AT413914B

AT413914B - Vorrichtung zur umwandlung einer eingangsspannung in zwei symmetrische, unipolare spannungen

Info

Publication number: AT413914B
Application number: AT0022104A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2006-07-15
Also published as: ATA2212004A

Description

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AT 413 914 B

Die Erfindung dient zur Umformung einer bipolaren, d.h. einer in beiden Richtungen auftreten könnenden Eingangsspannung in zwei, in Bezug auf die Eingangsspannung symmetrische Ausgangsspannungen, bzw. weiterführend in eine abermals in beide Richtungen mögliche Ausgangsspannung. Die um den Bezugspunkt symmetrischen Spannungen sind besonders bei 5 der Realisierung von Wechselspannungen von großem Nutzen, da der dann erforderliche Wechselrichter sehr einfach gestaltet werden kann. Auch beim Betrieb von Klasse D-Verstär-kern, von Mehrquadrantenantrieben für Gleichstrommaschinen oder Aktuatoren kann es sehr sinnvoll sein, symmetrische Versorgungsspannungen zu verwenden. Die symmetrische Spannung ist über das Tastverhältnis der Schalter Si und S2 variierbar. 10

In US 4 713 742 A (PARSLEY) wird ein aus zwei Buck-Zellen zusammengesetzter Tiefsetzsteller behandelt. Aus einer unipolaren Eingangsquelle wird eine unipolare Ausgangsspannung erzeugt. Die beiden aktiven Schalter werden vom gleichen Steuersignal angesteuert. Durch die Parallelschaltung der Konverterzellen, bestehend aus Induktivität, aktivem und passivem Schalls ter, kommt es zu einer Verringerung der Bauteilbelastung. Die Verbesserung liegt jedoch in der Kopplung der beiden Spulen; dadurch wird die Schaltung in Bezug auf die Stromaufteilung symmetriert.

Die gegenständliche Erfindung benötigt nahezu die gleiche Anzahl und Sorte von Bauelemen-2o ten, es sind hier jedoch zwei Ausgangskondensatoren nötig, da auch zwei zueinander um Masse symmetrische Spannungen erzeugt werden sollen. Die Ausgangsstufe nach Fig. 2 und Patentanspruch 3 der gegenständlichen Anmeldung scheint nicht durch US 4 713 742 A vorweggenommen, da einerseits dort die Schaltung von einer anderen Grundidee herkommt und andererseits dort keine symmetrische Eingangsspannung vorliegt. Wesentlich ist, dass sowohl eine 25 positive wie eine negative Spannung am Eingang vorhanden ist. Es ist immer wieder erstaunlich, wie man aus wenigen Bauteilen wieder neue, sinnvolle Schaltungen generieren kann. DE 102 21 592 A1 (Fraunhofer Gesellschaft) beschreibt einen Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Spannung in einen Wechselstrom. Der wesentliche 30 Unterschied zur gegenständlichen Erfindung ist, dass die Eingangsspannung keine Gleichspannung sein muss, sondern beliebige Polarität haben kann. Ebenso ist eine Eingangswechselspannung möglich. Und das bei geringerem Schaltungsaufwand.

Das besonders Interessante an der gegenständlichen Erfindung ist, dass mit zwei aktiven 35 Schaltern aus einer beliebig gepolten Spannung eine positive und eine in Bezug auf Masse negative Spannung erzeugt werden kann. Dies erleichtert die anschließende Wechselrichtung, da damit ein Mittelpunkt vorhanden ist. Ebenso können damit zwei Wechselnetze gekoppelt werden. Da die beiden Spulen von einander unabhängig sind, gibt es auch keine prinzipielle Begrenzung der übertragbaren Leistung, genügen daher in Summe nur 4 aktive Schalter, um 40 aus einer beliebig gepolten Eingangsspannung (oder einer Eingangswechselspannung) ein Einphasenwechselnetz zu erzeugen. Da die erste Stufe die Spannung an den Kondensatoren stellen kann, ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Ansteuerung vorhanden, der die Schaltverluste in der anschließenden Wechselrichterstufe vermindern kann, da die von der ersten Stufe generierte Spannung entsprechend der erforderlichen Netzspannung gestellt werden kann. 45 Daher erscheint die Kombination von an sich bekannten Wechselrichterstufen mit der in der gegenständlichen Erfindung dargestellten Umformerstufe einen zusätzlichen Kombinationseffekt zu bringen. Durch Vervielfachung der Wechselrichterstufen lässt sich prinzipiell ein Mehrphasennetz erzeugen. so Figur 1 zeigt das Grundkonzept des hier vorgeschlagenen Umformers zur Erzeugung von symmetrischen, unipolaren Ausgangsspannungen. Figur 2 zeigt die Erweiterung mit einem Wechselrichter. Es handelt sich dabei um eine Kombination von zwei Grundschaltungen nach Fig. 1 und bildet einen universalen einphasigen Spannungszwischenkreisumrichter mit durchverbundenem Bezugsleiter. Beide Spannungsrichtungen sind an beiden Seiten möglich. Es können 55 damit auch zwei Einphasennetze gekoppelt werden. Da die eigentliche Umformerschaltung

