Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Stromversor- gungseinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Eine nach diesem Verfahren arbeitende Stromversorgungs- einrichtung ist aus der US-Patentschrift 5 235 504 be- kannt. Sie enthält eine Vielzahl von Komparatoren, die unter anderem Meßwerte des Eingangsstroms auf der Wech- selstromseite der Stromversorgungseinrichtung mit kon- stanten Bezugsgrößen und die Ausgangsspannung des Gleichrichters ebenfalls mit einer konstanten Bezugs- größe vergleichen. In Abhängigkeit von der Gleichrich- ter-Ausgangsspannung wird die Frequenz eines Oszilla- tors und in Abhängigkeit von dessen Ausgangsfrequenz und den Ausgangssignalen der Vergleicher die Schaltfre- quenz der Schalter gesteuert. Der Aufbau dieser Strom- versorgungseinrichtung ist aufwendig.

Aus der europäischen Patentanmeldung 0 779 700 A2 ist eine ähnliche Stromversorgungseinrichtung bekannt, die ebenfalls eine Vielzahl von Komparatoren aufweist und bei der der Verbraucherstrom gemessen und einem vorbe- stimmten sinusähnlichen Kurvenverlauf nachgeregelt wird. Die Betätigung der Schalter erfolgt in Abhängig- keit von der Überschreitung eines Grenzwertes durch verschiedenste Meßgrößen, einschließlich dem Verbrau- cherstrom. Die Schalter werden dabei jedoch so betä- tigt, daß der Strom während der Schaltvorgänge nicht auf Null abfällt. Durch die auf der Gleichstromseite

liegende Drosselspule fließt dabei im Mittel ein rela- tiv hoher Gleichstrom, so daß die Drosselspule eine verhältnismäßig hohe Verlustleistung umsetzt und dem- entsprechend groß auszulegen ist. Darüber hinaus sind die Dioden beim Einschalten (Schließen bzw. in den lei- tenden Zustand Steuern) der Schalter wegen des hohen Mittelwerts des Stroms während der Sperrerholungszeit der Dioden kurzzeitig in Sperrichtung leitend, was eine zusätzliche höhere Verlustleistung bedeutet. Da der hierbei auftretende, etwa nadelförmige, in Sperrichtung fließende Stromimpuls steile Flanken hat, verursacht er darüber hinaus Störsignale im Funkfrequenzbereich.

Ein wesentliches Ziel bei den geschilderten bekannten Stromversorgungseinrichtungen ist eine Leistungsfaktor- korrektur, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. So wird bei der Stromversorgungseinrichtung nach der EP 0 779 700 A2 ein relativ hoher Leistungsfaktor von 0,97 erreicht. Sie erfüllt auch die in der internationalen Norm IEC 1000-3-2,1995-03 vorgeschriebenen Höchstgren- zen der Harmonischen und ihrer Amplitude im Netzstrom, doch ist eine derartige Stromversorgungseinrichtung aufwendig und daher zum Einsatz in Geräten, die in sehr großen Stückzahlen in Serie hergestellt werden, z. B. in drehzahlgeregelten Haushaltskompressoren, zu kostspie- lig, obwohl sie mit nur einer Drosselspule auskommt, in die sich der Aufwärts-und der Abwärtswandler zeitlich teilen, da die Steuerung bei nur einer Drosselspule zu kompliziert ist, im Gegensatz zu Netzgeräten, bei denen für jeden Wandler eine eigene Drosselspule vorgesehen ware.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs ge- nannten Art anzugeben, dessen Durchführung bzw. deren Aufbau einfacher ist, die aber dennoch die erwähnte Norm IEC 1000-3-2 erfüllen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 3 gekennzeichnet.

Bei dieser Lösung kommt man mit nur drei Vergleichern und ohne Oszillator zur Steuerung der Schaltfrequenz der Schalter aus. Die Grenzwerte ändern sich in Abhän- gigkeit von dem Ausgangssignal der Stromversorgungsein- richtung, gegebenenfalls der Drehzahl eines den Verbraucher bildenden Motors, die wiederum ein Maß für die Ausgangsgleichspannung ist, während sich die Um- schaltzeitpunkte der Schalter in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom ändern, wobei sowohl die Änderung der Grenzwerte als auch die des Strommeßsignals einen Aus- gleich von Änderungen der Regelgröße (Gleichspannung) über den Regelkreis der Regeleinrichtung bewirken.

