AT510804B1

AT510804B1 - Hochdynamischer Konverter

Info

Publication number: AT510804B1
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: 2015-08-15
Also published as: AT510804A1

Abstract

Um die Dynamik eines Konverters zu verbessern kann man parallel zur Konverterspule, oder zumindest einem Teil davon, eine Möglichkeit zum Kurzschluss derselben vorsehen. Dies wird dadurch realisiert, dass parallel zu 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 wird.

Description

Beschreibung

HOCHDYNAMISCHER KONVERTER

[0001] Die Erfindung betrifft Konverter, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si), einer Diode(D-,) einem Ausgangskondensator (C0) und einer Spule oder zwei in Serie geschalteten magne¬tisch miteinander verkoppelten Spulen, einer positiven und einer negativen Eingangsklemme,an der die Eingangsspannung (Ui) angeschaltet ist, einer positiven und einer negativen Aus¬gangsklemme, zwischen denen der Ausgangskondensator (Co) geschaltet ist und an denen dieLast angeschaltet ist (Uout), wobei die positive Eingangsklemme an den positiven Anschluss desaktiven Schalters (Si) geschaltet ist, der negative Anschluss des aktiven Schalters mit der Ka¬thode der Diode (D^ und dem ersten Anschluss der Spule oder der zwei in Serie geschaltetenmagnetisch miteinander verkoppelten Spulen geschaltet ist, die Anode der Diode (D^ mit dernegativen Eingangsklemme und der negativen Ausgangsklemme verbunden ist.

[0002] Ändert sich die Last eines Konverters rasch, so kommt es zu einer größeren Verschie¬bung der Ausgangsspannung, da die in den Spulen gespeicherte Energie wieder an den Aus¬gang abgegeben wird und mangels Verbrauch zu einem Anstieg der Lastspannung führt. Abhil¬fe bietet ein großer Kondensator, da hier der Spannungsanstieg entsprechend gering ist. Diesführt aber zu deutlich höheren Kosten, da die Preise von Kondensatoren nicht unerheblich sindund zu einer geringeren Dynamik des Konverters, wenn die Spannung variierbar sein soll.Umgekehrt dauert es immer eine gewisse Zeit, bis bei einem stärkeren Laststrom bedarf dasStromniveau in der/n Spule/n entsprechend hochgepumpt wird.

[0003] Im Folgenden wird nun vorgeschlagen, parallel zur Induktivität eine Serienschaltungeines strombidirektionalen Schalters mit einer Diode zu schalten. Im Normalfall ist der aktiveSchalter des strombidirektionalen Schalters gesperrt. Kommt es nun zu einem raschen Anstei¬gen der Spannung am Ausgang bzw. am überwachten Punkt der Schaltung, so wird der aktiveSchalter des Hilfskreises eingeschaltet und der Strom der Spule muss nun nicht über einenKondensator freilaufen, sondern kann sich direkt über den Hilfskreis schließen. Es wird keineEnergie aus der Spule an den Kondensatorkreis (Ausgangskreis) abgegeben. Bindet mandiesen Hilfsschalter in die Regelung ein, so erhöht sich die Dynamik, denn man kann dasStromniveau in der Spule hoch halten, wenn eine schnelle Erhöhung des Laststroms zu erwar¬ten ist. Um die Verluste an der Hilfsdiode zu verringern, kann ein weiterer aktiver Schalter ver¬wendet werden, der genauso wie der Hilfsschalter angesteuert wird und die Hilfsdiode über¬brückt.

[0004] Nachteilig bei diesem Konzept ist jedoch, dass die zur Spule parallel liegende Schalter¬anordnung spannungsmäßig entsprechend der an der Spule auftretenden maximalen Span¬nung ausgelegt werden muss. Dies kann vermieden werden, wenn die Spule mit einer Anzap¬fung versehen ist (oder aus zwei magnetisch gekoppelten Teilwicklungen besteht) und nun nureine Teilwicklung kurzgeschlossen wird. Es fließt dann ein entsprechend höherer Strom, dieSpannungsbelastung ist aber entsprechend kleiner und so ist es einfacher, einen Transistor mitgeringerem Spannungsabfall im eingeschalteten Fall (geringem Einschaltwiderstand) zu ver¬wenden. Bei Konvertern mit mehreren Spulen kann diese ergänzende Vorrichtung prinzipiell beijeder Spule parallel geschaltet werden, aber zwecks Verringerung des Aufwands sollte mandies nur bei jener Spule (bei jenen Spulen) tun, die direkt in die Stabilisierungskapazität für dieAusgangsspannung speisen, also z.B. bei einem Sepie Konverter parallel zur zweiten Spule.

