DE69301040T2

DE69301040T2 - Gleichstrom-Zerhacker-Regelungsverfahren und Vorrichtung mit bilateraler Spannungsregelung

Info

Publication number: DE69301040T2
Application number: DE69301040T
Authority: DE
Inventors: Gilbert I Gardwell; Khanh T Le; Thomas K Phelps
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2013-02-19
Also published as: JP3369621B2; JPH066974A; EP0559009B1; CA2087566A1; DE69301040D1; US5218522A; EP0559009A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regler zum Empfangen einer ungeregelten Eingangsgleichspannung und Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung, mit:
- ersten Zerhackermitteln, um die Eingangsspannung periodisch zu unterbrechen und eine erste zerhackte Spannung zu erzeugen;
- zweiten Zerhackermitteln, um die Eingangsspannung periodisch zu unterbrechen und eine zweite zerhackte Spannung zu erzeugen, die im wesentlichen synchron mit der ersten zerhackten Spannung ist und wahlweise dieselbe oder die entgegengesetzte Polarität wie die erste zerhackte Spannung aufweist;
- Kombinierermitteln, um die erste und die zweite zerhackte Spannung algebraisch zu kombinieren und die Ausgangsspannung zu erzeugen; und
- Steuermitteln, um die zweiten Zerhackermittel zu steuern und die relative Polarität der zweiten zerhackten Spannung auszuwählen und dadurch die Ausgangsspannung zu regeln.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Konvertieren einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsspannung.
Ein Regler und ein entsprechendes Verfahren sind aus dem Dokument GB-A-2 123 225 bekannt.
Bei dem bekannten Regler sorgen die Steuermittel fur eine Phasenverschiebung zwischen den beiden zerhackten Spannungen, die in einem Transformator kombiniert werden, um Leistungspulse mit einer Pulsbreite zu erzeugen, die von der Phasendifferenz zwischen den zerhackten Spannungen abhängt. Bei dem bekannten Regler sind die Tastverhältnisse bei den ersten und zweiten Zerhackermitteln konstant.
Die vorliegende Erfindung betrifft folglich die Regelung oder Wandlung einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleich- oder -wechselspannung und bezieht sich genauer auf einen Gleichspannungsregler mit Zerhacker sowie ein Regelverfahren, wobei ein doppelseitiger Spannungsregelpfad verwendet wird.
Gleichspannungsregler oder -wandler werden bei Anwendungen eingesetzt, wo eine genau regulierte Gleichspannung erforderlich ist, aber die verfügbare Spannung von einer primären Gleichspannungsguelle wie z.B. einer Batterie über einen Bereich variiert, der unakzeptabel groß ist. Viele Reglertechnologien sind in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, wozu der grundlegende Vorwärtswandler oder "Buck"-Regler bzw. Abwärtsregler 10 gehört, der in Fig. 1 dargestellt ist. Eine ungeregelte Gleichspannung VIN aus einer Batterie 12 wird über einen Schalter 14 und eine energiespeichernde Spule 16 einer Last 18 zugeführt. Die Kathode einer Diode 20 ist mit der Verbindung zwischen Schalter 14 und Spule 16 verbunden, wobei die Anode der Diode 20 mit Erde verbunden ist. Ein Glättungskondensator 22 ist über die Last 18 geschaltet. Eine Steuereinheit 24 schließt und öffnet den Schalter 24 periodisch, um die der Spule 16 zugeführte Eingangsspannung VIN zu "zerhacken".
Wenn der Schalter 14 geschlossen ist, fließt Strom in der durch einen Pfeil 26 angezeigten Richtung von der Batterie 12 durch den Schalter 14 und die Spule 16 zu der Last 18. Die Diode 20 ist in Sperrichtung vorgespannt und leitet nicht. Wenn der Schalter 14 geöffnet wird, wird die Spule 16 von der Batterie 12 weggeschaltet. Die rückwärtsgerichtete elektromagnetische Kraft (EMK) in der Spule 16 spannt die Diode 20 nun in Durchlaßrichtung vor und ermöglicht es, daß weiterhin ein Strom durch die Spule 16 (die in der Spule 16 gespeicherte Energie bewirkt, daß diese als Stromquelle arbeitet) in Richtung des Pfeiles 26 zu der Last 18 fließt, wobei die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 20 einen geschlossenen Stromkreis zu Erde vervoll ständigt.
Die Spule 16 und die Diode 20 bilden einen "Schwungradkreis", der dafür sorgt, daß Strom kontinuierlich von der Spule 16 in Richtung des Pfeiles 26 in die Last 18 fließt. Die Last 18 verbraucht den Strom kontinuierlich, unabhängig davon, ob der Schalter 14 geöffnet oder geschlossen ist. Der Kondensator 22 lädt sich auf den zeitlichen Mittelwert der Spannung über der Last 18 auf, was für eine geglättete oder geregelte Ausgangsgleichspannung VOUT sorgt.
Die Ausgangsspannung VOUT kann geregelt werden, indem das Tastverhältnis (der Zeitanteil, zu dem der Schalter 14 während eines jeden Zyklus geschlossen ist) des Schalters 14 verändert wird. Diese Betriebsart ist in der Technik als Pulsbreitenmodulation (PWM) bekannt. Die Ausgangsspannung VOUT nähert sich wenn das Tastverhältnis auf 100 % erhöht wird, und nähert sich Null, wenn das Tastverhältnis sich 0 % nähert. Die Regelung der Ausgangsspannung VOUT auf einen vorbestimmten Wert wird erreicht, indem der aktuelle Wert von VOUT gemessen wird, das Tastverhältnis erhöht wird, wenn VOUT unter den vorbestimmten Wert fällt, und verringert wird, wenn VOUT den vorbestimmten Wert übersteigt. Bei dieser Anordnung kann die Ausgangsspannung VOUT die Eingangsspannung VIN nicht übersteigen.
Der Regler 10 ist deshalb mit Nachteilen behaftet, weil die Spule 16 den gesamten Stromfluß durch die Last 18 aufnehmen und folglich groß und schwer sein muß. Dies ist bei Anwendungen, wo Platz und Gewicht strikt gespart werden müssen, nicht akzeptabel.
Der Regler 10 hat außerdem den Nachteil, daß er ineffizient ist, da der gesamte Laststrom durch die Diode 20 fließt, wenn der Schalter 10 offen ist. Die Diode 20 fügt einen Spannungsabfall von ungefähr einem Volt in den Schaltkreis ein, was zu einem Leistungsverbrauch führt, der gleich dem Spannungsabfall multipliziert mit dem Stromfluß ist. Der dissipative Leistungsverlust ist invers proportional zu der Ausgangsspannung und kann bei Anwendungen mit geringer Spannung sehr groß werden.
Fig. 2 illustriert einen Regler 30 mit dem Buck-Regler aus Fig. 1, der mit einem "Zerhacker" in einer "Push-Pull"oder genauer einer "Push-Push"-Anordnung kombiniert ist. Gleiche Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In dem Regler 30 ist die Spule 16 mit einer Mittenanzapfung einer Primärwicklung eines Transformators 22 verbunden, wobei die gegenüberliegenden Enden der Primärwicklung über Zerhackerschalter 34 und 36 mit Erde verbunden sind. Die Mittenanzapfung einer Sekundärwicklung des Transformators 32 ist geerdet, wobei die gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung mit den Anoden von Gleichrichterdioden 38 und 40 verbunden sind. Die Kathoden der Dioden 38 und 40 sind zusammen über den Kondensator 22 und die Last 18 geschaltet.
Die Schalter 34 und 36 bilden einen Zerhacker und werden alternativ mit einem Tastverhältnis von typischerweise 50 % getrieben. Genauer gesagt ist der Schalter 34 geschlossen wenn der Schalter 36 geöffnet ist und umgekehrt. Dies bewirkt, daß in die Sekundärwicklung des Transformators 22 Strom in abwechselnden Richtungen induziert wird, der durch die Dioden 38 und 40 gleichgerichtet und in eine pulsierende Gleichspannung gewandelt wird. Die pulsierende Gleichspannung wird durch den Kondensator 22 in eine geglättete Gleichspannung gewandelt. Der Regler 32 kann eine Ausgangsspannung VOUT erzeugen, die höher ist als die Eingangsspannung VIN, weil der Transformator 22 verwendet wird. Der gesamte Laststrom fließt jedoch immer noch durch die Spule 16 und die Diode 20, wobei es in dem Eingangsstrompfad jetzt zwei Schalter gibt, während es in dem zugrundeliegenden Regler 10 nur einen Schalter gibt. Die Schalter 14, 34 und 36 sind typischerweise als Schalttransistoren ausgebildet, was Spannungsabfälle in die Schaltung einführt, wie es auch schon bei den Dioden der Fall war. Dies kann zu exzessivem Spannungsverlust bei geringen Eingangsspannungen führen. Viele Wandler aus dem Stand der Technik weisen einen Wirkungsgrad auf, der nicht größer ist als 88 %.
