AT516328B1

AT516328B1 - Hoch-Tiefsetzsteller mit reduziertem Tastverhältnis für Einquadrantenbetrieb

Info

Publication number: AT516328B1
Application number: ATA701/2014A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix
Original assignee: Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2020-11-15
Also published as: AT516328A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer ersten Diode D1 oder einem zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3, und einer zweiten Diode D2, einem spannungsbidirektionalen Schalter S1, einem strombidirektionalen Schalter S2, einem Kondensator C, einer Spule L, einem ersten und einem zweiten Anschluss, an die die Eingangsspannung U1 geschaltet wird und einem ersten und zweiten Anschluss, an die die Last U2 geschaltet wird. Der Konverter ist ein Hochsetzsteller. Die Lastspannung kann größer oder kleiner als die Eingangsspannung gemacht werden wenn man den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3 einbezieht. Man kann aber S3 nur zum Hochlauf der Schaltung verwenden. Das Tastverhältnis von S1 und S2 ist auf maximal 0,5 beschränkt. Das beschränkte Tastverhältnis kann besonders in Systemen mit mehreren Konvertern, die aus der gleichen Quelle betrieben werden, nützlich sein.

Description

Beschreibung

HOCH-TIEFSETZSTELLER MIT REDUZIERTEM TASTVERHÄLTNIS FÜR EINQUADRANTENBETRIEB

[0001] Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer ersten Diode D+ oder einem zweiten spannungsbidirektionalen Schalter Sa, und einer zweiten Diode D», einem spannungsbidirektionalen Schalter S+, einem strombidirektionalen Schalter S>, einem Kondensator C, einer Spule L, einem ersten und einem zweiten Anschluss, an die die Eingangsspannung U+ geschaltet wird und einem ersten und zweiten Anschluss, an die die Last U» geschaltet wird.

[0002] Der Konverter ist grundsätzlich ein Hochsetzsteller, dessen Ausgang periodisch kurzgeschlossen wird. Erweitert man diese Schaltung mit einer Spule, die an einem Anschluss des Ausgangs geschaltet ist, so kann man an diesen erweiterten Konverter lichtemittierende Bauteile, Batterien oder einen Kondensator, zu dem eine beliebige Last parallel geschaltet ist, schalten. Dieser erweiterte Konverter kann dann als Steuervorrichtung für Licht, als Batterieladegerät und als Schaltnetzteil verwendet werden.

[0003] Die Abbildungen zeigen den prinzipiellen Aufbau und Anwendungsbeispiele des Konverters. Der spannungsbidirektionale Schalter S} und der strombidirektionale Schalter S» sind funktionsmäßig angedeutet. Die Realisierung des spannungsbidirektionalen Schalters kann z.B. durch einen rückwärtssperrenden Transistor (IGBT) oder eine Serienschaltung einer Diode mit einem MOSFET geschehen. Der strombidirektionale Schalter S» kann z.B. durch einen MOSFET oder einen IGBT mit parallelgeschalteter Diode realisiert werden. Da aber der Bereich der Bauteile derzeit stark im Fluss ist, kommt es bei den Schaltern auf das Prinzip an, nicht auf die verwendete Technologie. Fig. 1 stellt den Konverter dar, Fig. 2 die Erweiterung für Sanftanlauf, Fig. 3 stellt die Anwendung als Motortreiber, wobei in Fig. 4 der Motor durch sein Ersatzschaltbild dargestellt ist, dar, Fig. 5 zeigt die Anwendung als Treiber für lichtemittierende Bauteile, beispielhaft als lichtemittierende Dioden gezeichnet, Fig. 6 die Anwendung als Batterieladegerät und Fig. 7 als Schaltnetzteil.

[0004] Die Funktion des Konverters soll als Stellglied für einen permanent erregten Gleichstrommotor erläutert werden. Dazu dient die Fig. 4. Der Motor ist durch sein Ersatzschaltbild, der Serienschaltung aus Wicklungswiderstand RM, Wicklungsinduktivität LM und drehzahlabhängiger Quellspannung Ug, dargestellt.

[0005] Die Funktion wird für ideale Bauteile (d.h. keine Verlustwiderstände, ideales Schalten) im eingeschwungenen Zustand bei stromkontinuierlichem Betrieb besprochen. Weiters seien die Zeitkonstanten von Maschine und Konverter groß gegenüber der Schaltperiode (Inverse der Schaltfrequenz). Damit kann die Spannung an der Kapazität und die Quellspannung der Maschine als konstant angesetzt werden.