[0005] Diese grundlegende Idee löst das Problem der Erhöhung der Dynamik eines Konvertersbei raschen Lastwechseln, ist aber zu allgemein formuliert, da es aus verschiedenen Gründensinnvoll sein kann eine Spule zu überbrücken. Im Folgenden werden Beispiele aus der Patentli¬teratur besprochen.

[0006] DE 102007016883 A1 (DENSO CORP.) zeigt eine Lasttreibervorrichtung, damit ist einTiefsetzsteller mit aktivem Schalter gegen Masse zum Antrieb einer Gleichstrommaschine miteinem Pl-Filter zur Unterdrückung der durch das Takten verursachten Störungen gemeint, bei der die Spule des Filters kurzgeschlossen werden kann. Dies erfolgt dann, wenn die Last dau¬ernd an die Versorgung gelegt wird, der aktive Schalter also dauernd eingeschaltet ist und nichtzur Erzeugung einer Pulsweitenmodulation dient und daher auch keine Störungen durch dieTaktung des Transistors entstehen. Die überbrückte Spule gehört dabei nicht zum Konverter,sondern zum vorgeschalteten Filter. Durch die Überbrückung wird nicht die Dynamik erhöht,sondern nur die Filterinduktivität kurzgeschlossen um die Verluste an der Spule zu vermeiden.

[0007] US 2008/0100273 (URUNO et al) zeigt einen PFC, der aus einer Kopplung eines buckmit einem boost Konverter besteht, die eine gemeinsame Spule nutzen. Zusätzlich gibt es nochzwei (lose) gekoppelte Spulen und zwei Hilfsschalter, bestehend aus einer Diode und einemaktiven Schalter. Diese werden nur dann angesteuert, wenn sich der Konverter im kontinuierli¬chen Betrieb befindet. Dadurch sollen die Verluste im Konverter reduziert werden. Es geht beidieser komplizierten Schaltung auch hier nicht um die Verbesserung der Dynamik, sondern siekann als Versuch angesehen werden, den Wirkungsgrad des Gesamtkonverters zu verbessern.

[0008] DE 102006004586 A1 (HITACHI Ltd.) zeigt sanft schaltende Gleichstromwandler ineiner Leistungskorrekturanwendung. Auch hier gibt es gekoppelte Spulen und zusätzliche Seri¬enschaltungen von aktiven Schaltern und Dioden. Ziel der Erweiterung der Konverterstruktur istdie Erzielung von sanftem Schalten durch einen zusätzlichen Resonanzkreis, also die Reduzie¬rung der Schaltverluste und nicht die Erhöhung der Dynamik des Konverters.

[0009] EP 0118054 A1 (BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.) zeigt eingetaktetes Speisegerät mit Gleichspannungseingang. Das vorgestellte Konzept dient zumrascheren Hochlauf. Dazu wird die Spule (z.B. eines Tiefsetzstellers) so lange mit einem Schal¬ter und einer strombegrenzenden Einheit (im einfachsten Fall ein Widerstand) überbrückt, bisder Ausgangskondensator auf den richtigen Wert aufgeladen ist. Dann erst wird der eigentlicheKonverter in Betrieb gesetzt.

[0010] Aus diesen Beispielen sieht man, dass es bekannt ist, Spulen oder Teile davon zu über¬brücken, auch wenn die Dynamik nicht im Zentrum steht.

[0011] Die Figuren erläutern die gegenständliche Erfindung.

[0012] Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen Ausformungen eines Tiefsetzstellers.

[0013] Fig. 1 zeigt einen typischen Tiefsetzsteller mit einem aktiven Schalter Si, einer Induktivi¬tät l_o, der Ausgangskapazität C0 und der Freilaufdiode D^ Diese kann natürlich mit Hilfe einesweiteren aktiven Schalters, der gegengleich zum Hauptschalter S! angesteuert wird, zur Ver¬besserung des Wirkungsgrades überbrückt werden.

[0014] Fig. 2 zeigt denselben Konverter nur zusätzlich mit einer Serienschaltung eines aktivenSchalters SK mit einer Diode DK. Durch diese zusätzliche Schaltung kann der Spulenstromfreilaufen, wenn der aktive Schalter SK eingeschaltet wird. Der Spulenstrom kommutiert dannaus dem Ausgangskreis mit dem Ausgangskondensator C0 in den neu entstehenden Pfad mitDK und SK.

[0015] In Fig. 3 ist nun die Spule L0 aufgespaltet in zwei magnetisch gekoppelte TeilwicklungenNt 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, wennwieder rasch Energie an den Ausgang zu pumpen ist, da man dann von einem entsprechendhohen Strom niveau ausgehen kann.

[0016] Fig. 4 zeigt nun eine Dynamikerhöhung durch Kurzschluss einer Teilwicklung ^ mitHilfe der Serienschaltung eines aktiven Schalters SK mit einer Diode DK.

[0017] In Fig. 5 ist die Hilfsdiode DK weggelassen. Dies ist möglich, wenn die auftretendeSpannung an der Teilwicklung kleiner als die Spannung ist, die die Bodydiode des MOSFETsSK zum Leiten bringt oder wenn ein Schalter, der eine entsprechend große negative Spannungaufnehmen kann, eingesetzt wird. Die Diode Ü! ist in diesem Schaltbild durch einen aktivenSchalter S2 ersetzt.

[0018] Der hochdynamische Konverter wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass parallel zurSpule, oder parallel zu einer der zwei in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppel¬ten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters (SK), ausgeführt als MOSFET, IGBToder ähnlichem mit einer Diode (DK) geschaltet ist, oder nur ein stromunidirektionaler aktiverSchalter (SK), ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem, parallel geschaltet ist.

[0019] Um die Verluste zu reduzieren kann man die Diode (DK) der Serienschaltung zur Über¬brückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischenSchalter (Su) überbrücken. Weiters reduziert man die Verluste dadurch, dass die Diode desKonverters (D) durch einen aktiven Schalter (S2) ersetzt oder überbrückt wird.

Claims

Patentansprüche 1. Konverter, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si), einer Diode (DO einem Ausgangs¬kondensator (C0) und einer Spule oder zwei in Serie geschalteten magnetisch miteinanderverkoppelten Spulen, einer positiven und einer negativen Eingangsklemme, an der die Ein¬gangsspannung (Ui) angeschaltet ist, einer positiven und einer negativen Ausgangsklem¬me, zwischen denen der Ausgangskondensator (C0) geschaltet ist und an denen die Lastangeschaltet ist (U0ut), wobei die positive Eingangsklemme an den positiven Anschluss desaktiven Schalters (SO geschaltet ist, der negative Anschluss des aktiven Schalters mit derKathode der Diode (DO und dem ersten Anschluss der Spule oder der zwei in Serie ge¬schalteten magnetisch miteinander verkoppelten Spulen geschaltet ist, die Anode der Dio¬de (DO mit der negativen Eingangsklemme und der negativen Ausgangsklemme verbun¬den ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Spule, oder parallel zu einer der zweiin Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Spulen eine Serienschaltungeines aktiven Schalters (SK), ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem mit einer Dio¬de (DK) geschaltet ist, oder nur ein stromunidirektionaler aktiver Schalter (S«), ausgeführtals MOSFET, IGBT oder ähnlichem, parallel geschaltet ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (DK) der Seri¬enschaltung zur Überbrückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiterenaktiven elektronischen Schalter (Su) überbrückt ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode desKonverters (D) durch einen aktiven Schalter (S2) ersetzt oder überbrückt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen