EP3036824A1 - Zweistufiger getakteter elektronischer energiewandler - Google Patents

Zweistufiger getakteter elektronischer energiewandler

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EP3036824A1
EP3036824A1 EP14749856.2A EP14749856A EP3036824A1 EP 3036824 A1 EP3036824 A1 EP 3036824A1 EP 14749856 A EP14749856 A EP 14749856A EP 3036824 A1 EP3036824 A1 EP 3036824A1
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EP
European Patent Office
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stage
voltage
power
converter
energy converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14749856.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Mayer
Olaf Busse
Maximilian Gerber
Horst Werni
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Publication of EP3036824A1 publication Critical patent/EP3036824A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention is based on a two-stage clocked electronic energy converter for transmitting an electrical power, with a first connection for connecting an electrical energy source, a second connection for connecting a consumer and a DC link capacitor, wherein a first stage of the two-stage clocked electronic energy converter has a first Converter in Hochsetzconce has, which converts an electrical voltage at the first terminal in an electrical DC link voltage at the DC link capacitor, and wherein the DC link capacitor supplies a second stage of the two-stage clocked electronic energy converter, which supplies the load controllable in the power with electrical energy.
  • the invention relates to a lighting device with a lighting means and an electrical connection for connecting the lighting device to an electrical energy source.
  • the invention relates to a method for operating a two-stage clocked electronic energy converter having an intermediate circuit capacitor for transmitting an electrical power from an electrical energy source connected to the energy converter to a consumer also connected to the energy converter, wherein a first stage of the two-stage clocked electr ⁇ ionic energy converter uses a first converter in Hochsetz horram, the input side electrical voltage of the electrical energy source in an electrical see intermediate circuit voltage at the DC link capacitor converts which DC link capacitor supplies a second stage of the two-stage clocked electronic power converter with electrical energy, which second stage controllably supplies the load in the power with electrical energy.
  • the invention is based on an at least two-stage electronic ballast with a Boost Power Fac ⁇ tor Control (PFC) stage at the entrance and an intermediate circuit electrolytic capacitor.
  • PFC Boost Power Fac ⁇ tor Control
  • an important parameter is the equivalent series resistance (ESR), with which the losses of the electrolytic capacitor in normal operation, such as ohmic line losses, dielectric reversal losses, and / or the like, are summarized.
  • ESR equivalent series resistance
  • the ESR can significantly affect the intended operation of the electrolytic capacitor.
  • the invention is based on the idea of using the ESR of the intermediate circuit capacitor in order to heat the DC link capacitor as quickly as possible.
  • a ripple on the intermediate circuit voltage in the intended operation should be as large as possible, so that as large a current flow as possible is caused by the ESR, which results in a corresponding heat output.
  • the Rip ⁇ pel is a, usually high-frequency, voltage ⁇ fluctuation of the DC link voltage and arises on the DC link voltage by the clocked operation of the two stages of the energy converter.
  • the ripple is to be limited in terms of its amplitude so that undesirable effects on parts or the entirety of the energy converter are largely avoided.
  • a control unit is provided which is set to adjust the power drawn from the second stage to the intermediate circuit capacitor such that an instantaneous minimum of the intermediate circuit voltage caused by the power gain is greater than a predefined voltage comparison value.
  • the second stage of the energy converter can be formed by a buck converter, but also by a resonant converter, combinations thereof, a plurality of such circuits and / or the like.
  • the intermediate circuit capacitor may be formed by an electronic capacitor, for example a film capacitor, a ceramic capacitor, but in particular also by an electrolytic capacitor. Especially with electrolytic capacitors, which are used Circular capacitors are used, the invention proves to be particularly advantageous.
  • the power drawn from the second stage of the intermediate circuit capacitor is adjustable, that is to say, only the power provided by the second stage to the consumer is provided
  • the DC link capacitor is actually removed.
  • the second stage is in terms of entnom ⁇ menen power is preferably controlled by means of the control unit.
  • the voltage comparison value can also be provided by means of the control unit.
  • the control unit also provides the comparison function of the comparison of the intermediate circuit voltage with the voltage comparison value and effects a corresponding control or regulation for the second stage of the energy converter.
  • control unit is preferably adapted to monitor the DC link voltage to mo ⁇ mentane minima out, that is, preferably to identify single minimum in the intermediate circuit voltage, in particular with respect to the voltage value. This can serve as a basis for further control.
  • a voltage swing on the DC link electrolytic capacitor can be detected by means of the microprocessor as a control unit. Depending on the detected voltage swing, the output current or output power is then set. Once the voltage swing in a noncritical range, for example se +/- 50 V, this corresponds to a small ESR, the desired output power can be approached.
  • electrolytic capacitors With the invention, the use of large capacity electrolytic capacitors, which are significantly more expensive, can be avoided.
  • electrolytic capacitors can be used, which have a high ESR at low tempera tures ⁇ . This may even be advantageous, because then the fastest possible heating of the electrolytic capacitor can be achieved.
  • the ESR generally increases.
  • failures at the end of life are largely reduced because it can be started with a smaller power or a smaller power. Consequently, the quality of the electronic ballast increases. For example, a longer service life can be guaranteed under these circumstances, because it is no longer necessary to consider such large tolerance windows when calculating the service life.
  • greater independence in the selection of electrolytic capacitors can be achieved.
  • An important advantageous aspect is that the use of an electronic ballast up to low temperatures of -30 to -40 ° C can be made possible.
  • the invention essentially uses a combination of two measures in order to achieve the advantages according to the invention.
  • An important aspect of the invention is to limit the power taken off from the second stage 2 in such a way that the intermediate circuit voltage at the DC link capacitor, which as a rule is an electrolytic capacitor is formed, does not take extreme values. Consequently, the power is limited such that the minimum voltage of the intermediate circuit does not drop below a certain specified differently surrounded comparison value, that is, is greater than the comparison value.
  • a suitable value for the voltage comparison value is, for example, slightly un ⁇ terraum a minimum DC link voltage during normal operation. This can avoid that a maximum DC link voltage at the electrolytic capacitor becomes too large.
  • boost stage is a stage of a generic two-stage clocked electronic power converter operating in boost mode, thus the term “boost” means a boost operation. Accordingly, “Buck” means a Tiefsetz ⁇ operation.
  • a further development of the invention provides that the voltage comparison value is formed taking into account a instantaneous voltage comparison value determined as a function of a temporally corresponding instantaneous value of the electrical voltage at the first connection and the power consumption is set such that the instantaneous minimum of the intermediate circuit voltage essentially reaches the instantaneous voltage comparison value ,
  • the input voltage at the first terminal can be a non-constant voltage, in particular an AC voltage.
  • the instantaneous voltage comparison value corresponds to the voltage at the first connection or exceeds this by a certain amount, which can be determined, for example, by means of a factor and / or by means of a fixed supplementary value.
  • the second stage of the two-stage clocked elekt ⁇ tronic energy converter has a second converter operating in buck mode or resonant converter.
  • a combination of a plurality of transducers may be connected to the intermediate circuit capacitor, which are preferably controllable accordingly.
  • the invention can be very well applied to electronic ballasts of the prior art, so that a Nachrüs ⁇ tion already existing electronic ballasts with the invention is possible.
  • the intermediate circuit capacitor has a temperature sensor.
  • the temperature sensor may be formed by, for example, a thermocouple, an NTC resistor, an infrared measuring device, or the like.
  • the temperature sensor is attached to or contacts a surface of the DC link capacitor.
  • the temperature sensor can of course also be integrated into the DC link capacitor.
  • the temperature sensor may be attached by gluing or clamping to the DC link capacitor. This configuration allows for the control of the temperature of the Use DC link capacitor.
  • the sequence according to the invention is activated as a function of the undershooting of a reference temperature. In this way, it can be achieved that the sequence according to the invention is activated only when it is required due to the ambient conditions, in particular the ambient temperature.
  • the lighting device proposed by the invention is characterized in that the lighting device comprises a two-stage clocked electronic energy converter according to the invention, which supplies as a consumer, the light source controllable in power with electrical energy.
  • the advantages and characteristics achieved with the fiction, ⁇ modern energy transducers can also be achieved with the lighting device.
  • the light-emitting device that proves to be advantageous because the reliability of the operation as intended SEN can be significantly improved, insbesonde ⁇ re at low temperatures.
  • the known from the prior art problems of electronic ballasts can be significantly reduced, if not completely avoided.
  • the second terminal of the energy converter, the lamp can be closed as a consumer to ⁇ .
  • the invention provides, in particular, that the power taken from the second stage by the intermediate circuit capacitor is set in such a way that an instantaneous minimum of the intermediate circuit voltage caused by the power extraction exceeds a predetermined voltage comparison value. This means that the current minimum of the intermediate circuit voltage does not fall below the voltage comparison value. As a result, the advantages and properties mentioned for the device can be achieved.
  • the first stage is regulated to an average value of the intermediate circuit voltage.
  • the control unit has a corresponding switching mechanism with which the control can be set to the mean voltage value.
  • the intermediate circuit voltage is monitored and the first stage is switched off when a rated voltage of the energy converter is exceeded.
  • the rated voltage is the maximum voltage for which the energy converter is designed during normal operation.
  • the rated voltage is also covered by standardization, which is why reference is made to standardization in addition to the definition. In this way, a protective function can be provided which ensures that the implementation of the method of the invention does not damage the energy converter.