Fig. 3 zeigt einen Regler 50, der in dem US-Patent 4,943,903 mit dem Titel "POWER SUPPLY IN WHICH REGULATION IS ACHIEVED BY PROCESSING A SMALL PORTION OF APPLIED POWER THROUGH A SWITCHING REGULATOR" beschrieben ist, das am 24. Juli 1990 für Gilbert I. Cardwell, Jr. erteilt wurde, der auch einer der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ist. In dem Regler 50 weist ein erster Transformator 52 eine zwei Abschnitte 52a und 52b umfassende Primärwicklung mit Mittenabgriff, sowie eine zwei Abschnitte 52c und 52d aufweisende Sekundärwicklung mit Mittenanzapfung auf. Die Mittenanzapfung der Abschnitte 52a und 52b der Primärwicklung ist mit der Spule 16 verbunden, während die gegenüberliegenden Enden der Abschnitte 52a und 52b über Schaltungen 56 und 58 jeweils mit Erde verbunden sind. Die Mittenanzapfung der Abschnitte 52c und 52d der Sekundärwicklung ist mit der Batterie 12 verbunden.
Ein zweiter Transformator 54 weist zwei Primarwicklungen 54a und 54b sowie eine Sekundärwicklung mit Mittenanzapfung auf, die auf die gleiche Weise wie bei dem Regler 30 mit den Dioden 38 und 40 verbunden ist. Ein Ende der Wicklung 52a ist über den Schalter 34 mit Erde verbunden, während ein Ende der Wicklung 52b über den Schalter 36 mit Erde verbunden ist. Die gegenüberliegenden Enden der Wicklungen 54a und 54b sind mit den gegenüberliegenden Enden der Wicklungen 52a bzw. 52b verbunden.
Im Betrieb werden die Schalter 34, 56 abwechselnd mit den Schaltern 36, 58 bei typischerweise 50 % Tastverhältnis betrieben. Der Schalter 14 wird wie oben beschrieben mit einem variablen Tastverhältnis getrieben, um die Ausgangsspannung VOUT zu regeln. Dies wird erreicht, indem eine Spannung an dem Mittenabgriff des ersten Transformators 52 erzeugt wird, die zunimmt, wenn das Tastverhältnis des Schalters 14 erhöht wird.
Das Schließen des Schalters 34 oder 36 bewirkt, daß die Spannung VIN über die Serienschaltung der Wicklungen 54a, 52c oder 54b, 52d gelegt wird. Wenn der Schalter 14 mit einem Tastverhältnis von 0 % getrieben wird, bleibt die Spannung an der Mittenanzapfung der Abschnitte 52a und 52b der Primärwicklung Null, wobei die Spannung über den Abschnitt 52a und 52b ebenfalls Null bleibt. Wegen der Wirkung des Transformators bleibt die Spannung über den Abschnitten 52c und 52d der Sekundärwicklung ebenfalls gleich Null. Die Spannung über den Wicklungen 54a oder 54b bleibt gleich VIN. Unter der Annahme, daß das Windungsverhältnis des Transformators 54 gleich 1 ist, ist VOUT gleich VIN.
Wenn der Schalter 14 mit einem Tastverhältnis getrieben wird, das sich 100 % nähert, dann ist die Spannung an dem Mittenabgriff der Abschnitte 52a und 52b der Primärwicklung im wesentlichen gleich VIN. Wegen der Wirkung des Transformators wird über den Abschnitten 52c und 52d der Wicklung eine Spannung induziert, die gleich VIN dividiert durch das Windungsverhältnis des Transformators 52 ist. Unter der Annahme eines beispielhaften Windungsverhältnisses von 5:1 beträgt die induzierte Spannung über den Wicklungsabschnitten 52c und 52d gleich VIN/5. Die über dem Abschnitt 54a oder 54b der Primärwicklung entstehende Spannung ist dabei gleich VIN (von der Batterie 12) plus VIN/5 (von dem Wicklungsabschnitt 52c oder 52d) oder 1,2 x VIN.
Der Transformator 52 addiert zu der Eingangsspannung VIN einen Teil der durch den Buck-Regler 10 erzeugten Spannung, die kontinuierlich veränderbar ist und zunimmt, wenn das Tastverhältnis des Schalters 10 erhöht wird. Der Regler 50 weist gegenüber dem Regler 30 Vorteile auf, weil der Hauptteil des Eingangsstromes durch die Wicklungen 54a, 52c oder 54b, 52d fließt, die induktive Elemente sind und keine dissipativen Verluste haben. Der Eingangsstrom fließt nur durch einen Schalter 34 oder 36 in dem Hauptstromkreis. Nur ein Teil des Eingangsstromes (in diesem Falle maximal 17 %) fließt durch den Hilfsoder Steuerstrompfad einschließlich des Reglers 10 und ist daher dissipativen Verlusten ausgesetzt, wie es oben beschrieben wurde.
Wegen seiner zugrundeliegenden Konstruktion kann der Regler 50 nur eine Regelung in einer Richtung durchführen. Mit anderen Worten, er kann nur eine Steuerspannung zu der Eingangsspannung hinzu addieren, nicht jedoch eine Steuerspannung davon abziehen. Das Windungsverhältnis des Transformators 52 ist so ausgewählt, daß der Schalter 14 bei einem Tastverhältnis von 50 % getrieben wird und die über den Wicklungsabschnitt 52c oder 52d auftauchende Steuerspannung beträgt die Hälfte der maximalen Steuerspannung, wenn sich die Eingangs- oder Ausgangsspannungen VIN und VOUT bei ihren vorbestimmten (nominalen, mittleren oder in der Mitte des Bereiches befindlichen) Entwurfswerten befinden. Das Windungsverhältnis des Transformators 24 ist so ausgewählt, daß bei dem vorbestimmten Entwurfswert von VIN plus der Hälfte der maximalen Steuerspannung, die über die Wicklungsabschnitte 54a oder 54b gelegt wird, der vorbestimmte Entwurfswert von VOUT über der Last 18 erscheint. Mit anderen Worten, wenn sich VIN und VOUT in der Mitte ihrer jeweiligen Bereiche befinden, befindet sich die Steuerspannung in der Mitte ihres Bereiches.
Diese Konstruktion kann Wirkungsgrade von 95 % erreichen, aber nur dann, wenn das System einen kleinen Eingangsspannungsbereich (z.B. ± 5 %) aufweist.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genannten Regler sowie das eingangs genannte Verfahren zu verbessern.
Bei dem eingangs erwähnten Regler wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuermittel die zweiten Zerhackermittel auch steuern, um das Tastverhältnis der zweiten zerhackten Spannung zu variieren und dadurch das Ausgangssignal zu steuern.
Bei dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe gelöst durch die folgenden Schritte:
a) periodisches Unterbrechen der Eingangsspannung, um eine erste zerhackte Spannung zu erzeugen;
b) periodisches Unterbrechen der Eingangsspannung, um eine zweite zerhackte Spannung zu erzeugen, die im wesentlichen synchron mit der ersten zerhackten Spannung ist und wahlweise dieselbe oder eine entgegengesetzte Polarität wie diese aufweist;
c) Transformieren der zweiten zerhackten Spannung, um eine dritte zerhackte Spannung zu erzeugen, die dieselbe Polarität wie die zweite zerhackte Spannung und eine geringere Spannung als die erste zerhackte Spannung aufweist;
d) algebraisches Kombinieren der ersten und der dritten zerhackten Spannung, um die Ausgangsspannung zu erzeugen;
e) Messen der Polarität der Abweichung der Ausgangsspannung von einem vorbestimmten Wert und Messen des Maßes der Abweichung der Ausgangsspannung von dem vorbestimmten Wert; und
f) Auswählen der relativen Polarität der zweiten zerhackten Spannung in Übereinstimmung mit der gemessenen Polarität, so daß die Ausgangsspannung sich dem vorbestimmten Wert annähert, und Erhöhen des Tastverhältnisses der zweiten zerhackten Spannung, wenn das gemessene Maß an Abweichung zunimmt, und umgekehrt.
Zusammenfassend wird also bei einem die vorliegende Erfindung verwendenden Steuerverfahren sowie einer entsprechenden Vorrichtung mit bilateraler Zerhackergleichspannung eine ungeregelte Eingangsgleichspannung durch einen Zerhacker hoher Leistung verarbeitet, um ein erstes zerhacktes Signal zu erzeugen, das dieselbe Spannung aufweist wie das Eingangssignal, und durch einen Zerhacker geringer Leistung verarbeitet, um ein zweites oder steuerndes zerhacktes Signal zu erzeugen, das synchron zu dem ersten zerhackten Signal ist, aber eine geringere Spannung aufweist. Das erste und das zweite zerhackte Signal werden algebraisch durch Transformatoren kombiniert, um ein Ausgangswechselspannungssignal zu erzeugen, das in eine Gleichspannung konvertiert werden kann.
