n&sub2; des Transformators 27 frei eingestellt werden.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform des Reihenresonanzumrichters. Diese Ausführungsform ist eine, bei der die Erfindung bei dem in Fig. 4 gezeigten bekannten Umrichter eingesetzt ist. Genauer gesagt ist ein Parallelschwingkreis 23 in Reihe mit der Resonanzspule 17 zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 11 und 18 und den Verbindungspunkt zwischen Kondensatoren 41 und 42 geschaltet. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ergibt sich ohne weiteres aus der Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 4 und 7 und soll deshalb nicht beschrieben werden.
Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform des Reihenresonanzumrichters. Bei dieser Ausführungsform werden eine einzige Stromquelle 43 und zwei Resonanzkondensatoren 41 und 42 verwendet. Außerdem sind anstelle einer beiden Reihenresonanzkreisen gemeinsamen einzigen Resonanzspule gesonderte Resonanzspulen 17a und 17b für die jeweiligen Reihenresonanzkreise vorgesehen. Ein Parallelschwingkreis 23 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Resonanzkondensatoren 41 und 42 und den Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 11 und 18 geschaltet. Die Arbeitsweise ist ähnlich derjenigen des in Fig. 4 gezeigten Umrichters, und man wird ohne weiteres verstehen, daß dieser Umrichter es erlaubt, die Betriebsfrequenz bei der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 23 selbst dann zu klemmen, wenn die Last extrem verringert wird.
Fig. 11 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Reihenresonanzumrichters. Bei dieser Ausführungsform ist eine Reihenschaltung bestehend aus dem Parallelschwingkreis 23, dem Reihenschwingkreis 26 und dem Transformator 27 zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 11 und 18 und einen Anschluß der Stromquelle 43 geschaltet. Wenn das Schaltelement 11 eingeschaltet wird, fließt ein Resonanzstrom i&sub1; von der Stromquelle 43 durch den Reihenschwingkreis 26, den Transformator 27 und den Parallelschwingkreis 23. Wenn der Resonanzstrom i&sub1; Null wird, erreicht die Spannung über dem Resonanzkondensator 16 einen Spitzenwert oberhalb der Spannung E der Stromquelle. Daher beginnt ein mit gestrichelter Linie dargestellter Resonanzstrom i&sub1;' durch die Diode 21 zum Abbau der Spannung über dem Kondensator 16 auf die Spannung E der Stromquelle 43 zu fließen. Das Schaltelement 11 wird abgeschaltet, während der Strom i&sub1;' fließt. Das Schaltelement 18 wird nachfolgend eingeschaltet, woraufhin der Kondensator 16 über das Schaltelement 18 entladen wird. In diesem Moment wird verursacht, daß ein Resonanzstrom i&sub2; fließt, bis der Resonanzkondensator 16 in entgegengesetzter Richtung bis zu einem gewissen Maß aufgeladen ist. Nachdem der Resonanzstrom i&sub2; auf Null abgenommen hat, beginnt sich der Kondensator 16 in entgegengesetzter Richtung zu entladen, wodurch ein Resonanzstrom i&sub2;' durch die Diode 22 fließt. Auch in diesem Fall können die Resonanzströme i&sub1; und i&sub2; ausreichend unterdrückt werden, wenn die Betriebsfrequenz bei einer Lastminderung zur Resonanzfrequenz fp des Parallelschwingkreises 23 wird.
Fig. 12 zeigt eine sechste Ausführungsform des Reihenresonanzumrichters. Bei dieser Ausführungsform wird die Induktivität eines Transformators als Reihenresonanzspule verwendet, und Energie wird in dem Transformator erst einmal gespeichert, bevor sie über den Gleichrichter 13 an die Last 14 (15) entladen wird. Genauer gesagt weist der Transformator 46 eine Primärwicklung auf, deren entgegengesetzte Anschlüsse jeweils über ein Schaltelement 11 und 18 an die entgegengesetzten Anschlüsse der Stromquellen 43 angeschlossen sind. Eine Reihenschaltung bestehend aus dem Resonanzkondensator 16 und dem Parallelschwingkreis 23 ist zwischen eine Mittelanzapfung der Primärwicklung und einen der Anschlüsse der Stromquelle 43 geschaltet. Wenn das Schaltelement 11 eingeschaltet wird, fließt ein Reihenresonanzstrom i&sub1;, der von der Primärwicklung des Transformators 46 und dem Resonanzkondensator 16 bestimmt wird. Nachdem der Strom i&sub1; zu Null geworden ist, wird das Schaltelement 11 abgeschaltet, woraufhin der Kondensator 15 über den Gleichrichter 13 durch im Transformator 46 gespeicherte Energie aufgeladen wird. Wenn das Schaltelement 18 eingeschaltet wird, wird der Resonanzkondensator 16 über den Transformator 46 entladen. In diesem Moment wird ein Resonanzstrom i&sub2; verursacht. Wenn der Resonanzstrom i&sub2; Null wird, wird das Schaltelement 18 abgeschaltet, woraufhin der Kondensator 15 über den Gleichrichter 13 durch im Transformator 46 gespeicherte Energie aufgeladen wird.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Diese Ausführungsform stellt eine Verbesserung gegenüber dem bekannten Reihenresonanzumrichter, der in Mol-%4 gezeigt ist, insofern dar, als ein dritter Resonanzkondensator 47 mit dem Gleichrichter 13 in Reihe geschaltet ist. Als Ausgangszustand sei angenommen, daß die Resonanzkondensatoren 41 und 42, die je eine Kapazität C&sub0; haben, auf die Spannung E der Stromquelle 43 bzw. 0 Volt geladen bzw. entladen sind. Fig. 14 zeigt Wellenformen, die an verschiedenen Stellen des in Fig. 13 gezeigten Umrichters auftreten. Wenn der Halbleiterschalter 11 bei t&sub0; eingeschaltet wird, fließt ein Resonanzstrom i&sub1; von der Stromquelle 43 über den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13, dann den Resonanzkondensator 47 und die Resonanzspule 17 in den Resonanzkondensator 42. Gleichzeitig fließt ein Entladestrom i&sub2; vom Resonanzkondensator 41 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13, dann den dritten Resonanzkondensator 47 und die Resonanzspule 17. Diese Ströme i&sub1; und i&sub2; haben dieselbe Amplitude, wie in Fig. 14A gezeigt, und jeder von ihnen hat extrapoliert eine Sinuswellenform mit einer Halbperiode von etwa π 2L&sub0;C&sub0;. Nachdem sie bei t&sub1;, also nach Ablauf der Zeit T&sub1;' vom Moment des Einschaltens des Halbleiterschalters 11 den Resonanzkondensator 42 auf die Spannung E der Stromquelle aufgeladen und den Resonanzkondensator 41 auf Null Volt entladen haben, wie in den Fig. 14D bzw. 14C gezeigt, werden diese Ströme i&sub1; und i&sub2; umgelenkt, um als Strom i&sub2;' durch die Diode 21 zu fließen. Genauer gesagt, wenn die Diode 21, die zum Resonanzkondensator 41 parallel liegt, leitend wird, wechselt der Strom (das heißt i&sub1; + i&sub2;), der durch die Resonanzspule 17 geflossen war, um als Strom i&sub2;', der in Fig. 14B gezeigt ist, durch die Resonanzspule 17, die Diode 21, den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13 und dann den dritten Resonanzkondensator 47 zu fließen, wie in Fig. 13 gezeigt. Dieser Strom i&sub2;' ist ein Resonanzstrom, der von der Resonanz zwischen der Resonanzspule 17 und dem dritten Resonanzkondensator herrührt, und hat, wenn er extrapoliert wird, eine Sinuswellenform mit einer Halbperiode von π 2L&sub0;C&sub0;, und wird nach Ablauf der Zeit T&sub2;' Null. Die Zeitspanne T&sub2;' kann durch Wahl der Kapazität C&sub5; des dritten Resonanzkondensators 47 frei eingestellt werden.
Auf obige Weise wird ein Halbzyklus des Betriebsablaufs beendet. Im nächsten Halbzyklus wird der Halbleiterschalter 18 eingeschaltet, um den Resonanzkondensator 41 aufzuladen und den Resonanzkondensator 42 entladen.
Da diese Ausführungsform des Umrichters in der oben beschriebenen Weise arbeitet, kann, wenn die Ausgangsspannung V&sub0; abnimmt, der Strom durch den Halbleiterschalter 11 (oder 18), nachdem er auf die Diode 21 (oder 22) umgeschaltet wurde, dadurch zwangsweise auf Null verringert werden, daß man von der Resonanz zwischen der Resonanzspule 17 und dem dritten Resonanzkondensator 47 Gebrauch macht, das heißt der Ausgangsstrom kann ausreichend begrenzt werden. Der Ausgangsstrom kann also bei Auftreten einer Überlast oder eines Kurzschlusses ohne Notwendigkeit einer Verringerung der Betriebsfrequenz auf eine hörbare Frequenz ausreichend begrenzt werden.
Der dritte Resonanzkondensator 47 kann unabhängig in jeden der Reihenresonanzkreise eingeschaltet werden. Fig. 15 zeigt ein Beispiel solch einer Anordnung. Genauer gesagt sind in diesem Fall der Halbleiterschalter 11 und die Diode 21 über den dritten Resonanzkondensator 47a auf der Seite der Stromquelle 43 zusammengeschlossen, während der Halbleiterschalter 18 und die Diode 22 über den dritten Resonanzkondensator 47b auf der Seite der Stromquelle 43 zusammengeschlossen sind. In diesem Fall sind Gleichstromeingang und Gleichstromausgang durch den Transformator 27 voneinander isoliert.
Fig. 16 ist ein Schaltbild, das eine Ausführungsform des ersten und des zweiten Aspekts der Erfindung in der Anwendung auf den in Fig. 4 gezeigten bekannten Umrichter zeigt. In Fig. 16 sind Teile, die solchen in den Fig. 4, 7 und 13 gleichen, mit denselben Bezugszahlen versehen. Bei dieser Ausführungsform sind der Parallelschwingkreis 23 und der dritte Resonanzkondensator 47 in Reihe mit dem Gleichrichter 13 geschaltet. Die Resonanzfrequenz fs = 1/(2π L&sub0;C&sub0;), die von der Kapazität Cs des dritten Resonanzkondensators 47 und der Induktivität L&sub0; der Resonanzspule 17 bestimmt wird, ist höher als die Resonanzfrequenz fp = 1/(2π L&sub0;C&sub0;) eingestellt, die von der Kapazität Cp des Kondensators 25 und der Induktivität Lp der Spule 24 im Parallelschwingkreis 23 bestimmt wird, und niedriger als die Resonanzfrequenz f&sub0; = 1/(2π L&sub0;C&sub0;), die von der Kapazität C&sub0; des Resonanzkondensators 41 (oder 42) und der Induktivität L&sub0; der Resonanzspule 17 bestimmt wird. Das heißt, die Resonanzfrequenzen f&sub0;, fp und fs stehen zueinander in folgender Beziehung fo > fs > fp.
