AT514027A2

AT514027A2 - Verfahren zur Gewinnung von Konverterstrukturen für die Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit

Info

Publication number: AT514027A2
Application number: ATA179/2013A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-15
Also published as: AT514027A3

Abstract

Der Fortschritt in der Entwicklung von liehtemittierenden Dioden (LED) im UV-Bereich führt zu immer neuen Anwendungsgebieten in der Elektromedizin (z. B. Blaulichttherapie, Pilzund Milbenbekämpfung) und in der Desinfektion (z. B. von Oberflächen und Flüssigkeiten). Wirkungsvoll sind dabei steile Stromflanken. Die Aufgabe, Topologien fiir Gleichspannungswandler zu finden die Strompulse mit hoher Flankensteilheit liefern, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der parallel zu den Ausgangsklemmen liegende Kondensator entfernt wird und statt dessen ein aktiver Schalter (S2) oder mindestens zwei in Serie geschaltete, gleichzeitig angesteuerte aktive Schalter geschaltet wird/werden, der oder die den Strom der Induktivität (L) im eingeschalteten Zustand :fiihren kann/ können.

Description

Verfahren zur Gewinnung von Konverterstrukturen für die Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung der Topologie für einen Konverter zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit aus der Topologie eines DC/DC Konverters, bei dem eine Induktivität an eine Ausgangsklemme geschaltet ist.

Der Fortschritt in der Entwicklung von lichtemittierenden Dioden (LED) im UV-Bereich führt zu immer neuen Anwendungsgebieten in der Elektromedizin (z. B. Blaulichttherapie, Pilz-und Milbenbekämpfung) und in der Desinfektion (z. B. von Oberflächen und Flüssigkeiten). Unter lichtemittierender Diode werden in diesem Dokument also nicht nur solche für das sichtbare Licht verstanden sondern, entsprechend z.B. der Bezeichnung UV-Licht, auch solche für unsichtbares. Weiters wird unter lichtemittierenden Dioden auch Laserdioden verstanden.

Untersuchungen in der Biologie zeigen eine erhöhte Wirksamkeit bei rasch ansteigendem Lichtstrom. Daher sind leistungselektronische Konverter notwendig, mit denen die LED aus einer Gleichspannungsversorgung angesteuert werden können. Ziel dabei ist rasch den Strom aus vom Konverter in die LED zu kommutieren bzw. auch wieder rasch den Strom in den LED abzubauen. Besonders die erste Aufgabe ist besonders wichtig. Dazu müssen die bekannten DC/DC Konverter (Gleichspannungswandler) entsprechend adaptiert werden, hn Gegensatz zu einem DC/DC Wandler ist keine gleich bleibende Ausgangsspannung (zumindest über eine Taktperiode der Schaltfrequenz) erforderlich. Daher kann der Ausgangskondensator entfernt werden. Um während der Einschaltphase der lichtemittierenden Dioden eine annähernd gleichmäßige Abstrahlung zu erhalten, ist es sinnvoll, nur Konverter mit Stromausgang zu benutzen. Der Konverter muss daher einen Stromausgang besitzen, schaltungstechnisch bedeutet das eine Spule am Ausgang, an die direkt die Last (die LED) geschaltet wird. Parallel zur Last muss ein aktiver Schalter geschaltet werden um die Last zu überbrücken und damit stromlos zu machen. Durch den aktiven Schalter des Konverters kann nun wieder der gewünschte Strom in die Ausgangsspule eingeprägt werden. Soll wieder eine Lichtabgabe erfolgen, muss der Schalter parallel zur Last abgeschaltet werden. Der Strom kommutiert dann wieder in die Last. Die Flankensteilheit wird durch die parasitäre Kapazität des Auf baus und besonders durch die Ausgangskapazität des aktiven Schalters begrenzt. Um sehr schnelle Flanken zu erzielen ist es sinnvoll, den aktiven Schalter zur Überbrückung der Last durch eine Serienschaltung von zumindest zwei in Serie geschalteten aktiven Schaltern, die gleichzeitig angesteuert werden, zu realisieren. P105/fh/20130307 2/9 1

Dadurch wird die Kapazität verringert und der Flarikenanstieg verkürzt. Bei kleinen Lastspannungen ist der zusätzliche Steueraufwand minimal, bei größeren ist ein zusätzlicher Treiber erforderlich. Wichtig ist die Synchronizität beim Schalten um die Kapazität zu verringern.

Grundsätzlich lassen sich Konverter zur Erzeugung von Strompulsen mit rascher Flankensteilheit aus einem DC/DC Konverter mit einer Spule, die mit der Ausgangsklemme verbunden ist, durch folgendes Verfahren gewinnen: der parallel zum Ausgang liegende Kondensator wird entfernt, statt dessen wird die zu betreibende Last in der Weise angeschaltet, dass die Stromrichtung durch die Last der Stromrichtung der Spule entspricht und gleichzeitig wird parallel zur Last ein aktiver Schalter oder werden mindestens zwei in Serie geschaltete, gleichzeitig angesteuerte aktive Schalter geschaltet, der oder die den Strom der Induktivität im eingeschalteten Zustand fuhren können.