Das Verfahren kann in der Weise ausgestaltet sein, daß der erste Schalter im Aufwärtswandlungsmodus einge- schaltet ist und währenddessen der zweite Schalter aus- geschaltet wird, wenn das ansteigende Strommeßsignal den zweiten Grenzwert erreicht, und eingeschaltet wird, wenn das abfallende Strommeßsignal den ersten Grenzwert erreicht, und daß im Abwärtswandlungsmodus der zweite Schalter ausgeschaltet ist und währenddessen der erste Schalter eingeschaltet wird, wenn das abfallende Strom- meßsignal den ersten Grenzwert erreicht, und ausge- schaltet wird, wenn das ansteigende Strommeßsignal den dritten Grenzwert erreicht.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der zweite und der dritte Grenzwert dem Ausgangssignal des Summiergliedes direkt proportional sind. Dies hat einen raschen Aus- gleich von Regelabweichungen bzw. Regeldifferenzen zur Folge.

Hierbei können die Grenzwerte an einem Spannungsteiler abgegriffen werden, der mit dem Ausgang des Summier- gliedes über einen Verstärker verbunden ist. Der Span- nungsteiler bewirkt auf einfache Weise die gewünschte Proportionalität zwischen den Grenzwerten und dem Aus- gangssignal des Summiergliedes.

Die Schalter können unmittelbar in Reihe geschaltet sein. Dies ermöglicht die Verwendung eines integrierten Schaltungsbauteils, auf dem die Schalter in Form von Halbleiter-Schaltern ausgebildet sind, wobei das Verle- gen separater Verbindungsleitungen für den Anschluß ei- ner, wie im bekannten Falle, zwischen den Schaltern liegenden Drosselspule, entfällt. Dabei kann das integ- rierte Schaltungsbauteil in IGBT-Technik (IGBT = Insu- lated Gate Bipolar Transistor) hergestellt und vorzugs- weise ebenso wie ein herkömmliches Schaltungsbauteil aufgebaut sein, das für einen durch die Gleichspannung betriebenen Wechselrichter einer Motorsteuerung verwen- det wird, d. h. anstelle von diskreten Halbleiter- Schaltern können herkömmliche in Serie hergestellte und dementsprechend kostengünstige IGBTs verwendet werden.

Wegen des nahe bei Null liegenden ersten Grenzwertes fällt der Verbraucherstrom praktisch in jeder Schaltpe- riode auf Null oder nahezu bis auf Null ab, so daß der Gleichstrommittelwert während der Schaltperioden rela- tiv gering ist und dementsprechend die Drosselspule kleiner ausgebildet werden kann. Desgleichen werden die Stromspitzen in Sperrichtung der Dioden und damit die Verlustleistung der Drosselspule sowie Störsignale im Funkfrequenzbereich weiter verringert.

Vorzugsweise ist ferner dafür gesorgt, daß die Steuer- einrichtung einen Schaltfrequenzbegrenzer aufweist, der durch Verzögerung des Einschaltzeitpunkts der Schalter, wenn seit dem letzten Einschaltzeitpunkt eine Mindest-

zeit nicht abgelaufen ist, ein Unterschreiten einer Mi- nimal-Schaltperiodendauer der Schalter und durch Vor- verlegung des Einschaltzeitpunkts der Schalter, wenn seit dem letzten Einschaltzeitpunkt eine Maximalzeit abgelaufen ist, ein Überschreiten einer Maximal- Schaltperiodendauer verhindert. Auf diese Weise werden die Schaltfrequenzen der Schalter nach oben und unten bzw. ihre Schaltperiodendauer nach unten und oben be- grenzt. So hätte eine zu hohe Schaltfrequenz zu hohe Schaltverluste der Schalter zur Folge, da die Schalt- verluste proportional zur Schaltfrequenz sind. Umge- kehrt hätte eine zu geringe Schaltfrequenz bzw. zu hohe Schaltperiodendauer eine zu hohe Belastung der Drossel- spule zur Folge.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Stromversor- gungseinrichtung und Fig. 2 Kurvendiagramme von Spannungen und Strömen, die in der Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1 auftreten.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 stellt eine Stromver- sorgungseinrichtung zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung UG aus einer Wechselspannung Uw eines Wechselstromversorgungsnetzes 1 für einen Verbraucher 2 schematisch dar. Sie enthält einen eingangsseitig an der Wechselspannung Uw liegenden Gleichrichter 3 in Brückenschaltung, an dessen Ausgang ein Filter 4 liegt.

Am Ausgang des Filters 4 liegen zwei unmittelbar in Reihe geschaltete Schalter S1 und S2, hier Halbleiter- schalter, vorzugsweise Schalttransistoren, die jeweils

als IGBT und beide in einem integrierten Schaltungsmo- dul ausgebildet sind. In Reihe mit den Schaltern S1, S2 liegt eine weitere Reihenschaltung aus einer Strom- meßeinrichtung 5 in Form eines ohmschen Widerstands R und einer Drosselspule L. Zwischen der Verbindungslei- tung 6 von Drosselspule L und Filter 4 und der vom Ver- bindungspunkt der beiden Schalter S1, S2 zum Verbrau- cher 2 führenden Zuleitung 7 liegt eine Diode D1. In der Zuleitung 7 liegt hinter dem Anschlußpunkt der Dio- de D1 eine weitere Diode D2, wobei die beiden Dioden D1 und D2 gleichsinnig in Reihe liegen. Zwischen der Zuleitung 7 nach der Diode D2 und der vom Verbraucher 2 zur Reihenschaltung aus Strommeßeinrichtung 5 und Drosselspule L führenden Rückleitung 8 liegt ein Glät- tungskondensator Co, an dem die Gleichspannung UG, d. h. die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrich- tung für den Verbraucher 2, abgenommen wird. Der Verbraucher 2 enthält einen Wechselrichter 9 mit der zugehörigen Zündimpulsgebereinrichtung zur Steuerung der Ventile des Wechselrichters, die die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 9 und damit die Drehzahl eines durch den Wechselrichter mit Betriebs- spannung versorgten Wechselstrommotors 10 bestimmt.

Ferner enthält der Wechselrichter 9 eine Meßeinrich- tung, deren Meßsignal X ein Maß für die Gleichspannung UG bzw. die Drehzahl des Motors 10 ist.

Das Filter 4 läßt die gleichgerichteten sinusförmigen Halbwellen der Ausgangsspannung des Gleichrichters 3 weitgehend ungeglättet durch, verhindert jedoch eine Rückwirkung der sehr viel höheren Schaltfrequenz der Schalter S1, S2 während des Betriebs auf die Wechsel- stromseite bzw. auf das Wechselstromversorgungsnetz 1.

Die Stromversorgungseinrichtung enthält ferner eine Steuereinrichtung 11 für die Schalter S1, S2. Diese Steuereinrichtung 11 und die vorstehend genannten Bau-

elemente bilden einen Teil eines Regelkreises zur Rege- lung der Gleichspannung UG des Verbrauchers 2 bzw. der Drehzahl des Motors 10. Der Regelkreis enthält ferner ein Summierglied 12 und einen diesem nachgeschalteten Verstärker 13, einen Regelverstärker, mit proportiona- lem Übertragungsverhalten. Dem Summierglied 12 werden ein den Sollwert der Gleichspannung UG bzw. der Dreh- zahl des Motors 10 darstellendes Signal W und das den Istwert der Gleichspannung UG bzw. der Drehzahl des Motors 10 darstellende Meßsignal X gegensinnig zuge- führt. Das Ausgangssignal Xw des Summiergliedes 12, die"Regelabweichung"oder"Regeldifferenz"wird über den Verstärker 13 an einen Spannungsteiler 14 gelegt, der aus einer Reihenschaltung von ohmschen Widerständen R1, R2 und R3 besteht. Zusätzlich zu dem Spannungstei- ler 14 enthält die Steuereinrichtung 11 drei Komparato- ren 15,16,17, eine mit den Ausgängen der Komparatoren 15 bis 17 verbundene Logik-Schaltung 18, auch Boole- sches Schaltwerk genannt, deren Ausgänge über eine Treiberschaltung 19 mit den Steueranschlüssen der Schalter S1, S2 verbunden sind, wobei die Treiber- schaltung 19 für jeden Schalter eine Treiberstufe 20 bzw. 21 mit jeweils einem (nicht dargestellten) Bootstrap-Kondensator enthält.

Dem einen Eingang der Komparatoren 15 bis 17 wird das Strommeßsignal I der Strommeßeinrichtung 5 zugeführt.

Am anderen Eingang des Komparators 15 liegt eine einen ersten Grenzwert A darstellende Spannung, die etwa gleich Null, d. h. gleich dem Bezugspotential ist. Am anderen Eingang des Komparators 16 liegt eine einen zweiten Grenzwert B darstellende Spannung, die am Span- nungsteiler 14 abgegriffen wird. Auch am anderen Ein- gang des Komparators 17 liegt eine am Vergleicher 14 abgegriffene Spannung, die einen dritten Grenzwert C darstellt, wobei der zweite Grenzwert B zwischen dem ersten Grenzwert A und dem dritten Grenzwert C liegt.