Claims

3 AT 413 914 B symmetrisch ist, kommt es nur auf die Energieflussrichtung an, wo sich der Eingang bzw. der Ausgang befindet. Figur 3 zeigt eine Erweiterung zu einem n-phasigen Wechselrichter und Fig. 4 zeigt die Verwendung als Klasse D-Verstärker. In den Zeichnungen wurden MOSFETs zur Darstellung der aktiven Schalter (St,S2,S3,S4) gezeichnet. Die interne Diode (Bodydiode) 5 wird nur beim ersten Inbetriebsetzen benötigt; die Schalter (St,S2,S3,S4) enthalten daher implizit eine Diode und stellen daher strombidirektionale Schalter dar. Durch den Kondensator C,N wird sichergestellt, dass die Eingangsspannung U|N für die Schaltfrequenz eine niederimpedante Quelle darstellt. Als Speicherelemente für die Energietransfor-io mation dienen die Spulen La und Lb. Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung Ut, in den Zeichnungen auch U|N genannt, positiv ist, lädt sich bei Anschaltung derselben der Kondensator Ca über die im Schalter Si befindliche (Body)Diode positiv auf. Schaltet man dann den aktiven Schalter Si ein, so kann sich ein Strom in Richtung zum Eingang aufbauen, da der Kondensator auf höhere Spannung als der Eingang aufgeladen ist. Bei Abschalten von Si 15 kommutiert der Strom in die Diode Dt und lädt damit den Kondensator Cb auf. Eine exakte Steuerbarkeit der Spannungen an den beiden Kondensatoren Ca und Cb ergibt sich aber bei Belastung der Kondensatoren (und nur das ist sinnvoll) nicht, da die Spannung in Ca nicht bewusst gestellt werden kann. Dies wird erst durch den zweiten aktiven Schalter S2 und die Diode D2 ermöglicht. Durch Einschalten von S2 wird Energie aus Ut entnommen und in Lb gespeichert, 20 Ausschalten von S2 führt zu Nachladen von Ca über die Diode D2. Bei anderer Polarität der Eingangsspannung verläuft der Vorgang symmetrisch. Um die Spannungen an den Kondensatoren Ca und Cb getrennt und unabhängig voneinander stellen zu können, muss man den Strom in den Induktivitäten La und Lb im diskontinuierlichen 25 Mode halten. Dies vereinfacht beträchtliche die Steuerbarkeit der Spannung Udcl- Als Eingangsspannung kann man auch das Einphasennetz benutzen und so die Schaltung als Power Factor Corrector (PFC) nutzen. 30 Die Schaltung lässt sich auch leicht mit einem Wechselrichter zur Einspeisung in das Ein- oder Mehrphasennetz kombinieren. Figur 2 zeigt so eine Erweiterung, bestehend aus zwei asymetri-schen Halbbrücken, an deren Mittelpunkten jeweils über eine Induktivität (U. D die Last, z. B. das Einphasennetz, angeschlossen ist. 35 Es ist auch möglich, durch Benutzung von Entlastungsnetzwerken oder quasiresonantem Schalten die Verlustleistung zu reduzieren. Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kondensatoren zweckmäßig ist. 40 Patentansprüche: 1. Wandlerschaltung zur Umformung einer Eingangsspannung (U/N) in zwei symmetrische Spannungen mit Hilfe von zwei strombidirektionalen, aktiven Schaltern (S1tS2), zwei passi-45 ven Schaltern (Dt,D2), zwei Kondensatoren (Ca,Cb) und zwei Spulen (La,Lb) dadurch ge kennzeichnet, dass der aktive Pol (E) der Eingangsspannung (U,N) mit den beiden Spulen (La,Lb) verbunden ist, wobei das Wicklungsende der ersten Spule (La) mit der Kathode der ersten Diode (Dt), deren Anode sowohl mit der negativen Anschlussklemme der Ausgangsspannung (-UZK) als auch mit einem, gegen Masse geschalteten, ersten Kondensator so (Cb), und dem negativen Anschluss eines strombidirektionalen Schalters, an dessen ande rem Anschluss