  • the reliabil ⁇ stechnik the operation of the energy converter can thereby be further improved.
  • the energy converter uses an alternating voltage on the input side and is controlled such that an input-side Leis ⁇ tion factor is maximized.
  • system perturbations can be reduced, in particular, so set limits but can be met by the standards, also to improve other electrical equipment respects ⁇ Lich their operation.
  • this feature also includes a so-called power factor control or power factor control, also called power factor control or PFC.
  • a development of the invention proposes that a temperature in the region of the intermediate circuit capacitor is detected. This makes it possible to adapt the method inb ⁇ dependent and to achieve a corresponding tax effect. In addition, it can thereby be achieved that the method of the invention is carried out only when the temperature falls below a temperature comparison value. This can improve the ergonomics of the energy converter or even connected consumers. Therefore, it is, moreover, that sufficient temperature is summed with a temperature reference value ver ⁇ adjusted and adjusting the power of the second stage only when falling below the comparison value Runaway ⁇ leads is.
  • a further development provides that the detection of the temperature with a switching of the power converter is performed automatic ⁇ table. In this way it can already be decided upon switching on whether the carrying out of the method according to the invention is expedient or necessary.
  • the second stage a second converter in Tiefsetzbe ⁇ drive or a resonant converter is used. Reference is made to the advantages and characteristics of the corresponding converter.
  • the first, running as a boost stage controls such that the PFC condition is satisfied and the average value of the output voltage is Gere ⁇ gel.
  • High output voltages which arise due to a high ESR of the DC link capacitor, can largely be ignored because they initially have no influence on the average value.
  • an overvoltage shutdown is implemented, which the regulation-the PFC at too high voltages temporarily disabled. In this way the components of both stages of the energy converter can be ge ⁇ protects against overvoltage reliable.
  • the intermediate circuit capacitor namely the electrolytic capacitor, is less charged when it is simply switched off in the voltage maximum.
  • FIG. 2 schematically shows a diagram for the temperature and frequency dependence of the ESR and the impedance of the electrolytic capacitor according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows schematically a diagram of a heating curve of selected components of a ballast
  • FIG. 4 schematically shows a circuit diagram for a two-stage clocked electronic energy converter, on which the invention is based
  • 5 shows schematically a diagram for a current flow in a first stage of the energy converter according to FIG. 4,
  • FIG. 4 schematically shows a circuit diagram for a two-stage clocked electronic energy converter, on which the invention is based
  • 5 shows schematically a diagram for a current flow in a first stage of the energy converter according to FIG. 4,
  • FIG. 4 schematically shows a circuit diagram for a two-stage clocked electronic energy converter, on which the invention is based
  • 5 shows schematically a diagram for a current flow in a first stage of the energy converter according to FIG. 4,
  • FIG. 4 schematically shows a circuit diagram for a two-stage clocked electronic energy converter, on which the invention is based
  • 5 shows schematically a diagram for a current flow in a first stage of the energy converter according to FIG. 4,
  • FIG. 4 schematically shows a circuit diagram for a two
  • FIG. 6 shows schematically a diagram for a current flow through a second stage electronic switching element of the energy converter according to FIG. 4, FIG.
  • Fig. 7 shows schematically a diagram of a current flow in the first stage of the energy converter according to FIG. 4
  • Fig. 8 is a schematic skeleton diagram Erläu ⁇ esterification of the peak current in the first stage according to Fig. 4,
  • FIG. 9 schematically shows a diagram for an intermediate circuit voltage at a two-stage clocked electronic energy converter according to the invention in a normal mode
  • Fig. 10 shows schematically a diagram as Fig. 9 at high
  • Fig. 11 schematically shows a diagram as Fig. 9 at high
  • Fig. 12 shows schematically a diagram illustrates ⁇ represents the start-up of an energy converter according to the invention.
  • FIG. 1 An equivalent circuit diagram for an electrolytic capacitor is shown in FIG.
  • the electrolytic capacitor which is generally designated by the reference numeral 10, has a usable capacity of 12, is ge ⁇ switched to the series in the ESR fourteenth
  • the equivalent circuit diagram of an electrolytic capacitor illustrated in FIG. 1 is based on the generic application in the at least two-stage electronic ballast. Such a Elektrolytkondensa ⁇ tor is used in a two-stage electronic energy converter 20 as shown in FIG. 4 as a DC link capacitor 28.
  • FIG. 2 shows a diagram with measuring prototypes relating to an impedance and the ESR at different frequencies and temperatures of a typical electrolytic capacitor such as the electrolytic capacitor 10 according to FIG. 1.
  • the abscissa indicates the frequency in Hertz on a logarithmic scale, whereas the ordinate also indicates logarithmic scale, the impedance and ESR are given in ohms, respectively.
  • Above the diagram a table is shown, which allows an assignment of the different ⁇ curves of the diagram to temperature values of the electrolytic capacitor.
  • the ESR of the electrolytic capacitor is much higher than at 85 ° C, usually by a factor in the range of 10 to 20.
  • this also applies to the intermediate circuit electrolytic capacitor, as in at least two-stage electronic energy converter 20 is used as a ballast.
  • a window driver that is, a driver with a large output characteristic field, in particular with respect to current and voltage, an output current range is for example 250 mA to about 1 A. An output power range of about 0.9 W to 90 W is covered.
  • the electronic ballast starts at the maximum power, that is, at maxima ⁇ ler output power of 90 W, on embnikelekt- rolytkondensator 28, a large voltage swing, the sequence, for example +/- 80 V. This can cause the light to a the lamp connected to the ballast flickers or the electronic ballast switched off ⁇ tet to avoid improper operating conditions.
  • due to self heating of the ballast ⁇ high ESR at low temperatures usually is not a problem for long-term operation.
  • the ESR itself of the electrolytic capacitor supports a fast heating up of the electrolytic capacitor and, through this to ⁇ additional self-heating that the electrolytic capacitor leaves the field of low temperature, thus achieving the intended operation after a loading ⁇ operating time.
  • Such a heating curve shows, for example, FIG. 3 in a diagram in which the time on the abscissa and the temperature on the ordinate in C are plotted.
  • FIG. 3 shows, for example, FIG. 3 in a diagram in which the time on the abscissa and the temperature on the ordinate in C are plotted.
  • the electrolytic capacitor reaches a temperature of 0 ° C. after a certain operating time.
  • the luminous temperature and with the ambient temperature for the ballast further increase.
  • the behavior of an actively cooled electronic ballast is shown.
  • the electrolytic capacitor ensures in this way even for a corresponding heating.
  • the electronic ballast for its determ ⁇ ed usage a computer unit in the form of a microcontroller or the like as a control unit which at the same time also detects an ambient temperature. It is thus possible to reduce the output power to such an extent that it is possible to operate at reduced power even before the desired maximum power is provided. As soon as the electrolytic capacitor has sufficiently warmed up, the desired maximum output power is automatically set.
  • a solution to this problem can be achieved in that an electrolytic capacitor with a correspondingly large capacitance and / or a correspondingly large temperature range in the electronic ballast is provided. is used.
  • Another possibility for improving the circuit technology can be achieved by connecting a large film capacitor in parallel to the DC link electrolytic capacitor.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram representation of a two-stage clocked electronic energy converter 20 of the generic type, as often used in a gat- proper electronic ballast used.
  • Fig. 4 shows a two-stage clocked electronic power converter 20, which serves to transmit an electrical power.
  • the energy converter 20 has as the first connection two connection terminals 38, 40, by means of which the energy converter 20 can be connected to a non-illustrated electrical energy source such as a public energy supply network ⁇ or the like.
  • a first stage 1 of the energy converter 20 comprises egg ne electronic inductor 22, the on ⁇ circuit further comprising a to the terminal 38 and with a Connection to an electronic switching element 26, here a switching transistor, is connected.
  • the switching transistor is presently designed as a MOS-FET whose source terminal is connected to the terminal 40. Its drain connection is connected in addition to the electrical connection with the inductance 22 to an anode of a diode 24.
  • the cathode of the diode 24 is connected to a DC link capacitor 28, which in turn is also connected to the terminal 40.
  • the inductor 22, the MOS-FET 26 and the diode 24 form the first stage of the electronic energy converter 20.
  • the first stage of the energy converter 20 works before ⁇ lying in the high setting, whereby an electrical voltage at the first terminal in an electrical intermediate circuit voltage on the DC link capacitor 28 is converted, which increases the voltage at the first terminal ⁇ .
  • an electronic Wennele- element 30 On the DC link capacitor 28 is also an electronic Wennele- element 30, in the present case also designed as a MOS-FET, connected with its drain terminal as the second stage 2 of the energy converter 20.
  • the source terminal of the MOS-FET 30 is connected to a cathode of a diode 32 and another inductor 34.
  • An anode terminal of the diode 32 is connected to the terminal 40.
  • With a second terminal of the inductor 34 this is connected to a capacitor 36 and a terminal 42 of a second terminal for on ⁇ closing a consumer.
  • the capacitor ⁇ tor 36 is also connected to its second terminal to the terminal 40, to which also the terminal 44 of the second terminal is connected.
  • the second stage 2 of the energy converter 20 works before ⁇ lying in the step-down mode.