Die Grenzwerte A, B, C sind dem Ausgangssignal Xw des Summiergliedes 12 und auch dem Meßsignal X proportio- nal. Die Komparatoren 15 bis 17 erzeugen jeweils ein Ausgangssignal D, E und F, d. h. ein binäres 1-Signal, wenn das ihrem einen Eingang zugeführte Strommeßsignal I den ihrem anderen Eingang zugeführten Grenzwert A, B bzw. C überschreitet, und ein inverses Signal, wenn das Strommeßsignal I den jeweiligen Grenzwert unterschrei- tet. Die Ausgangssignale D, E und F der Komparatoren 15 bis 17 werden der Logikschaltung 18 zugeführt, die die- se Signale in vorbestimmter Weise verknüpft und in Ab- hängigkeit von dem Verknüpfungsergebnis an ihren beiden Ausgängen Einschaltsignale G und H erzeugt, die jeweils über die Treiberstufen 20,21 die Schaltelemente Si und S2 steuern.

Nachstehend sei die Wirkungsweise der Stromversorgungs- einrichtung nach Fig. 1 anhand der in Fig. 2 darge- stellten Diagramme näher erläutert.

Nach Fig. 2 (a) liegt die Wechselspannung Uw im Zeit- raum von to bis t1 während eines Aufwärtswandlungsmo- dus unterhalb des Betrags der Gleichspannung UG. Wäh- rend dieses Zeitraums ist der erste Schalter S1 einge- schaltet (geschlossen bzw. in den leitenden Zustand durchgesteuert). Da die Gleichspannung UG währenddes- sen größer als der Betrag der Wechselspannung Uw ist, fließt über das Schaltelement S1 kein Strom durch die Diode D2 in den Glättungskondensator Co bzw. zum Verbraucher 2. Dagegen wird der Schalter S2 gemäß Fig.

2 (b) abwechselnd, in verhältnismäßig großen Zeitabstän- den, d. h. mit relativ kleiner Frequenz, ein-und ausge- schaltet, d. h. getaktet, solange der Strom IL bzw. das Strommeßsignal I kleiner als der Grenzwert B ist. Das heißt, wenn das abfallende Strommeßsignal I den unteren Grenzwert A erreicht, wird der Schalter S2 eingeschal- tet. Dagegen wird der Schalter S2 wieder ausgeschal-

tet, wenn das ansteigende Strommeßsignal I den mittle- ren Grenzwert B erreicht, so daß der Strom IL und mit- hin das Strommeßsignal I wieder abfällt. Wenn der Be- trag der Wechselspannung Uw nach dem letztmaligen Aus- schalten des Schalters S2 die Gleichspannung UG über- schreitet (im Zeitpunkt tl), steigt das Strommeßsignal I noch vor dem Erreichen des unteren Grenzwertes A wie- der an, da der Schalter S1 im Zeitpunkt t1 weiterhin eingeschaltet ist. Im Zeitpunkt t2 überschreitet das Strommeßsignal I den mittleren Grenzwert B. Das darauf- hin aufgrund des Stromflusses durch den eingeschalteten Schalter S1 weiter ansteigende Strommeßsignal I er- reicht danach im Zeitpunkt t4 den oberen Grenzwert C.

In diesem Zeitpunkt wird der Schalter S1 ausgeschaltet und damit der Aufwärtswandlungsmodus beendet, während der Schalter S2 in dem sich anschließenden Abwärts- wandlungsmodus weiterhin ausgeschaltet bleibt. Das Strommeßsignal I nimmt jetzt vom Zeitpunkt t4 an wie- der ab, bis es den unteren Grenzwert A erreicht, um da- nach periodisch bzw. abwechselnd bis zum Zeitpunkt t6 durch den Schalter S1 ein-und ausgeschaltet zu wer- den. Danach wiederholen sich die Schaltvorgänge ent- sprechend dem Zeitraum von to bis tl, bis der Betrag der Wechselspannung Uw wieder die Gleichspannung UG überschreitet. Danach wiederholen sich dann die Schalt- vorgänge entsprechend dem Zeitraum von t1 bis t6, wo- bei im Zeitpunkt t6 wieder auf Aufwärtswandlungsmodus umgeschaltet wird. Die Umschaltung von Aufwärts-auf Abwärtswandlungsmodus, und umgekehrt, erfolgt mithin als Funktion des Stroms IL etwas verzögert gegenüber den Zeitpunkten, in denen die Wechselspannung Uw die Gleichspannung UG über-bzw. unterschreitet.

Im Nulldurchgang der Wechselspannung Uw kehrt sich die Richtung des in Fig. 2 (b) ebenfalls dargestellten Ver- laufs des Eingangsstroms IN (des Netzstroms) um, wäh- rend das Strommeßsignal I weiterhin positiv bleibt.