Das zweite zerhackte Signal kann so gesteuert werden, daß es dieselbe Polarität wie das erste zerhackte Signal hat, in welchem Falle sich die Spannungen addieren, um die Ausgangsspannung zu erhöhen, oder es kann die entgegengesetzte Polarität zu dem ersten zerhackten Signal haben, in welchem Falle sich die Spannungen subtrahieren, um die Ausgangsspannung zu verringern. Das zweite zerhackte Signal wird normalerweise so gesteuert, daß es sich für einen Teil der Zeit hinzu addiert und für den Rest der Zeit subtrahiert. Auf diese Weise kann der Spannungswandler das Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung über einen großen Bereich verändern.
Eine Spule zur Energiespeicherung ist in dem Pfad des Zerhackers hoher Leistung vorgesehen, um die Spannungsadditionund -subtraktion zu mitteln. Der Betrieb des Choppers hoher Leistung kann intermittierend unterbrochen werden, um den Eingangsstromfluß während der Anlaufphase zu begrenzen, wobei in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 Schalter vorgesehen sind, um eine Unterbrechung zu ermöglichen, ohne daß gefährliche Spannungsstöße erzeugt werden. Darüber hinaus entladen die zugefügten Schalter gemäß Fig. 7 in der Spule gespeicherte Energie in den Ausgangstransformator und tragen daher zu der Ausgangsspannung bei.
Der erfindungsgemäße Regler weist Vorteile gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten Regler aus dem Stand der Technik auf, da die Spule zur Energiespeicherung für denselben Regelbereich kleiner sein kann als bei dem Regler aus dem Stand der Technik. Dies liegt daran, daß der neue Regler eine bilaterale Regelung (sowohl Additions- als auch Subtraktionsbetrieb) ermöglicht und dadurch den doppelten Regelbereich bereitstellt, wie der Regler aus dem Stand der Technik, der entsprechende Schaltungselemente verwendet.
Das Windungsverhältnis des Transformators, der die Steuerspannung erzeugt, kann ebenfalls die Hälfte von der des entsprechenden Transformators in dem Regler aus dem Stand der Technik sein, da in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung der doppelte Regelbereich bei gleichem Windungsverhältnis erreicht werden kann. Dies ermöglicht es, daß die Größe und das Gewicht des Transformators gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird, wobei der Konstrukteur dieselbe Größe und das gleiche Gewicht wähle kann und damit einen größeren Regelbereich erzielt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen.
Fig. 1 ist ein schematisches elektrisches Diagramm, das einen grundlegenden Spannungsregler oder -wandler aus dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 2 entspricht Fig. 1, zeigt jedoch einen anderen Regler aus dem Stand der Technik;
Fig. 3 entspricht ebenfalls Fig. 2, illustriert jedoch einen Regler aus dem Stand der Technik, für den die vorliegende Erfindung eine direkte Verbesserung darstellt;
Fig. 4 ist ein schematisches elektrisches Diagramm, das einen Spannungsregler oder -wandler zeigt, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 5 ist ähnlich zu Fig. 4, zeigt jedoch den Regler mit Transistorschaltern und antiparallelen Dioden;
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des Reglers aus Fig. 4 illustriert; und
Fig. 7 ist ebenfalls ähnlich zu Fig. 4, illustriert jedoch den Regler mit einer nichtdissipativen Anlauf-Schaltanordnung.
Ein Gleichspannungsregler oder -wandler mit Chopper, der die vorliegende Erfindung verkörpert, ist in Fig. 4 dargestellt und allgemein mit 60 bezeichnet. Wie oben diskutiert, ist der neue Regler 60 eine direkte Verbesserung gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Regler 50 aus dem Stand der Technik. Um einen Vergleich und das Erkennen der vorliegenden Verbesserungen zu ermöglichen, sind gleiche Elemente in Fig. 4 mit demselben Bezugszeichen versehen, das schon in Fig. 3 verwendet wurde. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Art und Weise, auf die Elemente in Übereinstimmung mit der Erfindung miteinander verbunden sind, dazu führt, daß der Regler 60 auf eine fundamental andere Weise arbeitet als der Regler 50.
Bei dem Regler 60 ist der Buck-Regler 10 weggelassen und die Batterie 12 ist direkt mit der Mittenanzapfung der Abschnitte 52a und 52b der Primärwicklung des ersten Transformators 52 verbunden. Eine Spule 62 zur Energiespeicherung ist zwischen die Batterie 12 und die Mittenanzapfung der Wicklungen 52c und 52d der Sekundärwicklung des Transformators 52 geschaltet. Es ist zu verstehen, daß die Spule 16 bei dem Regler 50 aus dem Stand der Technik Teil von dessen Buck-Regler 10 ist und daher in dem Regler 60 nicht zu finden ist. Die Spule 62 des vorliegenden Reglers 10 hat kein entsprechendes Schaltungselement in dem Regler 50 nach dem Stand der Technik.
Die Schalter 34, 36, 56 und 58 werden über eine Steuereinheit 64 gesteuert, die die Ausgangsspannung VOUT die Eingangsspannung VIN, den Ausgangsstrom und/oder den Eingangsstrom mißt, die gemessenen Parameter mit einer vorgegebenen Spannung VC oder anderen Steuerwerten vergleicht und die Regelung in Übereinstimmung damit steuert. In einigen Anwendungen kann die Ausgangsspannung VOUT in Abhängigkeit von Änderungen in der Steuerspannung VC variieren. In diesem Falle wird zur Regelung die Ausgangsspannung VOUT mit der Steuerspannung VIN verglichen. In anderen Anwendungen ist es erwünscht, daß die Ausgangsspannung VOUT bei einer sich ändernden Eingangsspannung VIN konstant bleibt. In diesem Falle wird die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung verglichen. In noch anderen Anwendungen kann der Ausgangsstrom der Steuerparameter sein, der zu regeln ist, und das in die Steuereinheit eingebaute Regelungsgesetz kann diesen Änderungen gerecht werden.
Die Schalter 34 und 36 werden typischerweise abwechselnd mit einem Tastverhältnis von 50 % getrieben und bilden einen ersten Zerhacker, der die Eingangsspannung VIN periodisch unterbricht, um ein erstes zerhackte Signal in Form einer Rechteckwelle über der Serienschaltung der Wicklungsabschnitte 54a oder 54b, 52c oder 52d und der Spule 62 zu erzeugen.
Die Schalter 56 und 58 werden synchron (gleiche Frequenz, variable Phase) mit den Schaltern 34 und 36 getrieben und bilden einen zweiten Zerhacker, der die Eingangsspannung VIN periodisch unterbricht, um ein zweites zerhacktes Signal in Form einer Rechteckwelle über den Abschnitten 52a bzw. 52b der Primärwicklung zu erzeugen. Das zweite zerhackte Signal wird durch den Transformator 52 transformiert und erscheint über dem Wicklungsabschnitt 52c oder 52d als ein drittes zerhackte Signal, das ebenfalls synchron zu dem ersten zerhackten Signal ist, jedoch eine kleinere Spannung und eine Polarität aufweist, die gleich oder entgegengesetzt zu der Polarität des ersten zerhackten Signales sein kann.
Eine vereinfachte Betrachtungsweise des zweiten Zerhackers besteht darin, die Signale über den Abschnitten 52a und 52b der Primärwicklung zu vernachlässigen und die Schalter 56 und 58 in Kombination mit dem Transformator 52 so zu betrachten, also ob sie ein zweites zerhacktes Signal über den Wicklungsabschnitten 52c oder 52d erzeugen. In diesem Falle entspricht das zweite zerhackte Signal dem oben beschriebenen dritten zerhackten Signal.
In jedem Falle bildet das durch die Schalter 34 und 36 zerhackte Signal ein Hauptleistungssignal zur Versorgung der Last 18. Das durch die Schalter 56 und 58 zerhackte Signal bildet ein Regelsignal mit relativer geringer Leistung und wird mit dem Hauptleistungssignal durch den Transformator 52 algebraisch kombiniert, um die geregelte Ausgangsspannung VOUT zu erzeugen.
Die Polaritäten der Wicklungsabschnitte der Transformatoren 52 und 54 sind auf übliche Weise durch einen Punkt angedeutet. In der folgenden Beschreibung wird der Begriff "entgegengesetztes oder gegenüberliegendes Ende" eines Wicklungsabschnittes so verwendet, daß damit das Ende des Wicklungsabschnittes gemeint ist, das dessen Punktende gegenüberliegt.
Der Regler 60 wird in einem Additionsmodus betrieben, in dem die Schalter 34, 58 oder 36, 56 zusammen geschlossen werden, oder in einem Subtraktionsmodus betrieben, in dem die Schalter 34, 56 oder 36, 58 zusammen geschlossen werden. Für die vier möglichen Fälle wird der Betrieb nun wie folgt beschrieben:

Fall I - Additionsmodus, Schalter 34, 58 geschlossen und Schalter 36, 56 geöffnet.

Strom fließt von der Batterie 12 über die Spule 62, die Wicklungsabschnitte 52c und 54a sowie den Schalter 34 zu Erde. Dieser Strom fließt in das Punktende des Abschnittes 52c der Sekundärwicklung, was dazu führt, daß ein induzierter Strom aus dem Punktende des Abschnittes 52 b der Primärwicklung durch den Schalter 58 zu Erde fließt. Da das Punktende des Abschnittes 52b negativ (Erde) bezogen auf das entgegengesetzte Ende (Batterie 12) des Abschnittes 52b ist, fließt Strom von der Batterie 12 durch den Abschnitt 52b über den Schalter 58 zu Erde. Strom fließt durch den Abschnitt 52c von der Batterie 12 zu Erde. Dies bewirkt, daß der aus der Batterie 12 fließende Strom größer ist als der Mittelwert.
Die Mittenanzapfung der Abschnitte 52a und 52b (das gegenüberliegende Ende des Abschnittes 52b) erhält VIN von der Batterie 12. Deshalb ist das Punktende des Abschnittes 52b bezogen auf das entgegengesetzte Ende negativ. Wegen der Wirkung des Transformators 52 ist das Punktende des Abschnittes 52c der Sekundärwicklung negativ bezogen auf dessen entgegengesetztes Ende. Das Ergebnis ist, daß eine Spannung in dem Abschnitt 52c induziert wird, die einen Wert aufweist, der gleich VIN geteilt durch das Windungsverhältnis des Transformators 52 ist. Unter der Annahme eines beispielhaften Windungsverhältnisses von 5:1 beträgt die in dem Abschnitt 52c induzierte Spannung VIN/5. Diese Spannung hat dieselbe Polarität wie VIN. Folglich ist die dem Abschnitt 54a der Primärwicklung des Transformators 54 zugeführte Spannung gleich VIN (von der Batterie 12) plus VIN/5 (über dem Abschnitt 52c der Sekundärwicklung) oder 1,2 x VIN abzüglich der Spannung über der Spule 62. Die Spannung über der Spule 62 bewirkt, daß der Spulenstrom ansteigt.

Fall II - Subtraktionsmodus, Schalter 34, 56 geschlossen und Schalter 36, 58 geöffnet.

Strom fließt von der Batterie 12 durch die Spule 62, Wicklungsabschnitte 52c und 54a sowie den Schalter 34 zu Erde. Dieser Strom fließt in das Punktende des Abschnittes 52c der Sekundärwicklung und erzwingt einen induzierten Strom, der von Erde durch den Schalter 56 und aus dem Punktende des Abschnittes 52a der Primärwicklung in die Batterie 12 fließt. Obwohl das Punktende des Abschnittes 52a positiv (Batterie 12) bezogen auf das entgegengesetzte Ende (geerdet) des Abschnittes 52a ist, fließt Strom durch den Abschnitt 52c von Erde in die Batterie 12 entgegengesetzt zu der Richtung der angelegten Spannung. Dies bewirkt, daß der aus der Batterie 12 fließende Strom kleiner ist als der mittlere Wert.
Der Schalter 56 verbindet das gegenüberliegende Ende des Abschnittes 52a mit Erde. Der Mittenabgriff der Abschnitte 52a und 52b (das Punktende des Abschnittes 52a) empfängt VIN von der Batterie 12. Auf diese Weise ist das Punktende des Abschnittes 52a positiv bezogen auf das gegenüberliegende Ende. Wegen der Wirkung des Transformators 52 ist das Punktende des Abschnittes 52c der Sekundärwicklung positiv bezogen auf dessen gegenüberliegendes Ende. Das Ergebnis ist, daß eine Spannung in den Abschnitt 52c induziert wird, die einen Wert gleich VIN/5 aufweist und die entgegengesetzte Polarität zu VIN hat. Auf diese Weise ist die dem Abschnitt 54a der Primärwicklung des Transformators 54 zugeführte Spannung gleich VIN (von der Batterie 12) minus VIN/5 (über dem Abschnitt 52c) oder 0,8 x VIN plus der Spannung über der Spule 62. Die Spannung über der Spule bewirkt, daß der Strom durch die Spule abnimmt.

Fall III - Additionsmodus, Schalter 36, 56 geschlossen und Schalter 34, 58 geöffnet.

Strom fließt von der Batterie 12 durch die Spule 62, die Wicklungsabschnitte 52d und 54b sowie den Schalter 56 zu Erde. Dieser Strom fließt aus dem Punktende des Abschnittes 52d der Sekundärwicklung heraus, was einen induzierten Strom in das Punktende des Abschnittes 52c der Primärwicklung durch den Schalter 56 nach Erde fließen läßt. Da das Punktende des Abschnittes 52c positiv (Batterie 12) bezogen auf das entgegengesetzte Ende (Erde) des Abschnittes 52a ist, fließt Strom von der Batterie 12 durch den Abschnitt 52a über den Schalter 52 nach Erde. Strom fließt durch den Abschnitt 52d von der Batterie 12 nach Erde. Dies bewirkt, daß ähnlich zum Fall 1 der aus der Batterie 12 fließende Strom größer ist als der mittlere Wert.
Der Mittenabgriff der Abschnitte 52a und 52b (das Punktende des Abschnittes 52a) empfängt VIN von der Batterie 12. Auf diese Weise ist das Punktende des Abschnittes 52a positiv bezogen auf das entgegengesetzte Ende. Wegen der Wirkung des Transformators 52 wird das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52d der Sekundärwicklung bezogen auf dessen Punktende negativ gehalten. Eine Spannung wird in den Abschnitt 52d induziert, die einen Wert gleich VIN/5 und dieselbe Polarität wie VIN hat.
Folglich ist die dem Abschnitt 52b der Primärwicklung des Transformators 54 zugeführte Spannung gleich 1,2 x VIN minus der Spannung über der Spule 62. Die Spannung über der Spule 62 bewirkt, daß der Strom durch die Spule auf die gleiche Weise wie im Fall I abnimmt.

Fall IV - Subtraktionsmodus, Schalter 36, 58 geschlossen und Schalter 34, 56 geöffnet.

Strom fließt von der Batterie 12 durch die Spule 62, die Wicklungsabschnitte 52d und 54b sowie den Schalter 36 nach Erde. Dieser Strom fließt aus dem Punktende des Abschnittes 52d heraus, was einen induzierten Strom von Erde durch den Schalter 58 und aus dem entgegengesetzten Ende des Abschnittes 52b der Primärwicklung in die Batterie 12 fließen läßt. Obwohl das Punktende des Abschnittes 52b negativ (Erde) bezogen auf das entgegengesetzte Ende (Batterie) des Abschnittes 52b ist, fließt Strom durch den Abschnitt 52d von Erde zu der Batterie 12. Dies bewirkt, daß der Stromfluß aus der Batterie 12 heraus ähnlich wie in Fall II kleiner ist als der mittlere Wert.
Der Mittenabgriff der Abschnitte 52a und 52b (das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52b) empfängt VIN von der Batterie 12. Folglich ist das Punktende des Abschnittes 52b gegenüber dem entgegengesetzten Ende negativ. Wegen der Wirkung des Transformators 52 wird das Punktende des Abschnittes 52d der Sekundärwicklung bezogen auf dessen entgegengesetztes Ende negativ gehalten. Das Ergebnis ist, daß eine Spannung in dem Abschnitt 52d induziert wird, die einen Wert gleich VIN/5 sowie die entgegengesetzte Polarität zu VIN aufweist. Folglich ist die dem Abschnitt 52b der Primärwicklung des Transformators 54 zugeführte Spannung gleich 0,8 x VIN plus der Spannung über der Spule 62. Die Spannung über der Spule 62 bewirkt ähnlich wie in Fall II, daß der Strom durch die Spule abnimmt.
Wie oben beschrieben, werden die Schalter 34 und 36 abwechselnd mit einem Tastverhältnis von 50 % getrieben. Während der Zeiten, während der der Schalter 34 geschlossen ist, ist der Schalter 58 geschlossen und der Schalter 56 ist geöffnet, um für einen Additionsmodus (Fall I) zu sorgen, woraufhin anschließend der Schalter 56 geschlossen wird und der Schalter 58 geöffnet wird, um für den Subtraktionsmodus (Fall II) zu sorgen. Eine Spannungssteuerung wird erreicht, indem die relativen Tastverhältnisse des Additions- und Subtraktionsmodus variiert werden. Wenn die gemessene Ausgangsspannung VOUT (oder ein anderer gesteuerter Parameter) unter den vorbestimmten Entwurfswert fällt, bewirkt die Steuereinheit 64, daß der Schalter 58 (Additionsmodus) für eine relativ längere Zeit geschlossen bleibt als der Schalter 56 (Subtraktionsmodus), so daß der Regler 60 länger im Additionsmodus arbeitet als im Subtraktionsmodus und die Ausgangsspannung VOUT sich erhöht. Das Tastverhältnis wird erhöht, wenn das Maß der Abweichung der gemessenen Spannung von der vorbestimmten Entwurfsspannung zunimmt, um für eine höhere Korrektur bei größerne Beträgen der Abweichung zu sorgen.
Wenn die gemessene Ausgangsspannung VOUT (oder die Eingangsspannung VIN) über den vorbestimmten Entwurfswert ansteigt, bewirkt die Steuereinheit 64, daß der Schalter 58 (Additionsmodus) für eine relativ kürzere Zeit als der Schalter 54 (Subtraktionsmodus) geschlossen wird, so daß der Regler 60 im Subtraktionsmodus länger arbeitet als im Additionsmodus. Dieser Betrieb ist im wesentlichen ähnlich während der Zeiten, während der der Schalter 36 geschlossen ist, wobei der Schalter 56 für den Additionsmodus (Fall III) geschlossen ist und der Schalter 58 für den Subtraktionsmodus (Fall IV) geschlossen ist.
Die über der Sekundärwicklung des Transformators 54 induzierte Spannung ist Wechselspannung. Bei Anwendungen, wo eine Ausgangswechselspannung gewünscht wird, werden die Dioden 38 und 40 sowie der Kondensator 22 weggelassen und die Ausgangsspannung wird durch diese Wechselspannung gebildet. Die Dioden 38 und 40 richten die Wechselspannung gleich, um eine pulsierende Gleichspannung zu erzeugen, die durch den Kondensator 52 geglättet wird, um die geglättete Ausgangsgleichspannung VOUT zu erzeugen.
Fig. 4 zeigt weiter, wie Schalter 66 und 68 vorgesehen sein können, um alternative Verfahren zum Treiben des Reglers 60 zu ermöglichen. Die Schalter 66 und 68 sind über die Wicklungsabschnitte 52 bzw. 52b geschaltet und werden in gewünschter Weise durch die Steuereinheit 64 kontrolliert. Der Schalter 66 und/oder der Schalter 68 können geschlossen sein, um einen oder beide der Abschnitte 52a und 52b durch Kurzschluß herauszulösen und einen Betriebsmodus zu ermöglichen, in dem weder Addition noch Subtraktion auftritt. Die Verlustterme der Spule werden halbiert, wenn dieser Betrieb verwendet werden kann. Es ist weiter möglich, beide Schalter 56 und 58 gleichzeitig zu öffnen, um die Abschnitte 52a und 52b der Primärwicklung vollständig zu öffnen.
In dem Regler 60 ist es erforderlich, zwei Schalter gleichzeitig zu schließen, um für einen Additionsmodus oder einen Subtraktionsmodus zu sorgen. Fig. 5 zeigt einen Regler 70, bei dem die Schalter 34, 36, 56 und 58 durch bipolare NPN- Transistoren 72, 74, 76 bzw. 78 ersetzt sind. Dioden 80 und 82 sind über die Emitter und Kollektoren der Transistoren 76 bzw. 78 in Antiparallelschaltung geschaltet. Diese Anordnung vereinfacht die Steuerung der Schalter, da es erforderlich ist, nur den Schalter 72 oder den Schalter 74 zu schließen, um für den Subtraktionsmodus zu sorgen. Es ist zu bemerken, daß die bipolaren Transistoren 76 und 78 durch Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) ersetzt werden können, die antiparallele Dioden bereits inhärent enthalten, in welchem Falle die Dioden 80 und 82 weggelassen werden können.
Der Betrieb des Reglers 70 wird jetzt unter gleichzeitiger Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm der Fig. 6 beschrieben. Die durch eine Steuereinheit 90 den Basen der Transistoren 72, 74, 76 und 78 zugeführten Steuersignale sind mit D72, D74, D76 bzw. D78 bezeichnet. Die Spannungen an den Kollektoren der Transistoren 72, 74, 76, 78 sind mit V72, V74, V76 bzw. V78 bezeichnet. Weiter dargestellt sind die Spannung V84 an dem Mittenabgriff 84 der Sekundärwicklung des Transformators 52, der Strom 162 durch die Spule 62, der Strom 186 durch den Mittenabgriff 86 der Primärwicklung des Transformators 52, der Strom 188, der aus der Batterie 12 herausfließt, sowie der Strom 176, der durch den Kollektor des Transistors 76 fließt.

Fall I - Additionsmodus, D72 und D78 high.

Die Transistoren 72 und 78 werden eingeschaltet. Von dem Abschnitt 52c der Sekundärwicklung in den Abschnitt 52 b der Primärwicklung induzierter Strom fließt aus dem Punktende des Abschnittes 52b durch den Transistor 78 nach Erde. Das Punktende des Abschnittes 52b ist mit Erde verbunden, was dazu führt, daß eine Spannung mit derselben Polarität wie VIN in den Abschnitt 52c induziert wird. Dieser Betrieb is äquivalent zu dem Schließen der Schalter 34 und 58 des Reglers 60.

Fall II - Subtraktionsmodus, D72 high.

Der Subtraktionsmodus wird erzielt, indem nur der Transistor 72 eingeschaltet wird. Über dem Abschnitt 52a wird eine Spannung induziert, so daß das Punktende gegenüber dem entgegengesetzten Ende positiv ist. Eine Erhöhung des Stromflusses zwischen Abschnitt 52c bewirkt, daß die induzierte Spannung in dem Abschnitt 52a zunimmt, bis das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52a um einen Diodenspannungsabfall negativer ist als Erde. Hierdurch wird die Diode 80 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch von dem Abschnitt 52c induzierter Strom von Erde durch die Diode 80 und den Abschnitt 52a in die Batterie 12 fließt.
Dies bewirkt, daß das Punktende des Abschnittes 52c bezogen auf das entgegengesetzte Ende positiv ist, so daß das Punktende der Abschnitte 52a und 52b ebenfalls gegenüber den entgegengesetzten Enden positiv ist. Strom fließt in das Punktende des Abschnittes 52c und muß aus dem Punktende des Abschnittes 52a oder in das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52b hinein fließen. Da der Transistor 78 abgeschaltet ist und die Diode 82 in Sperrichtung vorgespannt ist, kann der Strom nicht durch den Abschnitt 52b fließen.
Das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52a wird durch die Diode 80 effektiv mit Erde verbunden, wodurch in dem Abschnitt 52c eine Spannung induziert wird, deren Punkt dieselbe Polarität wie VIN aufweist. Dieser Betrieb is äquivalent zum Schließen der Schalter 34 und 56 des Reglers 60, wobei die Diode 80 die Funktion des Schalters 56 übernimmt.

Fall III - Additionsmodus, D74 und D76 high.

Die Transistoren 74 und 76 sind eingeschaltet. Von dem Abschnitt 52d der Sekundärwicklung in den Abschnitt 52a der Primärwicklung induzierter Strom fließt aus dem entgegengesetzten Ende der Wicklung 52a durch den Transistor 76 zu Erde. Das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52a ist mit Erde verbunden, wodurch eine Spannung mit derselben Polarität wie VIN in dem Abschnitt 52d induziert wird. Dieser Betrieb ist äquivalent zum Schließen der Schalter 36 und 56 des Reglers 60.

Fall IV - Subtraktionsmodus, D74 high.

Der Subtraktionsmodus wird dadurch erzeugt, daß nur der Transistor 74 eingeschaltet wird. Über dem Abschnitt 52b wird eine Spannung derart induziert, daß das Punktende bezogen auf das entgegengesetzte Ende negativ ist. Eine Erhöhung des Stromflusses durch den Abschnitt 52d bewirkt, daß die induzierte Spannung so lange erhöht wird, bis das entgegengesetzte Ende des Abschnittes 52b um einen Diodenspannungsabfall negativer ist als Erde. Hierdurch wird die Diode 82 in Durchlaßrichtung vorgespannt, weshalb durch den Abschnitt 52d induzierter Strom von Erde durch die Diode 82 und den Abschnitt 52b in die Batterie 12 fließen kann.
Dies bewirkt, daß das Punktende des Abschnittes 52d gegenüber dem entgegengesetzten Ende negativ ist, so daß die Punktenden der Abschnitte 52a und 52b ebenfalls bezogen auf die entgegengesetzten Enden negativ sind. Strom fließt aus dem Punktende des Abschnittes 52d heraus und muß aus dem Punktende des Abschnittes 52a oder in das Punktende des Abschnittes 52b hinein fließen. Da der Transistor 76 abgeschaltet ist und die Diode 80 in Sperrichtung vorgespannt ist, kann der Strom nicht durch den Abschnitt 52a fließen.
Das Punktende des Abschnittes 52b ist über die Diode 82 effektiv mit Erde verbunden, was es bewirkt, daß in dem Abschnitt 52d eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität zu induziert wird. Dieser Betrieb ist äquivalent zum Schließen der Schalter 36 und 58 des Reglers 60, wobei die Diode 82 die Funktion des Schalters 58 übernimmt.
Es ist zu bemerken, daß die Kollektorspannungen der Transistoren 76 und 78 nur geringfügig zwischen dem Additionsmodus und dem Subtraktionsmodus variieren. Im Additionsmodus ist die Spannung auf Erde, während im Subtraktionsmodus die Spannung nur einen Diodenspannungsabfall (ungefähr ein Volt) negativ zu Erde ist. Dieser kleine Unterschied beseitigt einen Term der Schaltverluste in dem Regler 70.
Der vorliegende Regler 60 zeichnet sich gegenüber dem Regler 50 aus dem Stand der Technik dadurch aus, daß die Spule 62 zur Energiespeicherung nur halb so groß sein muß wie die Spule 16 in dem Regler 50. Dies liegt daran, daß der vorliegende Regler 60 eine bilaterale Regelung (sowohl Additions- als auch Subtraktionsmodus) bereitstellt und dadurch den doppelten Regelbereich aufweist wie der Regler 60, der dieselben Schaltungselemente verwendet. Die kleinere und leichtere Spule 62 ermöglicht es, daß der Regler 60 bei Anwendungen eingesetzt wird, in denen Einschränkungen hinsichtlich der Größe und hinsichtlich des Gewichtes die Verwendung des Reglers 50 ausschließen wurden.
Das Windungsverhältnis des Transformators 52, der die Regelspannung erzeugt, kann ebenfalls die Hälfte von der des entsprechenden Transformators in dem Regler 50 sein, da der doppelte Regelbereich in Übereinstimmung mit der Erfindung mit demselben Windungsverhältnis erzielt werden kann. Dies ermöglicht es, daß die Größe und das Gewicht des Transformators 52 gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden kann.
Der vorliegende Regler 60 beseitigt ebenfalls den Buck- Regler 10 einschließlich der Diode 20, die ein inhärentes Element in dem Regler 50 aus dem Stand der Technik ist, wodurch die damit verbundenen dissipativen Verluste beseitigt werden.
Ein dem grundlegenden Regler 60 oder 70 inhärentes Problem besteht darin, daß es schwierig ist, die anfängliche Versorgung mit Eingangsspannung VIN zu steuern. Wenn die Batterie 12 zuerst mit dem Regler 60 oder 70 verbunden wird, wird von der Last 18 eine Nullspannung zu der Primärwicklung des Transformators 54 reflektiert. Die gesamte Eingangsspannung VIN wird effektiv über der Spule 16 und den Abschnitten 54a und 54b der Primärwicklung angelegt, was dazu führen könnte, daß der Eingangsstrom schnell auf einen Wert ansteigt, der hoch genug ist, um die Schalter 34 und 36 zu zerstören. Die Schalter 34 und 36 müssen beide offen sein, bevor dies geschieht, um den Eingangsstrom zu begrenzen. Die rückwärtsgerichtete EMK in der Spule 62 wird dann jedoch über die Schalter 34 und 36 gelegt, die ebenfalls groß genug ist, um ernsten Schaden anzulegen.
Fig. 7 zeigt einen Regler 100, bei dem zusätzliche Elemente zu dem grundlegenden Regler 60 hinzugefügt sind, um einen übergroßen Stromfluß während der Anlaufphase zu vermeiden. Schalter 102 und 104 sind zwischen die Verbindung von 54a, 34 und die Batterie 12 bzw. die Verbindung von 54b, 36 und die Batterie 12 geschaltet. Dioden 106 und 108 sind in Serie mit den Schaltern 102 bzw. 104 geschaltet, wobei die Kathoden der Dioden 106 und 108 mit der Batterie 12 verbunden sind. Eine Anlauf-Steuereinheit 110 ist zusätzlich vorgesehen, die mit der Steuereinheit 64 zusammenarbeitet, um die Schalter 102 und 104 zu steuern.
Während der Einschaltphase werden die Schalter 34, 36, 56 und 58 abwechselnd gesteuert, um ausschließlich im Subtraktionsmodus zu arbeiten und so den Eingangsstromfluß zu reduzieren. Die Schalter 34, 36, 56 und 58 werden für eine Zeitdauer geschlossen, die nicht ausreicht, daß der Eingangsstrom auf einen überhohen Wert ansteigt. Die Dioden 106 und 108 werden während dieses Betriebes in Sperrichtung vorgespannt, wodurch verhindert wird, daß Strom durch die Schalter 102 und 104 fließt.
Die Schalter 34, 36, 56 und 58 werden dann geöffnet und einer von den Schaltern 102 und 104 wird geschlossen. Unter der Annahme, daß der Schalter 102 geschlossen wird, bewirkt die rückwärts gerichtete EMK der Spule 62 einen Stromfluß durch die Abschnitte 52c und 54a, den Schalter 102 und die Diode 106 in derselben Richtung wie der Eingangsstrom. Dieser Strom wird in die Sekundärwicklung des Transformators 54 induziert und der Last 18 zugeführt. Der Leistungsverbrauch durch die Last 18 reduziert den Stromfluß auf einen Pegel, der so gering ist, daß die Schalter 34, 36, 38 und 40 wieder geschlossen werden können, um mehr Energie in den Regler 100 zu speisen und die Ausgangsspannung VOUT in Richtung des vorbestimmten Entwurfspegels anzuheben. Der Betrieb ist im wesentlichen ähnlich, wenn der Schalter 104 geschlossen ist.
Der Betrieb der Schalter 34, 36, 56 und 58 wechselt mit dem Betrieb der Schalter 102 und 104, um ein sicheres, inkrementales Maß an Energie in die Spule 62 einzuspeisen und dann Energie von der Spule 62 in die Last 18 zu entladen. Die Zeitsteuerung des Öffnens und Schließens der Schalter 102 und 104 ist über einen großen Bereich veränderbar. Typischerweise wird der Schalter 102 geschlossen sein, wenn der Schalter 34 geöffnet ist, und der Schalter 104 wird geschlossen sein, wenn der Schalter 36 geöffnet ist. Wenn die Schalter 102 und 104 jedoch langsamer abgeschaltet werden als die Schalter 34, 36, 56 und 58, werden verschiedene reaktive Ströme, wie sie in der Leckinduktanz der Abschnitte 54a und 54b induziert werden, in die Spule 62 oder die Last 18 entladen, wodurch eine nichtdissipative Dämpfungsfunktion bereitgestellt wird.
Die Anordnung aus Fig. 7 ist deshalb wünschenswert, weil während der Anlaufphase in dem Regler 100 im wesentlichen keine Leistung verbraucht wird. Die gesamte Eingangsleistung (ausschließlich Verluste niederer Ordnung) wird entweder direkt der Last 18 zugeführt oder aber in der Spule 62 gespeichert und daraufhin von dieser zu der Last 18 weitergeleitet.
Wichtige Merkmale der Erfindung können daher wie folgt zusammengefaßt werden.
Eine ungeregelte Eingangsgleichspannung VIN wird durch einen Zerhacker 34, 36 hoher Leistung verarbeitet, um ein erstes zerhacktes Signal mit derselben Spannung wie die Eingangsspannung VIN zu erzeugen, und durch einen Zerhacker 56, 58 geringer Leistung verarbeitet, um ein zweites zerhacktes Signal zu erzeugen, das synchron zu dem ersten zerhackten Signal ist, aber eine geringere Spannung als dieses aufweist. Das erste und das zweite zerhackte Signal werden durch Transformatoren 53, 54 algebraisch kombiniert, um ein Ausgangswechselspannungssignal zu erzeugen, das in eine Gleichspannung VOUT konvertiert werden kann. Das zweite zerhackte Signal kann so gesteuert werden, daß es dieselbe Polarität wie das erste zerhackte Signal aufweist, in welchem Falle die Spannungen sich addieren, um die Ausgangsspannung VOUT zu erhöhen, oder daß es die entgegengesetzte Polarität zu dem ersten zerhackten Signal hat, in welchem Falle die Spannungen sich subtrahieren, um die Ausgangsspannung VOUT zu reduzieren. Die Perioden der Addition und Subtraktion werden innerhalb der Periode des ersten zerhackten Signales abgewechselt. Das Verhältnis von Addition und Subtraktion des zweiten zerhackten Signales kann verändert werden, um das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung über einen weiten Bereich zu verändern. Eine Spule 62 zur Energiespeicherung ist in dem Pfad des Choppers mit hoher Leistung bereitgestellt, um die Spannungsaddition und -subtraktion zu mitteln. Der Betrieb des Choppers hoher Leistung kann intermittierend unterbrochen werden, um den Eingangsstromfluß während des Anlaufs zu begrenzen, und Schalter 102, 104 sind vorgesehen, um in der Spule 62 gespeicherte Energie in die Transformatoren 52, 54 zu entladen und somit zu der Ausgangsspannung VOUT bei zutragen.