Wenn der Halbleiterschalter 11 in Fig. 16 eingeschaltet wird, fließt ein Resonanzstrom i&sub1;, um den Resonanzkondensator 42 aufzuladen, von der Stromquelle 43 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13, dann den dritten Resonanzkondensator 47, die Resonanzspule 17 und den Parallelschwingkreis 23. Gleichzeitig fließt ein Entladestrom i&sub2; vom Resonanzkondensator 41 durch den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13, dann den dritten Resonanzkondensator 47, die Resonanzspule 17 und den Parallelschwingkreis 23. Auch nach Entladung des Resonanzkondensators 41 auf die Spannung Null, neigt der Resonanzstrom i&sub2; dazu, in den Kondensator 41 zu fließen, und zwar aufgrund der Induktivität der Spule 17, wodurch der Kondensator 41 in entgegengesetzter Richtung geladen wird. Sobald sich also die Polarität der Spannung über dem Kondensator 41 umkehrt, wird die Diode 21 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Dadurch wird die parallel zum Resonanzkondensator 41 geschaltete Diode 21 leitend, und der Strom, der durch die Resonanzspule 17 floß, wird nun zu einem Strom i&sub2;' durch die Resonanzspule 17, den Parallelschwingkreis 23, die Diode 21, den Halbleiterschalter 11, den Gleichrichter 13, die Last 14 (Kondensator 15), dann wieder den Gleichrichter 13 und dann den Kondensator 47. Dieser Strom i&sub2;' ist ein Resonanzstrom, der von der Resonanzspule 17, dem Kondensator 25 des Parallelschwingkreises 23 und dem dritten Resonanzkondensator 47 geliefert wird. Da die Kapazität des Resonanzkondensators 25 durch die Bedingungen zum Klemmen der niedrigsten Frequenz bestimmt ist, kann i&sub2;' durch geeignete Wahl der Kapazität des dritten Resonanzkondensators 47 frei eingestellt werden. Auf die obige Weise wird ein Halbzyklus der Betriebsweise beendet. Im nächsten Halbzyklus wird der Halbleiterschalter 18 eingeschaltet, was ein Aufladen des Resonanzkondensators 41 und ein Entladen des Resonanzkondensators 42 verursacht.
Da f&sub0;, fp und fs so gewählt sind, daß f&sub0; > fs > fp, wird der Resonanzstrom bis zum Einschalten der Diode 21 (oder 22) nicht wesentlich von dem dritten Resonanzkondensator 47 beeinflußt. Der Resonanzkondensator 47 ist hauptsächlich nach dem Einschalten der Diode 21 (oder 22) wirksam, um den von der Resonanzspule 17 hervorgerufenen Resonanzstrom i&sub2;' auszulöschen. Nach dem Einschalten der Diode 21 (oder 22) wird der Strom i&sub2;', der durch die Resonanzspule 17 floß, allein in der Last 14 verbraucht. Bei dem in Fig. 4 gezeigten bekannten Reihenresonanzumrichter, wird der oben angegebene Strom i&sub2;', selbst wenn die Ausgangsspannung gering wird, nicht Null, da die Last gering ist. Daher wird der Halbleiterschalter nicht natürlich ausgeschaltet, was zu einem außergewöhnlichen Anstieg des Ausgangsstroms führt. Um dies zu vermeiden, muß der Halbleiterschalter zwangsabgeschaltet werden, was Anlaß zu den oben beschriebenen anderen Problemen gibt. Gemäß der Erfindung wird der Resonanzstrom i&sub2;', nachdem die Diode 21 (oder 22) leitend wurde, auf natürlichem Wege unter Ausnutzung der Resonanz zwischen dem dritten Resonanzkondensator 47 und der Resonanzspule 17 auf Null reduziert. Daher ist es möglich, den Ausgangsstrom durch geeignete Wahl der Kapazität des dritten Resonanzkondensators 47 ausreichend zu begrenzen und die verschiedenen oben angeführten Probleme zu lösen.
Wenn die Last gering ist, wird die Betriebsfrequenz gesenkt, um den Ausgangsstrom zu vermindern. Dabei ist die untere Grenze der Betriebsfrequenz gleich der Parallelresonanzfrequenz fp des Parallelschwingkreises 23 gewählt. Wenn fp auf einen geeigneten Wert oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs, z. B. 20 kHz, gesetzt wird, kann der Resonanzumrichter selbst dann bei einer oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegenden Frequenz betrieben werden, wenn die Last sehr gering wird, da mit der Abnahme der Betriebsfrequenz auf fp der Ausgangsstrom ausreichend gering wird.
Wenn bei dem in Fig. 4 gezeigten bekannten Reihenresonanzumrichter die untere Grenze der Betriebsfrequenz zum Zweck der Geräuschvermeidung auf einen Wert oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs gesetzt wird, steigt bei sehr geringer Last die Ausgangsspannung V&sub0; extrem an, wie in Fig. 6B durch eine gestrichelte Linie 51 dargestellt. Bei sehr starker Last steigt der Ausgangsstrom I&sub0; extrem an, wie durch die Linie 52 gezeigt. Gemäß der Erfindung können Strom- und Spannungsbegrenzungswirkungen entsprechend jenen erreicht werden, die man beim bekannten Umrichter von Fig. 4 durch Senken der Betriebsfrequenz bis zu einer hörbaren Frequenz erzielt, und zwar ohne Senken der Betriebsfrequenz zu einer hörbaren Frequenz sowie sowohl bei geringer Belastung als auch bei starker Belastung.
Im Fall der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform gemäß sowohl dem ersten als auch dem zweiten Aspekt der Erfindung ist es möglich, den Gleichstromeingang und den Gleichstromausgang unter Verwendung des Transformator 27 wie im Fall von Fig. 15 gegeneinander zu isolieren.
Im obigen Fall sind ein einziger Halbleiterschalter 11 im ersten Reihenresonanzkreis und ein einziger Halbleiterschalter 18 im zweiten Reihenresonanzkreis vorgesehen. Es ist aber auch möglich, zwei Halbleiterschalter in jedem Reihenresonanzkreis vorzusehen und diese beiden Halbleiterschalter simultan zu steuern. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 17 gezeigt. In diesem Fall ist die Stromquelle 43 über eine Reihenschaltung von Schalterelementen 11 und 18 und außerdem über eine Reihenschaltung von Schalterelementen 61 und 62 geschaltet. Dioden 63 und 64 sind jeweils mit einem Schaltelement 61 und 62 parallel geschaltet, so daß sie gegenüber der Stromquelle 43 in entgegengesetzter Polarität sind. Eine Reihenschaltung aus dem Parallelschwingkreis 23, der Resonanzspule 17, dem Resonanzkondensator 16 und dem Gleichrichter 13 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 11 und 18 und den Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 61 und 62 geschaltet.
Wenn die Schaltelemente 61 und 18 gleichzeitig eingeschaltet werden, fließt ein Reihenresonanzstrom von der Stromquelle 43 durch das Schaltelement 61, den Gleichrichter 13, die Last 14, wieder den Gleichrichter 13, dann den Parallelschwingkreis 23, den Resonanzkondensator 16, die Resonanzspule 17 und das Schaltelement 18 zurück zur Stromquelle 43. Die Ladespannung über dem Kondensator 47 erreicht einen Spitzenwert, wenn der Laderesonanzstrom zu Null geworden ist, und die dann im Kondensator gespeicherte Ladung wird als Reihenresonanzstrom in entgegengesetzter Richtung zum vorherigen Strom durch einen Kreis entladen, der sich vom Resonanzkondensator 16 über den Parallelschwingkreis 23, den Gleichrichter 13, die Last 14, die Diode 63, die Stromquelle 43, die Diode 22 und die Resonanzspule 17 zurück zum Resonanzkondensator 16 erstreckt. Dieser Strom hält während dieses Halbzyklus an.
Beim nächsten Halbzyklus werden die Schaltelemente 18 und 61 ausgeschaltet und die Schaltelemente 11 und 62 gleichzeitig eingeschaltet, um zu einer ähnlichen Betriebsweise zu führen. Auch in diesem Fall wird bei einer Verminderung der Last die Wiederholfrequenz, mit der die Schaltelemente 11 und 62 eingeschaltet und dann die Schalter 18 und 61 gleichzeitig eingeschaltet werden, verringert. Diese Frequenzminderung ist jedoch aufgrund der Resonanz des Parallelschwingkreises 23 nur im Bereich oberhalb der Parallelresonanzfrequenz erlaubt.
Wie voranstehend beschrieben wurde wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein Parallelschwingkreis, der die untere Grenze der Betriebsfrequenz (die zu einem Wert oberhalb des hörbaren Frequenzbereiches gewählt ist) zu seiner Resonanzfrequenz macht, in jedem oder gemeinsam für zwei Reihenresonanzkreise vorgesehen. Wenn daher die Betriebsfrequenz unter einem Zustand sehr geringer Last auf die untere Grenze vermindert wird, nimmt die Impedanz der Reihenresonanzkreise zur Begrenzung des Ausgangsstrom ausreichend zu. Der Umrichter kann daher auch unter Voraussetzungen sehr geringer Last verwendet werden. Außerdem wird weder Geräusch erzeugt, noch unnützer Strom verursacht, wodurch ein hoher Wirkungsgrad sichergestellt wird. Ferner kann der Betriebsfrequenzbereich schmal sein, und der Aufbau der Betriebsfrequenzsteuerschaltung kann einfach sein.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist für jeden oder gemeinsam für die beiden Reihenresonanzkreise ein dritter Resonanzkondensator vorgesehen, und die Reihenresonanzfrequenz fs der von dem dritten Resonanzkondensator und einer Reihenresonanzspule gebildeten Schaltung ist niedriger eingestellt als die Reihenresonanzfrequenz f&sub0;, die durch die Resonanzspule und den Reihenresonanzkondensator bestimmt wird. Daher kann in einem Zustand starker Last der Ausgangsstrom ohne Verminderung der Betriebsfrequenz in den hörbaren Frequenzbereich begrenzt werden. Es ist damit möglich Geräusch zu vermeiden. Zusätzlich kann der Betriebsfrequenzsteuerbereich schmal sein, und die Betriebsfrequenzsteuerschaltung kann einen einfachen Aufbau aufweisen.
Ein Reihenresonanzumrichter gemäß sowohl dem ersten als auch dem zweiten Aspekt der Erfindung ist geräuschlos, und zwar unabhängig davon, ob die Last gering oder stark ist, und kann einen engen Betriebsfrequenzsteuerbereich aufweisen.

Claims

1. Reihenresonanz-Gleichumrichter, umfassend einen ersten ein erstes Schaltelement (11) enthaltenden Kreis, einen zweiten ein zweites Schaltelement (18) enthaltenden Kreis, von denen der erste und der zweite Kreis sich einen gemeinsamen Weg teilen und in jeden der Kreise eine Reihenresonanzanordnung eingeschlossen ist, eine Stromversorgungseinrichtung (12, 19), die unter der Steuerung durch das erste Schaltelement einen Stromfluß durch den ersten Kreis verursacht und unter der Steuerung durch das zweite Schaltelement einen Stromfluß durch den zweiten Kreis verursacht, und eine Gleichrichteranordnung (13), die in Reihe mit dem gemeinsamen Weg geschaltete Wechselstromanschlüsse und zum Anschluß an eine Last (14) vorgesehene Gleichstromanschlüsse aufweist, gekennzeichnet durch eine Parallelresonanzanordnung (23), die in den ersten und in den zweiten Kreis zu diesen in Reihe eingesetzt ist und eine Parallelresonanzfrequenz aufweist, die niedriger ist als die Reihenresonanzfrequenz der Reihenresonanzanordnung und höher ist als der hörbare Frequenzbereich.

2. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem die Stromversorgungsanordnung eine erste in dem ersten Kreis vorgesehene Stromquelle (12) und eine zweite in dem zweiten Kreis vorgesehene Stromquelle (19) umfaßt, bei dem die erste und die zweite Stromquelle in der gleichen Polaritätsrichtung miteinander in Reihe geschaltet sind und die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) in den gemeinsamen Weg eingeschlossen sind, der den Verbindungspunkt zwischen der ersten und der zweiten Stromquelle mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) verbindet.

3. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 2, bei dem eine Resonanzspule (17) und ein Resonanzkondensator (16) in Reihe in den gemeinsamen Weg eingeschlossen sind und die Parallelresonanzanordnung (23) ein einziger Parallelschwingkreis ist, der in den gemeinsamen Weg in Reihe zu der Resonanzspule (17) und dem Resonanzkondensator (16) eingeschlossen ist.

4. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem die Stromversorgungsanordnung eine einzige Stromquelle (43) ist, die über die Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) geschaltet ist.

5. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 4, bei dem die Parallelresonanzanordnung ein einziger Parallelschwingkreis (23) ist, ein Resonanzkondensator (41) des ersten Kreises und ein Resonanzkondensator (42) des zweiten Kreises in Reihenschaltung über die Stromquelle geschaltet sind und eine Reihenschaltung aus den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) und dem Parallelschwingkreis in einen gemeinsamen Weg eingeschlossen ist, die den Verbindungspunkt zwischen den beiden Resonanzkondensatoren mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) verbindet.

6. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 5, bei dem eine Resonanzspule in dem gemeinsamen Weg in Reihe zu den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) vorgesehen ist.

7. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 5 oder 6, bei dem eine erste und eine zweite Diode (21, 22) jeweils parallel zu den beiden Resonanzkondensatoren (41, 42) geschaltet sind derart, daß ihre Polarität der der Stromquelle (43) entgegengesetzt ist.

8. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 4, bei dem die Parallelresonanzanordnung (23) ein einziger Parallelschwingkreis ist, eine Resonanzspule (17), ein Resonanzkondensator (16) und der Parallelschwingkreis gemeinsam für den ersten und den zweiten Resonanzkreis vorgesehen sind und die Resonanzspule, der Resonanzkondensator und der Parallelschwingkreis sowie die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) in Reihe zwischen den Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) und einen Anschluß der Stromquelle (43) geschaltet sind.

9. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 8, der ferner eine erste und eine zweite Diode (21, 22) enthält, die jeweils parallel zu dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) geschaltet sind derart, daß ihre Polarität der Stromversorgungsanordnung entgegengesetzt ist.

10. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 4, bei dem ein Resonanzkondensator (41) des ersten Kreises und ein Resonanzkondensator (42) des zweiten Kreise in Reihe über die Stromquelle (43) geschaltet sind, eine erste und eine zweite Diode (21, 22) jeweils parallel zu den Resonanzkondensatoren geschaltet sind derart, daß ihre Polarität der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist, und die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) in einen gemeinsamen Weg eingeschaltet sind, der die Verbindung zwischen den beiden Resonanzkondensatoren mit der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement (11, 18) verbindet.

11. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 10, bei dem die Parallelresonanzanordnung (23) ein einziger Parallelschwingkreis ist, der in den gemeinsamen Weg eingeschlossen ist, und bei dem eine Resonanzspule (17) in den gemeinsamen Weg in Reihe mit den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) und dem Parallelschwingkreis eingesetzt ist.

12. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 1, bei dem die Stromversorgungsanordnung eine einzige Stromquelle (43) ist, die Parallelresonanzanordnung (23) ein einziger Parallelschwingkreis ist, eine Resonanzspule des ersten Kreises von einem Teil der Primärwicklung eines Transformators (46) gebildet wird, eine Resonanzspule des zweiten Kreises von dem Rest der Primärwicklung des Transformators gebildet wird, ein Resonanzkondensator (16) gemeinsam für den ersten und den zweiten Kreis vorgesehen ist, die Reihenschaltung aus dem Resonanzkondensator und dem Parallelschwingkreis zwischen eine Mittenanzapfung der Primärwicklung des Transformators und einen Anschluß der Stromquelle geschaltet ist und die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind.

13. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 4, bei dem die Stromquelle (43) auch über eine Reihenschaltung aus einem dritten Schaltelement (61) das gleichzeitig mit dem zweiten Schaltelement gesteuert wird, und einem vierten Schaltelement (62), das gleichzeitig mit dem ersten Schaltelement gesteuert wird, geschaltet ist, wobei die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) zwischen die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement und die Verbindung zwischen dem dritten und dem vierten Schaltelement geschaltet sind.

14. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 13, bei dem erste bis vierte Dioden (21, 22, 63, 64) jeweils parallel zum ersten bis vierten Schaltelement geschaltet sind derart, daß ihre Polarität der Polarität der Stromquelle (43) entgegengesetzt ist.

15. Reihenresonanz-Gleichumrichter, umfassend einen ersten Kreis mit einem ersten Schaltelement (11) und einem ersten Reihenresonanzkondensator (42), einen zweiten Kreis mit einem zweiten Schaltelement (18) und einem zweiten Reihenresonanzkondensator (42), wobei der erste und der zweite Kreis sich einen gemeinsamen Weg teilen und eine Reihenresonanzspulenanordnung (17) in jeden der Kreise eingeschlossen ist und in Verbindung mit den Reihenresonanzkondensatoren (41, 42) eine erste und eine zweite Reihenresonanzanordnung bildet, eine Stromquelle (43), die über eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Schaltelement und außerdem über eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Resonanzkondensator (41, 42) geschaltet ist, eine erste Diode (21), die parallel zu dem ersten Resonanzkondensator geschaltet ist derart, daß ihre Polarität der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist, eine zweite Diode (22), die parallel zu dem zweiten Resonanzkondensator geschaltet ist derart, daß ihre Polarität der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist, und eine Gleichrichteranordnung (13), die Wechselstromanschlüsse, die in den gemeinsamen Weg eingeschlossen sind, der die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzkondensator und die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement miteinander verbindet, sowie an eine Last (14) anzuschließende Gleichstromanschlüsse aufweist, gekennzeichnet durch eine dritte Resonanzkondensatoranordnung (47), die für den ersten und den zweiten Kreis vorgesehen ist, wobei die Reihenresonanzfrequenz, die von der dritten Resonanzkondensatoranordnung und der Resonanzspulenanordnung (17) des ersten und des zweiten Kreises gebildet wird, niedriger ist als die Reihenresonanzfrequenz der ersten und der zweiten Reihenresonanzanordnung.

16. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 15, bei dem die dritte Resonanzkondensatoranordnung (47) ein einziger Kondensator ist, der in den gemeinsamen Weg in Reihe mit den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) eingeschlossen ist.

17. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 16, bei dem die Resonanzspulenanordnung (17) eine gemeinsame Resonanzspule ist, die in den gemeinsamen Weg in Reihe mit den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) eingeschlossen ist.

18. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 15, 16 oder 17 ferner umfassend eine Parallelresonanzanordnung (23), die für den ersten und den zweiten Resonanzkreis vorgesehen ist und eine Resonanzfrequenz aufweist, die niedriger als die Reihenresonanzfrequenz und höher ist als der hörbare Frequenzbereich.

19. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 18, bei dem die Parallelresonanzanordnung (23) ein einziger Parallelschwingkreis ist, der in den gemeinsamen Weg in Reihe mit den Wechselstromanschlüssen der Gleichrichteranordnung (13) eingeschlossen ist.

20. Reihenresonanzumrichter nach Anspruch 1, 3, 5, 8, 10, 15 oder 16, bei dem die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichteranordnung (13) über einen Transformator angeschlossen sind derart, daß der Gleichstromeingang und der Gleichstromausgang des Umrichters voneinander isoliert sind.