Die Zeitpunkte, wie t4 und t6, in denen von Aufwärts- auf Abwärtswandlungsmodus, und umgekehrt, umgeschaltet wird, werden nur durch Überwachung des Strom IL be- stimmt. Mithin braucht die Wechselspannung Uw nicht gemessen zu werden oder bekannt zu sein ; wie erwähnt, wird von Aufwärtswandlungsmodus auf Abwärtswandlungsmo- dus umgeschaltet, wenn der Strom IL den ersten Grenz- wert A nicht erreicht und danach den zweiten Grenzwert B überschreitet, und von Abwärtswandlungs-auf Auf- wärtswandlungsmodus umgeschaltet, wenn der Strom, aus- gehend vom unteren Grenzwert A den mittleren Grenzwert B nicht erreicht, sondern wieder auf den unteren Grenz- wert A abfällt. In der Praxis wird diese Umschaltung dann durchgeführt, wenn dem Schalter S1 des Abwärts- wandlers ein Einschaltsignal zugeführt wird und der Strom IL nicht ansteigt. Das kann anhand des Ausgangs- signals D des Komparators 15 festgestellt werden. Die Grenzwerte A, B und C stehen in einem festen Verhältnis zueinander, das durch die Widerstände R1, R2 und R3 bestimmt wird. Der Grenzwert C ist immer größer als der Grenzwert B. Vorzugsweise sind die Grenzwerte über eine Periode der Wechselspannung Uw konstant. Würden sie dagegen dem sinusförmigen Verlauf der Wechselspannung folgen, wäre es zwar möglich, den Leistungsfaktor noch weiter zu steigern, doch würde sich der Schaltungsauf- wand gleichzeitig erhöhen.

Mit zunehmender Belastung der Stromversorgungseinrich- tung durch den Verbraucher 2, d. h. zunehmendem Verbrau- cherstrom, steigt der Maximalwert des durch die Dros- selspule L bzw. die Strommeßeinrichtung 5 fließenden Stroms IL, während die Gleichspannung UG abfällt und dadurch das Ausgangssignal Xw des Summiergliedes 12 und mithin die Spannung am Spannungsteiler 14 ansteigt.

Demzufolge nehmen auch die Grenzwerte B und C zu, und die Schaltfrequenz der Schalter S1, S2, mit der sie

abwechselnd ein-und ausgeschaltet werden, nimmt ab.

Eine Abnahme dieser Schaltfrequenz bedeutet wiederum einen Anstieg der Gleichspannung UG, wodurch die Ab- nahme der Gleichspannung UG wieder ausgeregelt wird.

Der untere Grenzwert A wird immer dann erreicht, wenn sich die Drosselspule L über die Dioden D1, D2 und der Glättungskondensator Co nach dem Ausschalten des Schalters S2 entladen hat. Der Mittelwert des Stroms IL ist daher im Vergleich zu dem Fall, daß der Strom IL nicht bis auf den unteren Grenzwert A bzw. den Wert Null abnimmt, klein, so daß die Diode D2 beim Ein- schalten des Schalters S2 durch einen geringeren Sperrstrom während der Sperrerholungszeit belastet wird. Beides trägt dazu bei, daß die Verlustleistung der Drosselspule L abnimmt und mithin ihre Abmessungen entsprechend geringer gewählt werden können.

Wenn ein starker Strom erforderlich ist, z. B. um einen Kompressor anlaufen zu lassen, kann der untere Grenz- wert A kurzzeitig erhöht werden, so daß der Mittelwert des Strom IL ansteigt.

Wegen der Abhängigkeit der Schaltfrequenz der Schalter S1, S2 von der Belastung enthält die Steuereinrichtung 11 in der Logikschaltung 18 einen nicht dargestellten Schaltfrequenzbegrenzer. Dieser verhindert durch Verzö- gerung des Einschaltzeitpunkts der Schalter S1, S2, wenn seit dem letzten Einschaltzeitpunkt eine Mindest- zeit nicht abgelaufen ist, ein Unterschreiten einer Mi- nimal-Schaltperiodendauer der Schalter S1, S2. Ferner verhindert er durch Vorverlegung des Einschaltzeit- punkts der Schaltelemente Si, S2, wenn seit dem letz- ten Einschaltzeitpunkt eine Maximalzeit abgelaufen ist, ein Überschreiten einer Maximal-Schaltperiodendauer.

Dies hat den Vorteil, daß eine zu große Verringerung des Wirkungsgrads der Stromversorgungseinrichtung bei Teilbelastung vermieden wird.