Claims

1. Regler zum Empfangen einer ungeregelten Eingangsgleichspannung (VIN) und Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung (VOUT), mit:

- ersten Zerhackermitteln (34, 36), um die Eingangsspannung (VIN) periodisch zu unterbrechen und eine erste zerhackte Spannung zu erzeugen;

- zweiten Zerhackermitteln (56, 58), um die Eingangsspannung (VIN) periodisch zu unterbrechen und eine zweite zerhackte Spannung zu erzeugen, die im wesentlichen synchron mit der ersten zerhackten Spannung ist und wahlweise dieselbe oder die entgegengesetzte Polarität wie die erste zerhackte Spannung aufweist;

- Kombinierermitteln (52, 54), um die erste und die zweite zerhackte Spannung algebraisch zu kombinieren und die Ausgangsspannung (VOUT) zu erzeugen; und

- Steuermitteln (64; 90), um die zweiten Zerhackermittel (56, 58) zu steuern und die relative Polarität der zweiten zerhackten Spannung auszuwählen und dadurch die Ausgangsspannung zu regeln,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (64; 90) die zweiten Zerhackermittel (56, 58) auch steuern, um das Tastverhältnis der zweiten zerhackten Spannung zu variieren und dadurch die Ausgangsspannung (VOUT) zu regeln.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß induktive Energiespeichermittel (62) in Serienschaltung mit den ersten Zerhackermitteln (34, 36) und den Kombinierermitteln (52, 54) geschaltet sind.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zerhackermittel (56, 58) die zweite zerhackte Schaltung mit einer Spannung erzeugen, die geringer ist als die erste zerhackte Spannung.

4. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinierermittel eine Transformatorvorrichtung (52, 54) aufweisen, die primäre Wicklungsmittel (52a, 52b, 54a, 54b) zum Kombinieren der ersten und zweiten zerhackten Spannung sowie sekundäre Wicklungsmittel aufweist, um die kombinierten ersten und zweiten zerhackten Spannungen zu transformieren und die Ausgangsspannung (VOUT) in Form einer Wechselspannung zu erzeugen.

5. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinierermittel eine Transformatorvorrichtung (52, 54) umfassen, die die erste und die zweite zerhackte Spannung kombinieren und transformieren, um eine Wechselspannung zu erzeugen, eine Gleichrichtervorrichtung (38, 40) aufweisen, um die Wechselspannung gleichzurichten und eine pulsierende Gleichspannung zu erzeugen, und eine Filtervorrichtung (22) umfassen, um die pulsierende Gleichspannung zu glätten und die Ausgangsspannung (VOUT) in Form einer geglätteten Gleichspannung zu erzeugen.

6. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Kombinierermittel eine Transformatorvorrichtung (52, 54) miterstenwicklungsmitteln (52a, 52b, 54a, 54b) und zweiten Wicklungsmitteln (52c, 52d) umfassen; und

- die ersten und zweiten Zerhackermittel verschaltet sind, um die erste und die zweite zerhackte Spannung in Serienschaltung zu den primären Wicklungsmitteln (52a, 52b, 54a, 54b) zu führen.

7. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Energiespeichermittel (62) in Serienschaltung mit den primaren Wicklungsmitteln (52a, 52b, 54a, 54b) geschaltet sind.

8. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (64) weiter eine Anlaufvorrichtung (110) aufweisen, um den Betrieb der ersten Zerhackermittel intermittierend zu unterbrechen, um den Stromfluß in den Regler (100) zu begrenzen und während des Anlaufes des Reglers (100) in der primären Wicklung (52a, 52b, 54a, 54b) der Transformatorvorrichtung (52, 54) gespeicherte Energie in die induktiven Mittel (62) zu entladen.

9. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Zerhackermittel sowie die Kombinierermittel eine symmetrische, im Gleichtakt arbeitende "Push-Push"-Konfiguration aufweisen.

10. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Kombinierermittel aufweisen:

-- eine erste Transformatorvorrichtung (52), die eine in der Mitte abgegriffene primäre Wicklung mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt (52a, 52b) sowie eine in der Mitte abgegriffene sekundäre Wicklung mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt (52c, 52d) umfaßt; und

-- eine zweite Transformatorvorrichtung (54), die eine in der Mitte abgegriffene primäre Wicklung mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt (52a, 52b) sowie eine sekundäre Wicklung umfaßt;

- die ersten Zerhackermittel umfassen:

-- erste Schaltmittel (34; 72), die in Serienschaltung mit dem ersten Abschnitt (52c) der sekundären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) sowie dem ersten Abschnitt (54a) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) geschaltet sind, um die Eingangsspannung zu empfangen; und

-- zweite Schaltmittel (36; 74), die in Serienschaltung mit dem zweiten Abschnitt (52d) der sekundären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) und dem zweiten Abschnitt (54b) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) geschaltet sind, um die Eingangsspannung zu empfangen; und

- die zweiten Zerhackermittel umfassen:

-- dritte Schaltmittel (56; 76, 80), die in Serienschaltung mit dem ersten Abschnitt (52a) der primären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) geschaltet sind, um die Eingangsspannung zu empfangen; und

-- vierte Schaltmittel (58; 78, 82), die in Serienschaltung mit dem zweiten Abschnitt (52b) der primären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) geschaltet sind, um die Eingangsspannung zu empfangen.

11. Regler nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Energiespeichermittel (62) in Serienschaltung mit dem Mittenabgriff der sekundären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) geschaltet sind, um die Eingangsspannung zu empfangen.

12. Regler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und die vierten Schaltmittel (56, 58) jeweils umfassen:

- eine Schalttransistoranordnung (76, 78); und

- eine Diodenanordnung (80, 82), die in antiparalleler Beziehung über die Schalttransistoranordnung (76, 78) geschaltet ist.

13. Regler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (64; 90) Mittel umfassen,

- die ersten Schaltmittel (34; 72) periodisch zu öffnen und zu schließen;

- die zweiten Schaltmittel (36; 74) im wesentlichen nicht synchron mit den ersten Schaltmitteln (34; 72) periodisch zu öffnen und zu schließen;

- die dritten Schaltmittel (56; 76, 80) wahlweise im wesentlichen synchron mit den ersten Schaltmitteln (34, 72) zu öffnen und zu schließen, um die zweiten Zerhackermittel zu veranlassen, die zweite zerhackte Spannung mit derselben Polarität wie die erste zerhackte Spannung zu erzeugen;

- die dritten Schaltmittel (56; 76, 80) wahlweise im wesentlichen synchron mit den zweiten Schaltmitteln (36; 74) zu öffnen und zu schließen, um die zweiten Zerhackermittel zu veranlassen, die zweite zerhackte Spannung mit der entgegengesetzten Polarität zu der ersten zerhackten Spannung zu erzeugen;

- die vierten Schaltmittel (58; 78, 82) wahlweise im wesentlichen synchron mit den zweiten Schaltmitteln (36; 74) zu öffnen und zu schließen, um die zweiten Zerhackermittel zu veranlassen, die zweite zerhackte Spannung mit derselben Polarität wie die erste zerhackte Spannung zu erzeugen; und

- die vierten Schaltmittel (58; 78, 82) wahlweise im wesentlichen synchron mit den ersten Schaitmitteln (34; 72) zu öffnen und zu schließen, um die zweiten Zerhackermittel zu veranlassen, die zweite zerhackte Spannung mit der entgegengesetzten Polarität zu der ersten zerhackten Spannung zu erzeugen.

14. Regler nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Anlaufvorrichtung (110) sowohl die ersten als auchdiezweitenschaltmittel (34, 36) imwesentlichen synchron miteinander intermittierend öffnet, um den Stromfluß in den Regler (100) während dessen Anlaufphase zu begrenzen; und

- der Regler (100) weiter Anlauf-Schaltmittel umfaßt, die durch die Anlaufvorrichtung (110) gesteuert werden, um in den induktiven Mitteln (62) gespeicherte Energie in die primäre Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) zu entladen, wenn sowohl die ersten als auch die zweiten Schaltmittel (34, 36) offen sind.

15. Regler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Anlauf-Schaltmittel umfassen:

-- fünfte Schaltmittel (102), die in Serienschaltung mit den induktiven Mitteln (62), dem ersten Abschnitt (52c) der sekundären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) sowie dem ersten Abschnitt (54a) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) geschaltet sind; und

-- sechste Schaltmittel (104), die in Serienschaltung mit den induktiven Mitteln (64), dem zweiten Abschnitt (52b) der sekundären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) und dem zweiten Abschnitt (54b) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) geschaltet sind; und

- die Anlaufvorrichtung (110) Mittel umfaßt, um:

-- die fünften Schaltmittel (102) wahlweise zu schließen, um die in den induktiven Mitteln (62) gespeicherte Energie in den ersten Abschnitt (54a) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) zu entladen; und

-- die sechsten Schaltmittel (102) wahlweise zu schließen, um die in den induktiven Mitteln (62) gespeicherte Energie in den zweiten Abschnitt (54b) der primären Wicklung der zweiten Transformatorvorrichtung (54) zu entladen.

16. Regler nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (64) weiter siebte Schaltmittel (66, 68) umfassen, um wahlweise wenigstens einen von dem ersten und zweiten Abschnitt (52a, 52b) der primären Wicklung der ersten Transformatorvorrichtung (52) kurzzuschließen.

17. Regler nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transformatorvorrichtung (52) ein Windungsverhältnis aufweist, das so bestimmt ist, daß die zweite zerhackte Spannung eine geringere Spannung aufweist als die erste zerhackte Spannung.

18. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (64; 90) weiter Mittel umfassen, um die Spannung und/oder den Strom der Ausgangsspannung (VOUT) zu messen und die zweiten Zerhackermittel so zu steuern, daß die relative Polarität der zweiten zerhackten Spannung so ausgewählt wird, daß die Spannung bzw. der Strom sich einem vorbestimmten Wert annähern.

19. Verfahren zum Konvertieren einer ungeregelten Eingangsgleichspannung (VIN) in eine geregelte Ausgangsspannung (VOUT), mit den Schritten:

a) periodisches Unterbrechen der Eingangsspannung (VIN), um eine erste zerhackte Spannung zu erzeugen;

b) periodisches Unterbrechen der Eingangsspannung (VIN), um eine zweite zerhackte Spannung zu erzeugen, die im wesentlichen synchron mit der ersten zerhackten Spannung ist und wahlweise dieselbe oder eine entgegengesetzte Polarität wie diese aufweist;

c) Transformieren der zweiten zerhackten Spannung, um eine dritte zerhackte Spannung zu erzeugen, die dieselbe Polarität wie die zweite zerhackte Spannung und eine geringere Spannung als die erste zerhackte Spannung aufweist;

d) algebraisches Kombinieren der ersten und der dritten zerhackten Spannung, um die Ausgangsspannung (VOUT) zu erzeugen;

e) Messen der Polarität der Abweichung der Ausgangsspannung (VOUT) von einem vorbestimmten Wert und Messen des Maßes der Abweichung der Ausgangsspannung (VOUT) von dem vorbestimmten Wert; und

f) Auswählen der relativen Polarität der zweiten zerhackten Spannung in Übereinstimmung mit der gemessenen Polarität, so daß die Ausgangsspannung (VOUT) sich dem vorbestimmten Wert annähert, und Erhöhen des Tastverhältnisses der zweiten zerhackten Spannung, wenn das gemessene Maß an Abweichung zunimmt, und umgekehrt.