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Massnahme zur Erhoehung des Wirkungsgrades im Teillastbetrieb bei freischwingenden PFC-Schaltungen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000019684D
Original Publication Date: 2003-Oct-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Oct-25
Document File: 2 page(s) / 326K

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Siemens

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Abstract

Der Leistungsfaktor gibt in der Elektrotechnik das Verhaeltnis von Wirk- und Scheinleistung an. Normen, wie z.B. IEC61000-3-2, machen eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) erforderlich. Aktive Schaltungen zur PFC (Abb. 1), wie z.B. Hochsetzsteller regeln dazu die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert unabhaengig von der Eingangsspannung. Nachgeschaltete DC/DC- (DC, Direct Current; dt.: Gleichstrom) Wandler, wie z.B. Sperrwandler koennen dann auf diese vorgeregelte Spannung dimensioniert werden. Dadurch koennen passive und aktive Bauelemente im DC/DC-Teil kleiner und damit billiger ausfallen. Bei aktiven PFC-Schaltungen, die im sogenannten Critical Conduction Mode (Betrieb an der Lueckgrenze) arbeiten, steigen systembedingt die Schaltfrequenz und damit die Schaltverluste im Teillastbetrieb stark an. Viele Applikationen erfordern aber einen hohen Systemwirkungsgrad auch bei Teillastbetrieb, der ohne Zusatzmassnahmen nur schwer erreicht werden kann. Deshalb wird z.B. der PFC-Teil bei Erreichen der unteren Grenze der Ausgangsleistung abgeschaltet, was jedoch zum Absinken der Zwischenkreisspannung fuehrt. Mit dieser Abschaltung werden Lastspruenge nur noch dann handhabbar, wenn der DC/DC-Wandler so dimensioniert ist, als waere keine aktive PFC-Schaltung vorhanden. Damit muessen beide Wandler fuer den gesamten Eingangsspannungsbereich ausgelegt werden, womit der o.g. Kostenvorteil verloren geht. Um die Zwischenkreisspannung zu erhalten, kann der PFC-Teil auch im Aussetzbetrieb gefahren werden.

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S

© SIEMENS AG 2003 file: ifx_2003J52643.doc page: 1

Massnahme zur Erhoehung des Wirkungsgrades im Teillastbetrieb bei freischwingenden PFC-Schaltungen

Idea: Dr. Wolfgang Frank, DE-Muenchen; Sven Kolberg, DE-Muenchen; Michael Herfurth, DE- Muenchen

Der Leistungsfaktor gibt in der Elektrotechnik das Verhaeltnis von Wirk- und Scheinleistung an. Normen, wie z.B. IEC61000-3-2, machen eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) erforderlich. Aktive Schaltungen zur PFC (Abb. 1), wie z.B. Hochsetzsteller regeln dazu die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert unabhaengig von der Eingangsspannung. Nachgeschaltete DC/DC- (DC, Direct Current; dt.: Gleichstrom) Wandler, wie z.B. Sperrwandler koennen dann auf diese vorgeregelte Spannung dimensioniert werden. Dadurch koennen passive und aktive Bauelemente im DC/DC-Teil kleiner und damit billiger ausfallen. Bei aktiven PFC-Schaltungen, die im sogenannten Critical Conduction Mode (Betrieb an der Lueckgrenze) arbeiten, steigen systembedingt die Schaltfrequenz und damit die Schaltverluste im Teillastbetrieb stark an. Viele Applikationen erfordern aber einen hohen Systemwirkungsgrad auch bei Teillastbetrieb, der ohne Zusatzmassnahmen nur schwer erreicht werden kann. Deshalb wird z.B. der PFC-Teil bei Erreichen der unteren Grenze der Ausgangsleistung abgeschaltet, was jedoch zum Absinken der Zwischenkreisspannung fuehrt. Mit dieser Abschaltung werden Lastspruenge nur noch dann handhabbar, wenn der DC/DC-Wandler so dimensioniert ist, als waere keine aktive PFC-Schaltung vorhanden. Damit muessen beide Wandler fuer den gesamten Eingangsspannungsbereich ausgelegt werden, womit der o.g. Kostenvorteil verloren geht. Um die Zwischenkreisspannung zu erhalten, kann der PFC-Teil auch im Aussetzbetrieb gefahren werden.

Die hier vorgestellte Neuentwicklung ermoeglicht die Aufrechterhaltung der Zwischenkreisspannung bei gleichzeitiger Verminderung der Schaltverluste fuer Steuerungen im Critical Conduction Mode bei Teillastbetrieb. Der Kern dieser Idee liegt in der Verminderung der Schaltfrequenz. Dies wird durch Auslassen von Nulldurchgaengen des Signals vZCD erreicht, was zu einer Verzoegerung des Wiedereinschaltens des Schalttransistors fuehrt. Steuer-IC's (IC, Integrated Circuit; dt.: integrierter Schaltkreis) verwenden zur Erfassung des Entmagnetisierungszeitpunktes der Hochsetzstellerdrossel eine Zusatzwicklung auf dieser Drossel. Mit dem Entmagnetisierungszeitpunkt wechselt die Spannung der Zusatzwicklung die Polaritaet, was zum Wiedereinschalten des Transistors genutzt wird. Abbildung 2 stellt die Stromverlaeufe im Voll- und Teillastb...