[0006] Die beiden Schalter, der strombidirektionale S» und der spannungsbidirektionale S+, werden gleichzeitig ein- und ausgeschaltet.

[0007] Werden die Schalter (S+-, S2) eingeschaltet, so sperren sowohl die erste D+ und die zweite Diode D>. An der Konverterspule L liegt dann die positive Spannung des Kondensators C und an der Maschineninduktivität Lm die negative Quellspannung Uq. Der Strom in der Konverterspule L steigt, in der Maschine sinkt er. Energie wird aus dem Konverterkondensator C entnommen.

[0008] Werden die Schalter (S+;, S2) ausgeschaltet, so leiten sowohl die erste D+ und die zweite Diode D>. An der Konverterspule L liegt dann die (negative) Differenz aus Eingangsspannung und Spannung am Kondensator C und an der Maschineninduktivität Lm die (positive) Differenz aus Spannung am Kondensator C und Quellspannung Uq. Der Strom in der Konverterspule L sinkt, in der Maschine steigt er. Energie wird dem Konverterkondensator C zugeführt. Im eingeschwungenen Zustand ist der Mittelwert der Spannungen an den Induktivitäten null.

[0009] Damit lässt sich der Zusammenhang zwischen Quellspannung Ug, Eingangsspannung U+ und Tastverhältnis d (Einschaltzeit der Schalter zur Schaltperiode) zu

(1 —d)*

Va“ Tz2d (man erkennt den quadratischen Term im Zähler der Ausgangsspannung) und die Spannung am Speicherkondensator zu

u =172. 4

bestimmen. Es sei angemerkt, dass die Quellspannung auch der Batteriespannung in Fig. 6 und der Spannung am Kondensator Cı in Fig. 7 entspricht. Weiters erkennt man, dass das Tastverhältnis kleiner als 0,5 sein muss, sonst würde sich die Spannungsrichtung umkehren. Dies ist aber bedingt durch die Dioden nicht möglich. Weiters kann man aus der Formel entnehmen, dass der Konverter ein Hochsetzsteller ist, also die Quellspannung (oder bei der Erweiterung zu Batterieladegerät, Schaltnetzteil oder Lichtsteuerstufe die Ausgangsspannung) größer als die Eingangsspannung gemacht werden kann. Die Schaltung ist daher besonders für kleinere Eingangsspannungen sinnvoll.

[0010] Das beschränkte Tastverhältnis kann besonders in Systemen mit mehreren Konvertern, die aus der gleichen Quelle betrieben werden, sehr praktisch sein. Bei zwei Konvertern wird man diese so synchronisieren, dass der Einschaltzeitpunkt zwischen den Konvertern um die halbe Taktperiode versetzt ist.

[0011] Wird die Eingangsspannung angelegt, so wird der Kondensator C geladen (und schwingt maximal auf den doppelten Wert der Eingangsspannung auf). Wenn das störend oder der Anlaufvorgang für die Last problematisch ist, kann man einen weiteren spannungsbidirektionalen Schalter Ss in Serie zum Eingang des Konverters schalten. Durch diesen Schalter wird die Diode D+; ersetzt.

[0012] In der Patentliteratur findet man verschiedene Konverterstrukturen.

[0013] EP 2782235 A1 (MITSUBISHI ELEC R&D CT EUROPE, MITSUBISHI ELECTRIC COMP) zeigt ein Konzept für einen Dreistufenhochsetzsteller. Dabei werden Resonanzen zur Reduktion der Schaltverluste verwendet. Die Schaltung unterscheidet sich in Topologie und Funktion von der gegenständlichen Erfindung.

[0014] US 5552694 A (APPELTANS KOEN E J) zeigt als Schaltungsstrukturen den bidirektionalen Hochsetzsteller und weiters den nichtinvertierenden Hoch-Tiefsetzsteller. Die Dioden der Grundstrukturen werden zur Verringerung der Verluste mit aktiven Schaltern überbrückt. Diese bekannten Schaltungen unterscheiden sich deutlich von der Schaltung der gegenständlichen Erfindung.

[0015] US 2010207455 A1 (ERICKSON JR ROBERT W, CROFT STEVEN, EVERSON SHAWN, SCHULTZ AARON) behandelt photovoltelische Module mit eingebautem Konverter. Es wird dabei der nichtinvertierende Hoch-Tiefsetzsteller mit synchroner Gleichrichtung verwendet.

[0016] US 6348779 B1 (SLUIJS FERDINAND JACOB) verwendet als Konverterstruktur ebenfalls den klassischen nichtinvertierenden Hoch-Tiefsetzsteller.

[0017] US 2011279098 A1 (REN HONG, CHEN DANIEL LONG, FALVEY CHRISTOPHER THOMAS) verwendet als Konverterstruktur ebenfalls den klassischen nichtinvertierenden HochTiefsetzsteller.

[0018] Zusammenfassend kann man sagen, dass sich die gegenständliche Erfindung deutlich von den oben zitierten Dokumenten unterscheidet. Keine der Schaltungen hat einen quadratischen Term des Tastverhältnisses und eine gleichzeitige Beschränkung des Tastverhältnisses wie die gegenständliche Erfindung.

[0019] Die Aufgabe, einen Hochsetzsteller für Einquadrantenbetrieb mit beschränktem Tastverhältnis zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen den Anschlüssen für die Eingangsspannung U: die Serienschaltung aus erster Diode D+; oder zweitem

spannungsbidirektionalen Schalter Ss, der Spule L und der strombidirektionale Schalter S» geschaltet ist, parallel zur Spule L die Serienschaltung von zweiter Diode D» und spannungsbidirektionalem Schalter S+; geschaltet ist, wobei der spannungsbidirektionale Schalter S+, an die erste Diode D+ bzw. an den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3 geschaltet ist, und an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Diode D» und spannungsbidirektionalem Schalter S+ der erste Anschluss des Kondensators C geschaltet ist und der zweite Anschluss des Kondensators C sowohl mit dem zweiten Anschluss für die Eingangsspannung U1 wie mit dem zweiten Anschluss für die Last U» verbunden ist und parallel zum strombidirektionalen Schalter S» die Anschlüsse für die Last U; liegen und dass als Last die Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine oder die Serienschaltung einer Spule mit einem Kondensator, zu dem parallel ein beliebiger weiterer Verbraucher geschaltet ist, oder die Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie oder die Serienschaltung einer Spule mit einer lichtemittierenden Vorrichtung geschaltet ist.

[0020] Dabei werden der spannungsbidirektionale Schalter S+ und der strombidirektionale Schalter S» gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Der zweite spannungsbidirektionale Schalter Sa, wenn er statt der ersten Diode D+; vorhanden ist, kann im stationären Betrieb immer eingeschaltet bleiben. Aus schaltungstechnischen Gründen ist es sinnvoll, dass parallel zu den Anschlüssen für die Eingangsspannung U+; ein weiterer Kondensator geschaltet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Konverter, bestehend aus einer ersten Diode (D+) oder einem zweiten spannungsbidirektionalen Schalter (S3), einer zweiten Diode (D>), einem spannungsbidirektionalen Schalter (S+), einem strombidirektionalen Schalter (S»>), einem Kondensator (C), einer Spule (L), einem ersten und einem zweiten Anschluss, an die die Eingangsspannung (U+) geschaltet wird und einem ersten und zweiten Anschluss, an die die Last (U») geschaltet wird dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlüssen für die Eingangsspannung (U+) die Serienschaltung aus erster Diode (D+) oder zweitem spannungsbidirektionalem Schalter (Ss), der Spule (L) und der strombidirektionale Schalter (S»2) geschaltet ist, parallel zur Spule (L) die Serienschaltung von zweiter Diode (D>) und spannungsbidirektionalem Schalter (S+) geschaltet ist, wobei der spannungsbidirektionale Schalter (S+) an die erste Diode (D+4) bzw. an den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter (Ss) geschaltet ist, und an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Diode (D2) und spannungsbidirektionalem Schalter (S1) der erste Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist und der zweite Anschluss des Kondensators (C) sowohl mit dem zweiten Anschluss für die Eingangsspannung (U+) wie mit dem zweiten Anschluss für die Last (U>) verbunden ist und parallel zum strombidirektionalen Schalter (S2) die Anschlüsse für die Last (U>») liegen.

2. Konverter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Last die Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine oder die Serienschaltung einer Spule mit einem Kondensator, zu dem parallel ein beliebiger weiterer Verbraucher geschaltet ist, oder die Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie oder die Serienschaltung einer Spule mit einer lichtemittierenden Vorrichtung geschaltet ist.

3. Konverter gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der spannungsbidirektionale Schalter (S;) und der strombidirektionale Schalter (S»2) gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.

4. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite spannungsbidirektionale Schalter (S3), wenn er statt der ersten Diode (D+) vorhanden ist, im stationären Betrieb immer eingeschaltet ist.

5. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Anschlüssen für die Eingangsspannung (U+) ein weiterer Kondensator geschaltet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen