AT510804A1

AT510804A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der dynamik von konvertern

Info

Publication number: AT510804A1
Application number: ATA2024/2010A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-15
Also published as: AT510804B1

Abstract

Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Verbesserung der Dynamik von leistungselektronischen Konvertern mit einer oder mehreren Spulen, dadurch, dass sich parallel zu mindestens einer Spule, oder zumindest einem Teil davon eine Möglichkeit zum Kurzschluss derselben befindet. Dies wird realisiert dadurch, dass parallel zu mindestens einer Spule oder parallel zu einem Teil der Spule oder einer von zwei miteinander gekoppelten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters, ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem mit einer Diode geschaltet ist, oder wenn die an der Spule oder dem Teil der Spule auftretende Spannung entsprechend klein ist, nur ein aktiver Schalter ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem parallel geschaltet ist. Diese Vorrichtung kann wirkungsgradmäßig dadurch verbessert werden, dass die Diode der Serienschaltung zur Überbrückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischen Schalter überbrückt ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Dynamik von Konvertern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Verbesserung der Dynamik von leistungselektronischen Konvertern mit einer oder mehreren Spulen. Ändert sich die Last eines Konverters rasch, so kommt es zu einer größeren Verschiebung der Ausgangsspannung, da die in den Spulen gespeicherte Energie wieder an den Ausgang abgegeben wird und mangels Verbrauch zu einem Anstieg der Lastspannung führt, Abhilfe bietet ein großer Kondensator, da hier der Spannungsanstieg entsprechend gering ist. Dies führt aber zu deutlich höheren Kosten, da die Preise von Kondensatoren nicht unerheblich sind und zu einer geringeren Dynamik des Konverters, wenn die Spannung variierbar sein soll.

Im Folgenden wird nun vorgeschlagen, parallel zur Induktivität eine Serienschaltung eines strombidirektionalen Schalters mit einer Diode zu schalten. Im Normalfall ist der aktive Schalter des strombidirektionalen Schalters gesperrt. Kommt es nun zu einem raschen Ansteigen der Spannung am Ausgang bzw. am überwachten Punkt der Schaltung, so wird der aktive Schalter des Hilfskreises eingeschaltet und der Strom der Spule muss nun nicht über einen Kondensator frei laufen, sondern kann sich direkt über den Hilfskreis schließen. Es wird keine Energie aus der Spule an den Kondensatorkreis (Ausgangskreis) abgegeben. Bindet man diesen Hilfsschalter in die Regelung ein, so erhöht sich die Dynamik, denn man kann das Stromniveau in der Spule hoch halten, wenn eine schnelle Erhöhung des Laststroms zu erwarten ist. Um die Verluste an der Hilfsdiode zu verringern, kann ein weiterer aktiver Schalter verwendet werden, der genauso wie der Hilfsschalter angesteuert wird und die Hilfsdiode überbrückt.

Nachteilig bei diesem Konzept ist jedoch, dass die zur Spule parallel liegende Schalteranordnung spannungsmäßig entsprechend der an der Spule auftretenden maximalen Spannung ausgelegt werden muss. Dies kann vermieden werden, wenn die Spule mit einer Anzapfung versehen ist (oder aus zwei magnetisch gekoppelten Teilwicklungen besteht) und nun nur eine Teilwicklung kurzgeschlossen wird. Es fließt dann ein entsprechend höherer Strom, die Spannungsbelastung ist aber entsprechend kleiner und so ist es einfacher, einen Transistor mit geringerem Spannungsabfall im eingeschalteten Fall (geringem Einschaltwiderstand) zu verwenden. Bei Konvertern mit mehreren Spulen kann diese ergänzende Vorrichtung prinzipiell bei jeder Spule parallel geschaltet werden, aber zwecks Verringerung des Aufwands sollte man dies nur bei jener Spule (bei jenen Spulen) tun, die 1 P86/fh/20101206 direkt in die Stabilisierungskapazität für die Ausgangsspannung speisen, also z.B. bei einem Sepie Konverter parallel zur zweiten Spule.

Die Figuren erläutern die gegenständliche Erfindung. Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen Ausformungen eines Tiefsetzstellers. Fig. 6 zeigt die Anwendung an einem Halbbrückenkonverter. Die Figuren 7 bis 9 zeigen eine hochdynamische Laseransteuerstufe.

Fig. 1 zeigt einen typischen Tiefsetzsteller mit einem aktiven Schalter Sj, einer Induktivität Lo, der Ausgangskapazität Co und der Freilaufdiode Di. Diese kann natürlich mit Hilfe eines weiteren aktiven Schalters, der gegengleich zum Hauptschalter Sj angesteuert wird, zur Verbesserung des Wirkungsgrades überbrückt werden.

Fig. 2 zeigt denselben Konverter nur zusätzlich mit einer Serienschaltung eines aktiven Schalters Sk mit einer Diode DK. Durch diese zusätzliche Schaltung kann der Spulenstrom freilaufen, wenn der aktive Schalter Sk eingeschaltet wird. Der Spulenstrom kommutiert dann aus dem Ausgangskreis mit dem Ausgangskondensators Co in den neu entstehenden Pfad mit Dk und Sk-

In Fig. 3 ist nun die Spule Lo aufgespaltet in zwei magnetisch gekoppelte Teilwicklungen Ni und N2. Zusätzlich ist die Diode Dk durch den weiteren aktiven Schalter Su überbrückt. Dadurch reduzieren sich die Verluste im Freilauf. Das ist besonders dann von Bedeutung wenn wieder rasch Energie an den Ausgang zu pumpen ist, da man dann von einem entsprechend hohen Stromniveau ausgehen kann.

Fig. 4 zeigt nun eine Dynamikerhöhung durch Kurzschluss einer Teilwicklung Ni mit Hilfe der Serienschaltung eines aktiven Schalters Sk mit einer Diode Dk-

In Fig. 5 ist die Hilfsdiode Dk weggelassen, dies ist möglich, wenn die die auftretende Spannung an der Teilwicklung kleiner als die Spannung ist, die die Bodydiode des MOSFETs Sk zum Leiten bringt oder wenn ein Schalter, der eine entsprechend große negative Spannung aufnehmen kann, eingesetzt wird. Die Diode Di ist in diesem Schaltbild durch einen aktiven

Schalter S2 ersetzt.

Fig. 6 zeigt einen Halbbrückenkonverter mit den Brückentransistoren Sj, S2, zwei Spulen Lj, L2 und zwei Kondensatoren Cc und Co. Die Induktivität L2 wird mit Hilfe der Serienschaltung eines aktiven Schalters SK mit einer Diode Dk überbrückt. Die Schaltung ist eine Ableitung des bekannten Cuk Konverters.

Im Weiteren wird die Anwendung des hier dargestellten Verfahrens bei einer Laseransteuerung dargestellt. Die Grundstruktur zeigt Fig. 7. Es handelt sich dabei um einen 2 P86/fh/20101206 stromgeregelten Tief setzsteiler, Si, Di und L bilden den Grundkonverter, LD die Last. Durch S4 kann schlagartig die Last kurzgeschlossen werden und damit der Laserstrahl abgeschaltet werden. Die Spule kann dann über die Diode Di und S4 freilaufcn. Das Stromniveau kann durch entsprechendes Pulsen von Si gleichgehalten oder gesteigert werden. Die Diode D2 dient im Fehlerfall, wenn die Last nicht vorhanden ist, als Freilauf für die Spule oder zur Entmagnetisierung derselben über D2 und Di. Die Energie der Spule kann so in die Quelle Uin zurückgeliefert werden.

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung von Fig. 7. Die Diode Dj ist durch den Schalter S2 ersetzt und zusätzlich ist der Lastschalter S3 eingefügt. Mit Si und S4 wird die Spule auf magnetisiert, über S2 und S4 kann ein Freilauf geschaltet werden und über S2 und D2 kann die Spule rasch durch Rücklieferung von Energie in die Quelle U[N abmagnetisiert werden.

In Fig. 9 ist nun die Spule (oder natürlich auch nur eine Teil davon) durch den aktiven Schalter Sk in Serie mit der Diode DK überbrückt.

Die Dynamik von Konvertern wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass sich parallel zu mindestens einer Spule, oder zumindest einem Teil davon eine Möglichkeit zum Kurzschluss derselben befindet. Dies wird realisiert dadurch, dass parallel zu mindestens einer Spule oder parallel zu einem Teil der Spule oder einer von zwei miteinander gekoppelten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters, ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem mit einer Diode geschaltet ist, oder wenn die an der Spule oder dem Teil der Spule auftretende Spannung entsprechend klein ist, nur ein aktiver Schalter ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem parallel geschaltet ist. Diese Vorrichtung kann wirkungsgradmäßig dadurch verbessert werden, dass die Diode der Serienschaltung zur Überbrückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischen Schalter überbrückt ist. 3 P86/fh/20101206

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Verbesserung der Dynamik von leistungselektronischen Konvertern mit einer oder mehreren Spulen dadurch gekennzeichnet, dass sich parallel zu mindestens einer Spule, oder zumindest einem Teil davon eine Möglichkeit zum Kurzschluss derselben befindet.
2. Vorrichtung zur Verbesserung der Dynamik von leistungselektronischen Konvertern mit einer oder mehreren Spulen dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu mindestens einer Spule oder parallel zu einem Teil der Spule oder einer von zwei miteinander gekoppelten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters, ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem mit einer Diode geschaltet ist, oder wenn die an der Spule oder dem Teil der Spule auftretende Spannung entsprechend klein ist, nur ein aktiver Schalter ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem parallel geschaltet ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode der Serienschaltung zur Überbrückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischen Schalter überbrückt ist.
4 P86/fh/20101206