  • An electrical voltage provided at the capacitor 36 is thus smaller than the intermediate circuit voltage at the intermediate circuit capacitor 28, which in the present case is designed as an electrolytic capacitor.
  • FIG. 5 shows the intended operation of the boost converter in boost mode according to the first stage.
  • the time is shown, whereas on the ordinate the current through the inductor 22 is shown.
  • the MOSFET 26 is turned on for a predetermined period of time, so that the current through the inductor 22 increases substantially linearly from 0 up to a maximum value.
  • the MOS-FET 26 is switched off ⁇ and the current commutated via the diode 24 in the electrolytic capacitor 28, which forms the intermediate circuit capacitor in the present case.
  • the current flow through the inductance 22 and the diode 24 decreases approximately linearly until the energy in the inductance 22 is reduced.
  • FIG. 6 shows the operation of the step-down converter of the stage 2, wherein on the abscissa also the time and on the ordinate of the current through the MOS-FET 30 are shown. It can be seen that the MOS-FET 30 is switched on in the coordinate origin, whereupon a current is supplied from the intermediate circuit capacitor 28 via the MOS-FET 30 and the input signal. ductility 34 takes place in the capacitor 36. The current increases approximately linearly up to a maximum value. Upon reaching the maximum value, the MOS-FET 30 is turned off and the current through the MOS-FET 30 decreases to zero. Via the diode 32, 30, the current flow can be obtained through the inductor 34 so long ⁇ right after turning off the MOS-FET to the information stored in its energy is reduced.
  • the first stage generates a positive voltage rise at the DC link capacitor 28 as a result of the charging current.
  • the second stage generates a negative voltage through the discharge current for the DC link capacitor 28, which acts in the opposite direction to the positive voltage increase caused by the first stage.
  • the two stages of the energy converter 20 are not synchronized, so that the two aforementioned effects greatly increase a voltage amplitude of the intermediate circuit voltage at the intermediate circuit capacitor 28.
  • the DC link capacitor which is designed as Elektrolytkon- capacitor, has an ESR, which is indeed much lower for high frequencies than at 100 Hz, but the peak currents of the energy converter 20 are significantly higher than the average current.
  • An example in which the high-frequency peak current is larger by a factor of 4 is shown with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 8 shows a principal equivalent circuit diagram for an electronic energy converter, as already described with reference to FIG. 4 with respect to stage 1.
  • a elekt ⁇ -driven consumer in the form of an electrical resistance object 46 is connected to the intermediate circuit capacitor 28.
  • the interim ⁇ intermediate circuit capacitor 28 which is arranged between two high-frequency converter stages, namely stage 1 and stage 2, with the result that when changing clamping ⁇ voltage operation, the ripple voltage at the intermediate circuit capacitor 28 due to the 100 -Hz ripple with the voltages due to the high-frequency ripple superimpose.
  • the ESR is lower for high-frequency currents, the high-frequency peak currents are higher. Therefore, at start-up of the energy converter 20 follow ⁇ de points should be noted:
  • Fig. 9 shows a schematic diagram representation of a graph for the intermediate circuit voltage at the intermediate circuit capacitor in a normal mode, wherein the para ⁇ zisse represents a time axis and the ordinate represents the intermediate circuit voltage.
  • FIG. 10 schematically shows a diagram like FIG. 9, in which case the intermediate circuit capacitor 28, which is an electrolytic capacitor, has a high ESR.
  • the intermediate circuit capacitor 28 which is an electrolytic capacitor
  • the maximum power is taken from the intermediate circuit capacitor 28. It can be seen that the amplitude is both significantly increased in Be ⁇ train to the mains frequency and in terms of the ripple.
  • FIGS. 9 to 10 show operating states of the power converter 20 of FIG. 4 with corresponding operation where ⁇ at the first terminal a mains alternating voltage is connected as a supply voltage.
  • the power take-off is regulated by the two ⁇ th stage such that a predetermined voltage comparison value is not undershot, that is, a current minimum of the intermediate circuit voltage is greater than the predetermined voltage comparison value.
  • the voltage comparison value is identified here by reference numeral 50.
  • the performance of the second stage is set such that the maximum Zvi ⁇ link voltage 52 is not exceeded. This is determined on the basis of the rated voltage of the energy converter 20.
  • FIG. 11 is an illustration of the use of the high ESR of the DC link capacitor 28 at a low power taken by the second stage of the energy converter 20. Accordingly increases a voltage comparison value set 54 so that A possible ⁇ lichst rapid heating of the electrolytic capacitor he ⁇ can also be sufficient.
  • FIG. 12 shows a schematic diagram of a startup of a two-stage clocked electronic energy converter, such as the energy converter 20 of FIG. 4, using the method of the invention.
  • the abscissa shows the time again, whereas the ordinate indicates the corresponding values of the parameters given in the diagram.
  • the power rises linearly from 0 until time 1 and then increases according to a curve up to the desired value of the power.
  • the temperature of the intermediate circuit capacitor 28 is increased to a temperature at which a Equilibrium ⁇ weight sets.
  • a voltage reference value called minimum bus voltage here is adjusted according to the un ⁇ ter Kunststofflichen operating conditions.
  • the mi ⁇ nimale Bussschreib in Figure 12 is the real measured Mi ⁇ nimum within half a mains period (10ms). This results in the present invention because a lower limit is finiert de- represented by the lower plateau intra ⁇ half of the course of real measured minimum. This limit is always fixed.
  • the minimum BUS voltage is linearly reduced to a predetermined value.
  • the minimum BUS voltage is kept constant until it increases linearly in a subsequent period 3 again, and then to be kept constant at the time reached there after the period 3.
  • the embodiment is merely illustrative of the invention and is not limitative of it.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler (20) zum Übertragen einer elektrischen Leistung, mit einem ersten Anschluss (38, 40) zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle, einem zweiten Anschluss (42, 44) zum Anschließen eines Verbrauchers (46) und einem Zwischenkreiskondensator (28), wobei eine erste Stufe (1) des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) einen ersten Wandler im Hochsetzbetrieb aufweist, der eine elektrische Spannung am ersten Anschluss (38, 40) in eine elektrische Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator (28) wandelt, und wobei der Zwischenkreiskondensator (28) eine zweite Stufe (2) des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) versorgt, die den Verbraucher (46) in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt. Erfindungsgemäß weist der Energiewandler eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die von der zweiten Stufe (2) dem Zwischenkreiskondensator (28) entnommene Leistung derart einzustellen, dass ein durch die Leistungsentnahme bewirktes momentanes Minimum der Zwischenkreisspannunggrößer als ein vorgegebener Spannungsvergleichswert (50, 54) ist.

Description

Beschreibung
Zweistufiger getakteter elektronischer Energiewandler
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler zum Übertragen einer elektrischen Leistung, mit einem ersten Anschluss zum An- schließen einer elektrischen Energiequelle, einem zweiten Anschluss zum Anschließen eines Verbrauchers und einem Zwischenkreiskondensator, wobei eine erste Stufe des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers einen ersten Wandler im Hochsetzbetrieb aufweist, der ei- ne elektrische Spannung am ersten Anschluss in eine elektrische Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator wandelt, und wobei der Zwischenkreiskondensator eine zweite Stufe des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers versorgt, die den Verbraucher in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Leuchtvorrichtung mit einem Leuchtmittel und einem elektrischen Anschluss zum Anschließen der Leuchtvorrichtung an eine elektrische Energiequelle. Schließlich betrifft die Er- findung ein Verfahren zum Betrieb eines einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers zum Übertragen einer elektrischen Leistung von einer an dem Energiewandler angeschlossenen elektrischen Energiequelle an einen eben- falls an dem Energiewandler angeschlossenen Verbraucher, wobei eine erste Stufe des zweistufigen getakteten elekt¬ ronischen Energiewandlers einen ersten Wandler im Hochsetzbetrieb nutzt, der eine eingangsseitige elektrische Spannung der elektrischen Energiequelle in eine elektri- sehe Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator wandelt, welcher Zwischenkreiskondensator eine zweite Stufe des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers mit elektrischer Energie versorgt, welche zweite Stufe den Verbraucher in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt.
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem wenigstens zweistufigen elektronischen Vorschaltgerät mit einer Boost Power Fac¬ tor Control (PFC) -Stufe am Eingang und einem Zwischen- kreiselektrolytkondensator . Bei Elektrolytkondensatoren ist neben der Kapazität ein wichtiger Parameter der äquivalente Serienwiderstand (ESR) , mit dem Verluste des Elektrolytkondensators im bestimmungsgemäßen Betrieb wie Ohm' sehe Leitungsverluste, dielektrische Umpolungsverlus- te und/oder dergleichen zusammengefasst erfasst werden. Der ESR kann den bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektrolytkondensators erheblich beeinträchtigen.
Insbesondere bei tiefen Temperaturen ist der Wert des ESR sehr groß. Dadurch ergeben sich Funktionsprobleme bei ei- nem Kaltstart des Vorschaltgeräts . Im Stand der Technik wird versucht, diese Probleme mit Hilfe von Materialein¬ satz zu lösen. Dies ist sowohl hinsichtlich der Entwicklung geeigneter Vorschaltgeräte aufwändig als auch mit zusätzlichen Kosten und Materialaufwand bei dem Vor- schaltgerät verbunden. Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, bei einem gege¬ benen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler einen Betrieb auch bei tiefen Temperaturen zu ermöglichen, ohne in die die Leistung stellenden Bauelemente des Energiewandlers eingreifen zu müssen.
Als Lösung wird ein zweistufiger getakteter elektronischer Energiewandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Weiterhin wird eine Leuchtvorrichtung gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 5 vorgeschlagen. Verfahrensseitig wird ein Betrieb eines einen Zwischen- kreiskondensator aufweisenden zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers gemäß dem unabhängigen Anspruch 6 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestal¬ tungen der Erfindung ergeben sich durch Merkmale der ab- hängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, den ESR des Zwi- schenkreiskondensators zu nutzen, um den Zwischenkreis- kondensator möglichst rasch zu erwärmen. Zu diesem Zweck soll ein Rippel auf der Zwischenkreisspannung im bestim- mungsgemäßen Betrieb möglichst groß sein, so dass durch den ESR ein möglichst großer Stromfluss bewirkt wird, der eine entsprechende Wärmeleistung zur Folge hat. Der Rip¬ pel ist eine, in der Regel hochfrequente, Spannungs¬ schwankung der Zwischenkreisspannung und entsteht auf der Zwischenkreisspannung durch den getakteten Betrieb der beiden Stufen des Energiewandlers. Zugleich ist der Rippel hinsichtlich seiner Amplitude derart zu begrenzen, dass unerwünschte Effekte auf Teile oder die Gesamtheit des Energiewandlers weitgehend vermieden werden. Insbe- sondere ist zu berücksichtigen, dass das Unterschreiten einer minimalen Zwischenkreisspannung zum Abschalten von weiteren Komponenten des Wandlers oder an ihn angeschlossener Verbraucher führen kann und/oder ein direkter Stromfluss von der Energiequelle in den Zwischenkreiskon- densator unter Umgehung des Hochsetzbetriebs der ersten Stufe erfolgen kann.
Zu diesem Zweck ist energiewandlerseitig vorgesehen, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die von der zweiten Stufe dem Zwischenkreiskondensa- tor entnommene Leistung derart einzustellen, dass ein durch die Leistungsentenahme bewirktes momentanes Minimum der Zwischenkreisspannung größer als ein vorgegebener Spannungsvergleichswert ist. Durch geeignete Wahl des vorgegebenen Spannungsvergleichswerts kann erreicht wer¬ den, dass ein unzulässiges Unterschreiten der Zwischenkreisspannung vermieden werden kann. Die vorgenannten Probleme können durch geeignete Wahl des Spannungsvergleichswerts somit weitgehend vermieden werden. Die zu übertragende Leistung ist in der Regel die Leis¬ tung, die der Energiewandler der Energiequelle entnimmt und dem Verbraucher bereitstellt. Die zweite Stufe des Energiewandlers kann durch einen Tiefsetzsteller, aber auch durch einen Resonanzumrichter, Kombinationen hier- von, mehrere solcher Schaltungen und/oder dergleichen gebildet sein. Der Zwischenkreiskondensator kann durch einen elektronischen Kondensator gebildet sein, beispielsweise einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, insbesondere aber auch durch einen Elektrolytkondensator. Gerade bei Elektrolytkondensatoren, die als Zwischen- kreiskondensatoren eingesetzt werden, erweist sich die Erfindung als besonders vorteilhaft.
Damit das momentane Minimum der Zwischenkreisspannung, in der Regel durch den Rippel wesentlich mitbestimmt ist, beeinflusst werden kann, ist die von der zweiten Stufe dem Zwischenkreiskondensator entnommene Leistung einstellbar, das heißt, somit wird dem Verbraucher nur die Leistung bereitgestellt, die mittels der zweiten Stufe dem Zwischenkreiskondensator tatsächlich entnommen wird. Demzufolge ist die zweite Stufe hinsichtlich der entnom¬ menen Leistung vorzugsweise mittels der Steuereinheit steuerbar. Zugleich kann der Spannungsvergleichswert ebenfalls mittels der Steuereinheit bereitgestellt wer¬ den. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Steuereinheit auch die Vergleichsfunktion des Vergleichs der Zwischenkreisspannung mit dem Spannungsvergleichswert bereitstellt und eine entsprechende Steuerung beziehungs¬ weise Regelung für die zweite Stufe des Energiewandlers bewirkt. Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugswei- se dazu eingerichtet, die Zwischenkreisspannung auf mo¬ mentane Minima hin zu überwachen, das heißt, vorzugsweise in einzelnes Minimum der Zwischenkreisspannung zu ermitteln, insbesondere hinsichtlich des Spannungswertes. Dies kann als Grundlage für die weitere Steuerung dienen. In einer konkreten Ausgestaltung bei einem elektronischen Vorschaltgerät kann ein Spannungshub am Zwischenkreis- elektrolytkondensator mittels des Mikroprozessors als Steuereinheit erfasst werden. In Abhängigkeit des erfass- ten Spannungshubs wird sodann der Ausgangsstrom bezie- hungsweise die Ausgangsleistung eingestellt. Sobald der Spannungshub in einem unkritischen Bereich, beispielswei- se +/- 50 V, liegt, dies entspricht einem kleinen ESR, kann die gewünschte Ausgangsleistung angefahren werden.
Mit der Erfindung kann der Einsatz von Elektrolytkondensatoren mit großer Kapazität, die deutlich teurer sind, vermieden werden. Außerdem können Elektrolytkondensatoren verwendet werden, die einen hohen ESR bei tiefen Tempera¬ turen aufweisen. Dies kann sogar vorteilhaft sein, weil dann eine möglichst rasche Erwärmung des Elektrolytkondensators erreicht werden kann. Ferner steigt bei Alterung des Elektrolytkondensators in der Regel der ESR an. Durch die Erfindung werden somit Ausfälle am Lebensdauerende weitgehend reduziert, da mit einem kleineren Strom beziehungsweise einer kleineren Leistung gestartet werden kann. Folglich steigt die Qua- lität des elektronischen Vorschaltgerätes. Beispielsweise kann unter diesen Umständen eine längere Lebensdauer garantiert werden, denn es müssen bei der Berechnung der Lebensdauer nicht mehr so große Toleranzfenster berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann eine größere Unab- hängigkeit bei der Auswahl von Elektrolytkondensatoren erreicht werden. Ein wichtiger vorteilhafter Aspekt ist, dass der Einsatz eines elektronischen Vorschaltgerätes bis zu tiefen Temperaturen von -30 bis -40° C ermöglicht werden kann. Die Erfindung nutzt im Wesentlichen eine Kombination aus zwei Maßnahmen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erreichen. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist es, die abgenommene Leistung der zweiten Stufe 2 derart zu be¬ grenzen, dass die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreis- kondensator, der in der Regel als Elektrolytkondensator ausgebildet ist, keine Extremwerte annimmt. Folglich wird die Leistung derart begrenzt, dass die minimale Spannung des Zwischenkreises nicht unter einen bestimmten vorgege¬ benen Vergleichswert absinkt, das heißt, größer als der Vergleichswert ist. Ein zweckmäßiger Wert für den Spannungsvergleichswert liegt beispielsweise geringfügig un¬ terhalb einer minimalen Zwischenkreisspannung im bestimmungsgemäßen Betrieb. Damit kann vermieden werden, dass eine maximale Zwischenkreisspannung am Elektrolytkonden- sator zu groß wird.
In dieser Offenbarung ist eine „Boost"-Stufe eine Stufe eines gattungsgemäßen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers, die im Hochsetzbetrieb betrieben wird. Der Begriff „Boost" bedeutet demnach einen Hoch- setzbetrieb. Entsprechend bedeutet „Buck" einen Tiefsetz¬ betrieb .
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Spannungsvergleichswert unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von einem zeitlich entsprechenden Momentanwert der elektrischen Spannung am ersten Anschluss ermittelten Momentanspannungsvergleichswerts ge¬ bildet ist und die Leistungsentnahme derart eingestellt wird, dass das momentane Minimum der Zwischenkreisspannung den Momentanspannungsvergleichswert im Wesentlichen erreicht. Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass die Eingangsspannung am ersten Anschluss eine nicht-konstante Spannung sein kann, insbesondere eine Wechselspannung. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, den Spannungsvergleichswert als Momentanspannungsvergleichswert auszubil- den, der in Abhängigkeit der momentan am ersten Anschluss anliegenden Spannung nachgeführt werden kann, um auf die- se Weise den erfinderischen Effekt auch bei nicht konstanten Spannungen am ersten Anschluss weiter zu verbessern. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Moment- anspannungsvergleichswert der Spannung am ersten An- schluss entspricht oder diese um einen gewissen Betrag überschreitet, der beispielsweise mittels eines Faktors und/oder mittels eines festen Ergänzungswerts bestimmt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass die zweite Stufe des zweistufigen getakteten elekt¬ ronischen Energiewandlers einen zweiten Wandler im Tiefsetzbetrieb oder einen Resonanzwandler aufweist. Natürlich kann auch eine Kombination von mehreren Wandlern am Zwischenkreiskondensator angeschlossen sein, die vorzugs- weise entsprechend steuerbar sind. Dadurch lässt sich die Erfindung sehr gut auf elektronische Vorschaltgeräte des Standes der Technik anwenden, so dass auch eine Nachrüs¬ tung bereits vorhandener elektronischer Vorschaltgeräte mit der Erfindung möglich ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Zwischenkreiskondensator einen Temperatursensor auf. Der Temperatursensor kann beispielsweise durch ein Thermoelement, einen NTC-Widerstand, eine Infrarotmesseinrichtung oder dergleichen gebildet sein. Vorzugsweise ist der Tem- peratursensor an einer Oberfläche des Zwischenkreiskon- densators angebracht oder kontaktiert diesen. Darüber hinaus kann der Temperatursensor natürlich auch in den Zwischenkreiskondensator integriert sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor mittels Kleben oder Klemmen am Zwischenkreiskondensator befestigt sein. Diese Ausgestaltung erlaubt es, für die Steuerung die Temperatur des Zwischenkreiskondensators zu nutzen. Insbesondere kann natürlich vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Ablauf in Abhängigkeit von der Unterschreitung einer Vergleichstemperatur aktiviert wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der erfindungsgemäße Ablauf nur dann aktiviert wird, wenn er aufgrund der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, erforderlich ist.
Wird zusätzlich noch die Umgebungstemperatur vor dem Start beispielsweise des elektronischen Vorschaltgerätes erfasst, kann der Ausgangsstrom beziehungsweise die Aus¬ gangsleistung entsprechend vorbelegt werden, damit ein sicherer Start vom elektronischen Vorschaltgerät gewährleistet werden kann. Die mit der Erfindung vorgeschlagene Leuchtvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtvorrichtung einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler gemäß der Erfindung aufweist, der als Verbraucher das Leuchtmittel in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt. Dadurch können die mit dem erfindungs¬ gemäßen Energiewandler erreichten Vorteile und Eigenschaften auch mit der Leuchtvorrichtung erreicht werden. Gerade bei der Leuchtvorrichtung erweist sich dies als vorteilhaft, da die Zuverlässigkeit des bestimmungsgemä- ßen Betriebs deutlich verbessert werden kann, insbesonde¬ re bei tiefen Temperaturen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme von elektronischen Vorschaltgeräten, beispielsweise in Bezug auf Flackern, Blinken oder dergleichen, können erheblich reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden. Vorzugsweise ist der An- schluss der Leuchtvorrichtung durch den ersten Anschluss des Energiewandlers gebildet. Am zweiten Anschluss des Energiewandlers kann das Leuchtmittel als Verbraucher an¬ geschlossen sein.
Verfahrensseitig sieht die Erfindung insbesondere vor, dass die von der zweiten Stufe dem Zwischenkreiskondensa- tor entnommene Leistung derart eingestellt wird, dass ein durch die Leistungsentnahme bewirktes momentanes Minimum der Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Spannungsvergleichswert überschreitet. Das heißt, dass das momen- tane Minimum der Zwischenkreisspannung den Spannungsvergleichswert nicht unterschreitet. Dadurch können die zur Vorrichtung genannten Vorteile und Eigenschaften erreicht werden .
Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass als Spannungsvergleichswert ein in Abhängigkeit von einem zeitlich entsprechenden Momentanwert der elektrischen Spannung am ersten Anschluss ermittelter Momentanspan- nungsvergleichswert verwendet wird und das momentane Mi¬ nimum der Zwischenkreisspannung den Momentanspannungsver- gleichswert im Wesentlichen erreicht. Dadurch wird er¬ reicht, dass der Zwischenkreiskondensator mit einem maximal möglichen Strom beaufschlagt wird, der noch einen bestimmungsgemäßen Betrieb des Energiewandlers erlaubt, so dass mittels des ESR des Zwischenkreiskondensators eine möglichst rasche Erwärmung erreicht werden kann. Auf die bereits zuvor bezüglich des Energiewandlers genannten Vorteile wird verwiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die erste Stufe auf einen Mittelwert der Zwischenkreisspan- nung geregelt wird. Dies erlaubt es, den Betrieb des Energiewandlers weiter zu optimieren. So kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit über einen entsprechenden Umschaltmechanismus verfügt, mit dem die Regelung auf den Spannungsmittelwert eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Zwischen- kreisspannung überwacht wird und die erste Stufe bei Überschreiten einer Bemessungsspannung des Energiewandlers abgeschaltet wird. Die Bemessungsspannung ist die Spannung, für die der Energiewandler im bestimmungsgemä- ßen Betrieb maximal ausgelegt ist. Die Bemessungsspannung ist auch von der Normung erfasst, weshalb ergänzend zur Definition auf die Normung verwiesen wird. Hierdurch kann eine Schutzfunktion bereitgestellt werden, die sicherstellt, dass die Durchführung des Verfahrens der Erfin- dung den Energiewandler nicht beschädigt. Die Zuverläs¬ sigkeit des Betriebs des Energiewandlers kann hierdurch weiter verbessert werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass bei Unterschreiten der Bemessungsspannung durch die Zwischenkreis- Spannung die erste Stufe automatisch wieder aktiviert wird. Dieses Merkmal ist im Zusammenhang mit der automa¬ tischen Abschaltung des Energiewandlers, wie zuvor disku¬ tiert, zu sehen, so dass eine automatische Wiederaufnahme des bestimmungsgemäßen Betriebs realisiert werden kann, sobald die Spannung am Zwischenkreiskondensator die Bemessungsspannung wieder unterschreitet. Dadurch können manuelle Eingriffe weitgehend vermieden werden und die Ergonomie des Betriebs kann erhöht werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Energie- wandler eingangsseitig eine Wechselspannung verwendet und derart gesteuert wird, dass ein eingangsseitiger Leis¬ tungsfaktor maximiert wird. Hierdurch können Netzrückwirkungen reduziert werden, insbesondere, damit durch die Normung gesetzte Grenzwerte eingehalten werden können, aber auch, um weitere elektrische Einrichtungen hinsicht¬ lich ihres Betriebs optimieren zu können. Insbesondere umfasst dieses Merkmal auch eine sogenannte Leistungsfaktorregelung beziehungsweise Leistungsfaktorsteuerung, auch Power Factor Control oder PFC genannt.
Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, dass eine Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators er- fasst wird. Dies erlaubt es, das Verfahren temperaturab¬ hängig zu adaptieren und eine entsprechende Steuerwirkung zu erreichen. Darüber hinaus kann hierdurch erreicht werden, dass das Verfahren der Erfindung nur bei Unterschreiten eines Temperaturvergleichswertes ausgeführt wird. Diese kann die Ergonomie des Energiewandlers oder auch daran angeschlossener Verbraucher verbessern. Deshalb wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die er- fasste Temperatur mit einem Temperaturvergleichswert ver¬ glichen wird und das Einstellen der Leistung der zweiten Stufe nur bei Unterschreiten des Vergleichswerts durchge¬ führt wird. Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Erfassen der Temperatur mit einem Einschalten des Energiewandlers automa¬ tisch durchgeführt wird. Auf diese Weise kann bereits beim Einschalten entschieden werden, ob das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig beziehungs- weise erforderlich ist. Schließlich kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass als zweite Stufe ein zweiter Wandler im Tiefsetzbe¬ trieb oder ein Resonanzwandler verwendet wird. Auf die Vorteile und Eigenschaften des entsprechenden Wandlers wird verwiesen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung regelt die erste, als Boost ausgeführte Stufe derart, dass die PFC-Bedingung erfüllt ist und der Mittelwert der Ausgangsspannung gere¬ gelt wird. Hohe Ausgangsspannungen, die aufgrund eines hohen ESR des Zwischenkreiskondensators entstehen, können weitgehend ignoriert werden, weil sie zunächst keinen Einfluss auf den Mittelwert haben. Um Bauteile des Wand¬ lers sicher schützen zu können, wird vorzugsweise eine Überspannungsabschaltung implementiert, welche die Rege- lung auf den PFC bei zu hohen Spannungen kurzzeitig deaktiviert. Hierdurch können die Bauteile beider Stufen des Energiewandlers zuverlässig vor einer Überspannung ge¬ schützt werden. Zugleich ist zu beachten, dass der Zwi- schenkreiskondensator, nämlich der Elektrolytkondensator, weniger geladen wird, wenn im Spannungsmaximum einfach abgeschaltet wird. Damit kann ein Absinken der minimalen Zwischenkreisspannung die Folge sein, so dass die Gefahr einer Abschaltung steigt. Durch geeignete Leistungsrege¬ lung der zweiten Stufe kann dies jedoch reduziert werden. Auch wenn zuvor im Wesentlichen auf die Leistung bezüglich der Wirkung der Erfindung abgestellt worden ist, sind die Gedanken der Erfindung gleichermaßen auf eine entsprechende Stromregelung beziehungsweise Stromübertra¬ gung anwendbar. Insbesondere kann zwischen diesen Größen unter Nutzung der entsprechenden Spannung in bekannter Weise umgerechnet werden. Um nicht beim allerersten Start mit einer zu großen Leistung anzufahren, ist es zweckmäßig, den Energiewandler mit einer möglichst geringen Leistung zu starten. Eine Möglichkeit, dieses zu erreichen, ist der Einsatz eines Integral-Reglers für die Ausgangsleistung beziehungsweise den Ausgangsstrom des Energiewandlers. Wird der Regler entsprechend niedrig initialisiert, steigt die Leistung von einem sehr kleinen Wert aus an.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Be- Schreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale der Erfindung .
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein elektronisches Ersatzschaltbild für einen Elektrolytkondensator,
Fig. 2 schematisch ein Diagramm für die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des ESR und der Impe- danz des Elektrolytkondensators gemäß Fig. 1,
Fig. 3 schematisch ein Diagramm einer Aufheizkurve ausgewählter Bauteile eines Vorschaltgerätes ,
Fig. 4 schematisch ein Schaltbild für einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler, wie er der Erfindung zugrundeliegt, Fig. 5 schematisch ein Diagramm für einen Stromfluss in einer ersten Stufe des Energiewandlers gemäß Fig. 4,
Fig. 6 schematisch ein Diagramm für einen Stromfluss durch ein elektronisches Schaltelement der zweiten Stufe des Energiewandlers gemäß Fig. 4,
Fig. 7 schematisch ein Diagramm für einen Stromfluss in der ersten Stufe des Energiewandlers gemäß Fig. 4, Fig. 8 ein schematisches Prinzipschaltbild zur Erläu¬ terung des Spitzenstroms in der ersten Stufe gemäß Fig. 4,
Fig. 9 schematisch ein Diagramm für eine Zwischen- kreisspannung an einem zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler gemäß der Erfindung in einem Normalbetrieb,
Fig. 10 schematisch ein Diagramm wie Fig. 9 bei hohem
ESR und maximaler Leistung,
Fig. 11 schematisch ein Diagramm wie Fig. 9 bei hohem
ESR und geringer Leistung, und
Fig. 12 schematisch ein Diagramm, welches den Anlauf eines Energiewandlers gemäß der Erfindung dar¬ stellt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Mit steigender Lebensdauer des Elektrolytkondensators sinkt grundsätzlich seine tatsächlich nutzbare Kapazität, wohingegen der ESR seinen Wert erhöht. Ergänzend wirken Umweltparameter auf den ESR ein, beispielsweise steigt bei niedrigen Temperaturen der Wert des ESR an. Ein Ersatzschaltbild für einen Elektrolytkondensator ist in Fig. 1 dargestellt. Der Elektrolytkondensator, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, weist eine nutzbare Kapazität 12 auf, zu der in Serie der ESR 14 ge¬ schaltet ist. Das in Fig. 1 dargestellte Ersatzschaltbild eines Elektrolytkondensators liegt der gattungsgemäßen Anwendung bei dem wenigstens zweistufigen elektronischen Vorschaltgerät zugrunde. Ein solcher Elektrolytkondensa¬ tor wird bei einem zweistufigen elektronischen Energiewandler 20 gemäß Fig. 4 als Zwischenkreiskondensator 28 eingesetzt . Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit Messprototollen bezüglich einer Impedanz und des ESR bei verschiedenen Frequenzen und Temperaturen eines typischen Elektrolytkondensators wie dem Elektrolytkondensator 10 gemäß Fig. 1. Auf der Abszisse ist im logarithmischen Maßstab die Frequenz in Hertz angegeben, wohingegen auf der Ordinate ebenfalls im logarithmischen Maßstab die Impedanz und der ESR jeweils in Ohm angegeben sind. Oberhalb des Diagramms ist eine Tabelle dargestellt, die eine Zuordnung der unterschied¬ lichen Kurven des Diagramms zu Temperaturwerten des Elektrolytkondensators erlaubt.
Insgesamt zeigt sich, dass bei Raumtemperatur, beispiels¬ weise bei 25° C und tiefen Temperaturen, beispielsweise - 25° C der ESR des Elektrolytkondensators wesentlich höher als bei 85° C ist, in der Regel um einen Faktor im Be- reich von 10 bis 20. Dies gilt natürlich ebenso für den Zwischenkreiselektrolytkondensator, wie er im wenigstens zweistufigen elektronischen Energiewandler 20 als Vor- schaltgerät Verwendung findet. Bei einem Window-Treiber, das heißt, ein Treiber mit großem Ausgangskennlinienfeld, insbesondere bezüglich Strom und Spannung, liegt ein Aus- gangsstrombereich beispielsweise bei 250 mA bis etwa 1 A. Dabei wird ein Ausgangsleistungsbereich von etwa 0,9 W bis 90 W abgedeckt. Wird das elektronische Vorschaltgerät bei maximaler Leistung gestartet, das heißt, bei maxima¬ ler Ausgangsleistung von 90 W, ist am Zwischenkreiselekt- rolytkondensator 28 ein großer Spannungshub die Folge, beispielsweise +/- 80 V. Dies kann dazu führen, dass das Licht einer an dem Vorschaltgerät angeschlossenen Leuchte flackert oder das elektronische Vorschaltgerät abschal¬ tet, um unzulässige Betriebszustände zu vermeiden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass aufgrund der Eigen¬ erwärmung des Vorschaltgerätes der hohe ESR bei niedrigen Temperaturen in der Regel kein Problem für einen dauerhaften Betrieb darstellt. Gerade der ESR selbst des Elektrolytkondensators unterstützt ein schnelles Aufhei- zen des Elektrolytkondensators und sorgt durch diese zu¬ sätzliche Eigenerwärmung dafür, dass der Elektrolytkondensator den Bereich der niedrigen Temperatur verlässt und somit der bestimmungsgemäße Betrieb nach einer Be¬ triebszeit erreicht. Eine solche Aufheizkurve zeigt bei- spielsweise Fig. 3 in einem Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Temperatur in C aufgetragen sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, erreicht der Elektrolytkondensator selbst bei einer dauerhaft niedrigen Umgebungstemperatur von -25° C nach einer bestimmten Betriebszeit eine Temperatur von 0° C. Im praktischen Betrieb werden die Leuchtentemperatur und da- mit die Umgebungstemperatur für das Vorschaltgerät weiter ansteigen. In Fig. 3 ist folglich das Verhalten eines aktiv gekühlten elektronischen Vorschaltgeräts dargestellt. Unabhängig von der Temperatur neigen Elektrolytkondensa- toren aufgrund der hohen Verluste bei hohem ESR dazu, sich wenigstens so weit aufzuheizen, bis der ESR so nied¬ rig geworden ist, dass kein weiteres Aufheizen mehr stattfindet. Es stellt sich folglich ein Gleichgewicht ein. Der Elektrolytkondensator sorgt auf diese Weise selbst für eine entsprechende Erwärmung.
Bezogen auf das Problem mit dem Vorschaltgerät bei sehr niedrigen Temperaturen, wie zuvor erläutert, bedeutet dies, dass sich durch die Eigenerwärmung des Elektrolyt¬ kondensators der ESR verringert und somit sich ebenfalls der Spannungshub am Zwischenkreiselektrolytkondensator reduziert, so dass die bestimmungsgemäß gewünschte maxi¬ male Leistung eingestellt werden kann. Üblicherweise weist das elektronische Vorschaltgerät für seinen bestim¬ mungsgemäßen Betrieb eine Rechnereinheit in Form eines Microcontrollers oder dergleichen als Steuereinheit auf, die zugleich auch eine Umgebungstemperatur erfasst. So ist es möglich, noch vor Bereitstellung der gewünschten maximalen Leistung die Ausgangsleistung so weit zu reduzieren, dass ein Betrieb bei reduzierter Leistung ermög- licht ist. Sobald sich der Elektrolytkondensator hinreichend erwärmt hat, wird automatisch auf die gewünschte maximale Ausgangsleistung gestellt.
Eine Lösung dieser Problematik kann dadurch erreicht werden, dass ein Elektrolytkondensator mit einer entspre- chend großen Kapazität und/oder einem entsprechend großen Temperaturbereich im elektronischen Vorschaltgerät ge- nutzt wird. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglich¬ keit, den zulässigen Umgebungstemperaturbereich für den bestimmungsgemäßen Betrieb des elektronischen Vorschalt- geräts entsprechend einzuschränken, beispielsweise auf einen Bereich von -15° C bis +50° C anstelle von -30° C bis +50° C. Auch hierbei kann ein Flackern auftreten, bis der Zwischenkreiselektrolytkondensator hinreichend aufgewärmt ist. Eine weitere Möglichkeit, schaltungstechnisch eine Verbesserung zu bewirken, kann durch Parallelschal- ten eines großen Folienkondensators zum Zwischenkreis- elektrolytkondensator erreicht werden. Diese Maßnahmen sind jedoch mit einem nicht unerheblichen Kostenanteil und mit Auswirkungen auf den Aufbau des elektronischen Vorschaltgeräts verbunden, weshalb diese Maßnahmen nur bei extremen Situationen zum Einsatz kommen. Die Problemstellung soll anhand von Fig. 4 weiter erläutert werden, die in schematischer Schaltbilddarstellung einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler 20 der gattungsgemäßen Art zeigt, wie er häufig in einem gat- tungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerät zum Einsatz kommt .
Fig. 4 zeigt einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler 20, der zum Übertragen einer elektrischen Leistung dient. Der Energiewandler 20 weist als ersten Anschluss zwei Anschlussklemmen 38, 40 auf, mittels denen der Energiewandler 20 an eine nicht weiter dargestellte elektrische Energiequelle wie einem öffentlichen Energie¬ versorgungsnetz oder dergleichen angeschlossen werden kann. Eine erste Stufe 1 des Energiewandlers 20 weist ei- ne elektronische Induktivität 22 auf, die mit einem An¬ schluss an die Anschlussklemme 38 und mit einem weiteren Anschluss an ein elektronisches Schaltelement 26, hier ein Schalttransistor, angeschlossen ist. Der Schalttransistor ist vorliegend als MOS-FET ausgebildet, dessen Source-Anschluss an die Anschlussklemme 40 angeschlossen ist. Sein Drain-Anschluss ist neben der elektrischen Verbindung mit der Induktivität 22 an eine Anode einer Diode 24 angeschlossen. Die Kathode der Diode 24 ist an einen Zwischenkreiskondensator 28 angeschlossen, der seinerseits ebenfalls an die Anschlussklemme 40 angeschlossen ist. Die Induktivität 22, der MOS-FET 26 und die Diode 24 bilden die erste Stufe des elektronischen Energiewandlers 20. Die erste Stufe des Energiewandlers 20 arbeitet vor¬ liegend im Hochsetzbetrieb, wodurch eine elektrische Spannung am ersten Anschluss in eine elektrische Zwi- schenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 28 gewandelt wird, die die Spannung am ersten Anschluss über¬ steigt .
Am Zwischenkreiskondensator 28 ist ferner als zweite Stufe 2 des Energiewandlers 20 ein elektronisches Schaltele- ment 30, vorliegend ebenfalls als MOS-FET ausgebildet, mit seinem Drain-Anschluss angeschlossen. Der Source- Anschluss des MOS-FET 30 ist an eine Kathode einer Diode 32 und eine weitere Induktivität 34 angeschlossen. Ein Anodenanschluss der Diode 32 ist an die Anschlussklemme 40 angeschlossen. Mit einem zweiten Anschluss der Induktivität 34 ist diese an einen Kondensator 36 sowie eine Anschlussklemme 42 eines zweiten Anschlusses zum An¬ schließen eines Verbrauchers angeschlossen. Der Kondensa¬ tor 36 ist mit seinem zweiten Anschluss ebenfalls an die Anschlussklemme 40 angeschlossen, an die auch die An- schlussklemme 44 des zweiten Anschlusses angeschlossen ist .
Die zweite Stufe 2 des Energiewandlers 20 arbeitet vor¬ liegend im Tiefsetzbetrieb . Eine am Kondensator 36 be- reitgestellte elektrische Spannung ist somit kleiner als die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 28, der vorliegend als Elektrolytkondensator ausgebildet ist.
Fig. 5 zeigt den bestimmungsgemäßen Betrieb des Hochsetzstellers im Hochsetzbetrieb gemäß der ersten Stufe. Auf der Abszisse ist die Zeit dargestellt, wohingegen auf der Ordinate der Strom durch die Induktivität 22 dargestellt ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist der MOS-FET 26 für eine vorgegebene Zeitspanne eingeschaltet, so dass der Strom durch die Induktivität 22 beginnend bei 0 bis zu einem maximalen Wert im Wesentlichen linear ansteigt. Im Bereich des Strommaximums wird der MOS-FET 26 abge¬ schaltet und der Strom kommutiert über die Diode 24 in den Elektrolytkondensator 28, der vorliegend den Zwischenkreiskondensator bildet. Der Stromfluss durch die Induktivität 22 und die Diode 24 nimmt etwa linear ab, bis die Energie in der Induktivität 22 abgebaut ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strom durch die Induktivität 22 0 und der MOS-FET 26 wird erneut eingeschaltet, wodurch ein neuer Zyklus folgt. Fig. 6 zeigt den Betrieb des Tiefsetzstellers der Stufe 2, wobei auf der Abszisse ebenfalls die Zeit und auf der Ordinate der Strom durch den MOS-FET 30 dargestellt sind. Zu erkennen ist, dass der MOS-FET 30 im Koordinatenursprung eingeschaltet wird, woraufhin ein Strom vom Zwi- schenkreiskondensator 28 über den MOS-FET 30 und die In- duktivität 34 in den Kondensator 36 erfolgt. Der Strom steigt in etwa linear an bis zu einem maximalen Wert. Bei Erreichen des maximalen Wertes wird der MOS-FET 30 ausgeschaltet und der Strom durch den MOS-FET 30 sinkt auf 0 ab. Über die Diode 32 kann nach Abschalten des MOS-FET 30 der Stromfluss durch die Induktivität 34 so lange auf¬ recht erhalten werden, bis die in ihr gespeicherte Energie abgebaut ist.
Folgende Effekte wirken sich bei dieser Schaltung gemäß Fig. 4 negativ aus:
Die erste Stufe erzeugt durch den Ladestrom einen positiven Spannungsanstieg am Zwischenkreiskondensa- tor 28.
Die zweite Stufe erzeugt durch den Entladestrom für den Zwischenkreiskondensator 28 eine negative Spannung, welche in Gegenrichtung zum positiven Spannungsanstieg, bewirkt durch die erste Stufe, wirkt.
Die beiden Stufen des Energiewandlers 20 sind in der Regel nicht synchronisiert, so dass die beiden vor- genannten Effekte eine Spannungsamplitude der Zwi- schenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 28 stark erhöhen.
Der Zwischenkreiskondensator, der als Elektrolytkon- densator ausgebildet ist, weist einen ESR auf, der für hohe Frequenzen zwar deutlich niedriger ist als bei 100 Hz, dafür sind jedoch die Spitzenströme des Energiewandlers 20 deutlich höher als der mittlere Strom. Anhand der Fig. 7 und 8 wird ein Beispiel gezeigt, bei dem der Hochfrequenzspitzenstrom um den Faktor 4 größer ist.
Fig. 8 zeigt ein prinzipielles Ersatzschaltbild für einen elektronischen Energiewandler, wie er anhand der Fig. 4 bezüglich der Stufe 1 bereits beschrieben ist. Im Unterschied zu Fig. 4 ist an den Zwischenkreiskondensator 28 nicht die zweite Stufe 2, sondern stattdessen ein elekt¬ rischer Verbraucher in Form eines elektrischen Wider- Stands 46 angeschlossen. In Fig. 4 sind weitere Parameter angegeben, nämlich eine Eingangsspannung von 200 V an den Anschlussklemmen 38, 40, eine Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 28 von 400 V und eine Leistung des Verbrauchers 46 von 100 W. Aus den angegebenen Werten ergibt sich ein mittlerer Strom zu 100 W/200 V = 0,5 A. Entsprechend ergibt sich dazu ein Spitzenstrom zu 1 A. Dies ist im Diagramm der Fig. 7 dargestellt, das auf der Abszisse die Zeit darstellt und auf der Ordinate den Strom durch die Induktivität 22, hier iBoost darstellt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass der mittlere Strom, hier als Imean bezeichnet, halb so groß ist wie der in Fig. 7 dargstellte Peak-Strom.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass der Zwi¬ schenkreiskondensator 28, der zwischen zwei Hochfrequenz- wandler-Stufen, nämlich der Stufe 1 und der Stufe 2, angeordnet ist, dazu führt, dass sich beim Wechselspan¬ nungsbetrieb die Rippelspannungen am Zwischenkreiskondensator 28 aufgrund des 100-Hz-Rippels mit den Spannungen aufgrund des Hochfrequenz-Rippels überlagern. Der ESR ist bei Hochfrequenzströmen zwar niedriger, dafür sind die Hochfrequenz-Spitzenströme höher . Beim Anlaufen des Energiewandlers 20 sind deshalb folgen¬ de Punkte zu beachten:
Es dürfen keine zu hohen Spannungen am Zwischenkreiskondensator 28 auftreten. Diese können nicht nur den Elektrolytkondensator gefährden, sondern vor allem auch die beteiligten elektronischen Bauelemente, insbesondere die Halbleiterbauteile des Energie¬ wandlers 20, zum Beispiel MOS-FETs, Dioden und/oder dergleichen .
Sehr niedrige Spannungen am Zwischenkreiskondensator 28 können hingegen zum Abschalten des gesamten Gerätes führen. Dies erfolgt aufgrund von Sicherheits¬ schaltungen, um Flackern bei Betrieb von Leuchten zu vermeiden und/oder ein angeschlossenes Leuchtmittel zu schützen.
Es sollte vorzugsweise kein wiederholtes An- und Ab¬ schalten erfolgen, weil das Flackern beziehungsweise Blinken des Lichtes als sehr störend empfunden wird.
Dieses Verhalten ist ein wesentlicher Grund, warum gattungsgemäße Vorschaltgeräte nicht für sehr niedrige Tem¬ peraturen, beispielsweise kleiner als -20° C, zugelassen sind. Im Stand der Technik wird deshalb zumeist nur ge¬ testet, bis zu welchem ESR das Gerät noch zuverlässig startet oder, alternativ, es wird ein ausreichend guter und teurer Elektrolytkondensator als Zwischenkreiskondensator eingesetzt. Jede Änderung am Energiewandler 20 beziehungsweise auch die Qualifizierung neuer Elektrolyt¬ kondensatoren als Zwischenkreiskondensatoren nimmt sehr viel Zeit in Anspruch und ist teuer. Fig. 9 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung einen Graph für die Zwischenkreisspannung am Zwischen- kreiskondensator in einem Normalbetrieb, wobei die Abs¬ zisse eine Zeitachse darstellt und die Ordinate die Zwi- schenkreisspannung . Fig. 9 zeigt den Normalbetrieb mit einer Zwischenkreisspannung, die im Rhythmus einer am ersten Anschluss des Energiewandlers 20 anliegenden Wech¬ selspannung schwankt. Zu erkennen ist, dass eine Rippel- spannung überlagert ist, welche aufgrund des Betriebs der beiden Stufen des Energiewandlers 20 entsteht.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Diagramm wie Fig. 9, wobei hier der Zwischenkreiskondensator 28, der ein Elektrolytkondensator ist, einen hohen ESR aufweist. Zugleich wird mittels der zweiten Stufe des Energiewandlers 20 die ma- ximale Leistung aus dem Zwischenkreiskondensator 28 entnommen. Zu erkennen ist, dass die Amplitude sowohl in Be¬ zug auf die Netzfrequenz als auch in Bezug auf den Rippel erheblich erhöht ist.
Die Fig. 9 bis 10 zeigen Betriebszustände des Energie- wandlers 20 gemäß Fig. 4 bei entsprechendem Betrieb, wo¬ bei am ersten Anschluss eine Netzwechselspannung als Versorgungsspannung angeschlossen ist. Zu erkennen ist, dass gemäß der Erfindung die Leistungsentnahme durch die zwei¬ te Stufe derart geregelt ist, dass ein vorgegebener Span- nungsvergleichswert nicht unterschritten wird, das heißt, dass ein momentanes Minimum der Zwischenkreisspannung größer als der vorgegebene Spannungsvergleichswert ist. Der Spannungsvergleichswert ist hier mit dem Bezugszei¬ chen 50 gekennzeichnet. Zugleich ist die Leistung der zweiten Stufe derart eingestellt, dass die maximale Zwi¬ schenkreisspannung 52 nicht überschritten wird. Diese ist anhand der Bemessungsspannung des Energiewandlers 20 festgelegt .
Aus Fig. 10 ist ersichtlich, dass der ESR des Zwischen- kreiskondensators 28 genutzt wird, um den Zwischenkreis- kondensator 28 zu erwärmen. Dies ist insbesondere zweckmäßig in Bezug auf die mit Fig. 3 dargestellte Eigen¬ schaft, dass nämlich der Zwischenkreiskondensator sich rasch erwärmt aufgrund des hohen ESR und dies zugleich zu einer Reduzierung des ESR führt, bis ein Gleichgewichts- zustand eingestellt ist.
Fig. 11 zeigt eine Darstellung der Nutzung des hohen ESR des Zwischenkreiskondensators 28 bei einer niedrigen Leistung, die durch die zweite Stufe des Energiewandlers 20 entnommen wird. Entsprechend erhöht ist ein Spannungs- vergleichswert 54 vorgegeben, so dass auch hier eine mög¬ lichst rasche Erwärmung des Elektrolytkondensators er¬ reicht werden kann.
Fig. 12 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung einen Anlauf eines zweistufig getakteten elektronischen Energiewandlers wie dem Energiewandler 20 der Fig. 4 unter Nutzung des Verfahrens der Erfindung. Auf der Abszisse ist wieder die Zeit aufgetragen, wohingegen auf der Ordinate die entsprechenden Werte der im Diagramm angegebenen Parameter angegeben sind. Zu erkennen ist, dass die Leistung bis zum Zeitpunkt 1 linear von 0 ansteigt und dann gemäß einer Kurve bis zum gewünschten Wert der Leistung weiter ansteigt. Zu erkennen ist ferner, dass sich während des Leistungsanstiegs der Wert des ESR des Zwi¬ schenkreiskondensators 28 asymptotisch reduziert bis auf einen Wert im bestimmungsgemäßen Betrieb. Entsprechend erhöht sich die Temperatur des Zwischenkreiskondensators 28 bis auf eine Temperatur, bei der sich ein Gleichge¬ wicht einstellt.
Zu erkennen ist ferner, dass ein Spannungsvergleichswert, hier minimale BUS-Spannung genannt, entsprechend der un¬ terschiedlichen Betriebszustände angepasst wird. Die mi¬ nimale Bussspannung in Fig 12 ist das real gemessene Mi¬ nimum innerhalb einer halben Netzperiode (10ms). Dieses ergibt sich erfindungsgemäß, weil eine untere Grenze de- finiert ist, dargestellt durch das untere Plateau inner¬ halb des Verlaufs des real gemessenen Minimums. Diese Grenze ist immer fix. In einem ersten Abschnitt 1, bei dem die Leistung von 0 linear ansteigt, wird die minimale BUS-Spannung entsprechend linear auf einen vorgegebenen Wert reduziert. In einem zweiten Zeitraum 2 wird die minimale BUS-Spannung konstant gehalten, bis sie in einem darauf folgenden Zeitraum 3 wieder linear ansteigt, um dann im Anschluss des Zeitraums 3 auf den dort erreichten Wert konstant gehalten zu werden. Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.
So können natürlich Funktionen, insbesondere elektronische Bauteile und der Energiewandler, beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten glei¬ chermaßen für den erfindungsgemäßen Energiewandler und umgekehrt. Folglich können für Verfahrensmerkmale ent¬ sprechende Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.

Claims

- 2S
Ansprüche
Zweistufiger getakteter elektronischer Energiewandler (20) zum Übertragen einer elektrischen Leistung, mit einem ersten Anschluss (38, 40) zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle, einem zweiten Anschluss (42, 44) zum Anschließen eines Verbrauchers (46) und einem Zwischenkreiskondensator (28), wobei eine erste Stufe (1) des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) einen ersten Wandler im Hochsetzbetrieb aufweist, der eine elektrische Spannung am ersten Anschluss (38, 40) in eine elektrische Zwi- schenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator (28) wandelt, und wobei der Zwischenkreiskondensator (28) eine zweite Stufe (2) des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) versorgt, die den Verbraucher (46) in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit die dazu eingerichtet ist, die von der zweiten Stufe (2) dem Zwischenkreiskondensator (28) entnommene Leistung derart einzustellen, dass ein durch die Leistungsentnahme bewirktes momentanes Mi¬ nimum der Zwischenkreisspannung größer als ein vorgegebener Spannungsvergleichswert (50, 54) ist.
Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsvergleichswert (50, 54) unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von einem zeitlich entsprechenden Momentanwert der elektrischen Spannung am ersten Anschluss (38, 40) ermittelten Mo- mentanspannungsvergleichswerts gebildet ist und die Leistungsentnahme derart eingestellt wird, dass das momentane Minimum der Zwischenkreisspannung den Mo- mentanspannungsvergleichswert im Wesentlichen er¬ reicht .
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe (2) des zweistu¬ figen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) einen zweiten Wandler im Tiefsetzbetrieb oder einen Resonanzwandler aufweist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensa tor einen Temperatursensor (28) aufweist.
Leuchtvorrichtung mit einem Leuchtmittel und einem elektrischen Anschluss zum Anschließen der Leuchtvorrichtung an eine elektrische Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtvorrichtung einen zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, der als Verbraucher das Leuchtmittel in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt. 6. Verfahren zum Betrieb eines einen Zwischenkreiskon- densator (28) aufweisenden zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) zum Übertragen einer elektrischen Leistung von einer an dem Energiewandler angeschlossenen elektrischen Energiequelle an einen ebenfalls an dem Energiewandler angeschlossenen
Verbraucher (46), wobei eine erste Stufe des zweistu¬ figen getakteten elektronischen Energiewandlers (20) einen ersten Wandler im Hochsetzbetrieb nutzt, der eine eingangsseitige elektrische Spannung der elekt¬ rischen Energiequelle in eine elektrische Zwischen¬ kreisspannung am Zwischenkreiskondensator (28) wandelt, welcher Zwischenkreiskondensator (28) eine zweite Stufe des zweistufigen getakteten elektronischen Energiewandlers mit elektrischer Energie ver¬ sorgt, welche zweite Stufe den Verbraucher (46) in der Leistung steuerbar mit elektrischer Energie versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zwei¬ ten Stufe dem Zwischenkreiskondensator (28) entnommene Leistung derart eingestellt wird, dass ein durch die Leistungsentnahme bewirktes momentanes Minimum der Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Spannungsvergleichswert (50, 54) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsvergleichswert (50, 54) ein in Ab¬ hängigkeit von einem zeitlich entsprechenden Momentanwert der elektrischen Spannung am ersten An- schluss ermittelter Momentanspannungsvergleichswert verwendet wird und das momentane Minimum der Zwi¬ schenkreisspannung den Momentanspannungsvergleichs- wert im Wesentlichen erreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die erste Stufe auf einen Mittelwert der Zwischenkreisspannung geregelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung überwacht wird und die erste Stufe bei Überschreiten ei- ner Bemessungsspannung des Energiewandlers (20) abge¬ schaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der Bemessungsspannung durch die Zwischenkreisspannung, die erste Stufe automa¬ tisch wieder aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (20) ein- gangsseitig eine Wechselspannung verwendet und derart gesteuert wird, dass ein eingangsseitiger Leistungs¬ faktor maximiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators (28) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Temperatur mit einem Temperaturvergleichswert verglichen wird und das Einstellen der Leistung der zweiten Stufe nur bei Unterschreiten des Vergleichswerts durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Temperatur mit einem Einschalten des Energiewandlers (20) automatisch durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Stufe ein zweiter Wandler im Tiefsetzbetrieb oder ein Resonanzwandler verwendet wird.
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