die positive Anschlussklemme der Ausgangsspannung (+UZK) und ein gegen Masse geschalteter zweiten Kondensator (Ca) angeschlossen ist, verbunden ist, und das Wicklungsende der zweiten Spule (Lb) mit dem positiven Anschluss des zweiten Schalters (S2), dessen negativer Anschluss mit der negativen Anschlussklemme der Ausgangs-55 Spannung (-UZK) verbunden ist und der Anode einer zweiten Diode (D2), an deren Kathode 4 AT 413914 B die positive Anschlussklemme der Ausgangsspannung (+Uzk) angeschlossen ist, verbunden ist.
2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangs- 5 Spannung (L/,w) ein Kondensator (C,w) geschaltet ist.
3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Klemme der Ausgangsspannung (+UZk) ein dritter aktiver Schalter (S3), an dessen anderem Anschluss die Kathode einer, mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung io (-UZK) verbundenen dritten Diode (D3) und eine dritte Induktivität (Lc) geschaltet ist, und ein vierter passiver Schalter (D4), an dessen Anode ein ebenfalls mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung (-UZk) verbundener vierter aktiver Schalter (S4) und eine vierte Induktivität (Ld) geschaltet ist, wobei die anderen Anschlussklemmen der dritten und vierten Induktivitäten (Lc,Ld) den Anschlusspunkt (A) für die Last bilden. 15
4. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anschlusspunkt für die Last (A) und Last ein Filter geschaltet ist.
5. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein 20 einphasiges Wechselnetz verwendet wird.
6. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Lautsprecher verwendet wird.
7. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Aktuator verwendet wird.
8. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen positiver Klemme (+UZk) und negativer Klemme (-UZk) der Ausgangsspannung eine, aus zwei 30 strombidirektionalen Schaltern (Su,Dw,S2a,D2a) bestehende Halbbrücke, geschaltet ist.
9. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen positi ver Klemme (+UZk) und negativer Klemme (-UZk) der Ausgangsspannung n, wobei n > 1 gilt, in bekannter Weise aus je zwei strombidirektionalen Schaltern 35 ((Sn,01^521.021),...(51,,,0^:52,,,02,,)) bestehende Halbbrücken geschaltet sind.
10. Wandlerschaltung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass am Mittelpunkt der Halbbrücke, bestehend aus (S1i,0ii:S2i,02i), ein Filter angeschlossen ist.
11. Wandlerschaltung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass an den Mittelpunkten der Halbbrücken, bestehend aus ((Sii,Dii;S2i,D2i),...(SimOin:S2n,D2„)), Filter angeschlossen sind.
12. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die veränder- 45 baren Spannungen an den Ausgangsklemmen (Αι0Α>0,.·Αο) als unabhängig veränderbare bipolare Spannungsquellen dienen.
13. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass an den veränderbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (Ai0,Ao,·· A„) eine Mehrphasenmaschi- 50 ne mit der Phasenzahl n oder ein Mehrphasenaktuator geschaltet ist.
14. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung eines mehrphasigen Inselnetzes verwendet wird.
15. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ein- 5 AT 413 914 B speisung in ein ein- oder mehrphasiges Netz verwendet wird.
16. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungsteil eines Klasse-D Verstärkers verwendet wird. 5 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55