Die Figuren zeigen Vorrichtungen, die Ergebnisse des gegenständlichen Verfahrens sind. Es werden beispielhaft nur Konverter mit positiver Eingangsspannung und an Bezugspotential angeschlossener Last gezeigt. Die Konverterstrukturen sind beispielhaft mit MOSFET gezeichnet. Als Last ist eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden gezeichnet. Der Schalter parallel zur Last (S2) ist als einfacher Schalter gezeichnet. Es sei aber nochmals daraufhingewiesen, dass zur Steigerung der Flankensteilheit eine Serienschaltung von mindestens zwei gleichzeitig angesteuerten aktiven Schaltern sinnvoll ist. Weiters sei hingewiesen, dass die auftretenden Verluste der Dioden auf bekannte Weise durch antiparallel liegende aktive Schalter reduziert werden können. Der zusätzliche Aufwand der erforderlichen Ansteuerschaltung für diese Hilfsschalter muss aber der Anwendung entsprechen untersucht werden. Da die Ströme bei der Ansteuerung von UV-Dioden relativ gering sind, erscheint dieser zusätzliche Aufwand nicht gerechtfertigt, bei großen Strömen wie z.B. bei der Galvanik kann es aber sehr wohl sinnvoll sein. Die Anwendung ist nicht auf lichtemittierende Dioden oder Laserdioden beschränkt, obwohl die Überlegung ursprünglich davon ausging, Konverter zur Erzeugung von rasch ansteigenden UV-Licht Blitzen zu gewinnen. Es gibt sicher Anwendungen in Chemie und Technologie (z.B. Galvanik), wo solche Pulse sinnvoll eingesetzt werden können.

Fig. 1 zeigt die Anwendung des Konstruktionsverfahrens an einem klassischen Tiefsetzsteller, Fig. 2 an einem Zeta-Konverter, Fig. 3 an einem Cuk-Konverter, Fig. 4 an einem Tiefsetzsteller mit Vorfilter, Fig. 5 an einem Hochsetzsteller mit Ausgangsfilter, Fig. 6 an einem speziellen Hochsetzsteller, der sowohl einen kontinuierlichen Eingangs- wie P105/fh/20130307 3/9 2

Ausgangsstrom hat, Fig. 7 an einem Hoch-Tiefsetzsteller mit auf über 50 % beschränktem Tastverhältnis, Fig. 8 an einem Tiefsetzsteller mit auf über 50 % beschränktem Tastverhältnis, Fig. 9 an einem Tiefsetzsteller mit quadratischer Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastverhältnis und Fig. 10 an einem Hoch-Tiefsetzsteller mit quadratischer Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastverhältnis.

Die Funktionsweise wird beispielhaft an Hand von Fig. 1 besprochen. Der normale Konverterbetrieb erfolgt durch Taktung des aktiven Schalters (Sl); ist dieser eingeschaltet, so steigt der Strom durch die Induktivität (L) und gleichzeitig auch durch die Last (LD). Wird der aktive Schalter (Sl) ausgeschaltet, so kommutiert der Strom durch die Spule (L) in die Diode (D) und der Strom durch die Induktivität (L) und gleichzeitig auch durch die Last (LD) sinkt. Um Stromimpulse zu erzeugen kommt noch der zweite aktive Schalter (S2) ins Spiel.

Ist dieser eingeschaltet, so ist die Last (LD) überbrückt. Ist gleichzeitig der erste aktive Schalter (Sl) eingeschaltet, so steigt der Strom in der Spule (L) rascher, da nun die volle Eingangsspannung (Ul) und nicht die Differenzspannung zwischen Eingangsspannung (Ul) und Spannung an der Last (LD) an der Spule (L) liegt. Wird Sl ausgeschaltet, so kommutiert der Strom in die Diode (D). Der Strom sinkt nun relativ langsam ab, da nur Verluste (Widerstand der Spule, Einschaltwiderstand von S2 und Flussspannung der Diode (D)) die Abmagnetisierung bewirken. Schaltet man nun den zweiten aktiven Schalter (S2) ab, so kommutiert der Spulenstrom in die Last(LD). Es kann sinnvoll sein, die beiden aktiven Schalter (Sl, S2) gleichzeitig anzusteuem. Man lässt beide aktiven Schalter (Sl, S2) solange eingeschaltet bis der gewünschte Strom in der Spule erreicht ist, dann werden beide abgeschaltet und der Strom wird schlagartig in die Last (LD) kommutieren. Man kann natürlich auch zuerst den ersten aktiven Schalter (Sl) abschalten und dann kurz verzögert den zweiten (S2). Durch diese Maßnahme ist der Kommutierungsvorgang vom ersten aktiven Schalter (Sl) in die Diode bereits abgeschlossen bevor die Kommutierung in die Last beginnt und hat keinen Einfluss auf diesen Kommutierungsvorgang.

Die Aufgabe, Topologien für Gleichspannungswandler zu finden die Strompulse mit hoher Flankensteilheit liefern, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der parallel zu den Ausgangsklemmen liegende Kondensator entfernt wird und statt dessen ein aktiver Schalter oder mindestens zwei in Serie geschaltete, gleichzeitig angesteuerte aktive Schalter geschaltet wird/werden, der oder die den Strom der Induktivität im eingeschalteten Zustand führen kann/ können. P105/fh/20130307 4/9 3 Für die so gewonnenen Konverter gilt, dass der Konverter stromgeregelt ist, oder dass der Strom der Spule, der an die Ausgangsklemme des Konverters geschaltet ist, auf den Spitzenstrom geregelt ist. Weiters gilt, dass der aktive Schalter des Konverters und der Schalter oder die in Serie geschalteten gleichzeitig angesteuerten aktiven Schalter, der/die parallel zur Last als Ersatz des Ausgangskondensators liegen, gleichzeitig geschaltet werden, oder dass der aktive Schalter des Konverters und der Schalter oder die in Serie geschalteten gleichzeitig angesteuerten aktiven Schalter, der/die parallel zur Last als Ersatz des Ausgangskondensators liegen, zueinander synchronisiert geschaltet werden. Weiters kann gelten, dass die Freigabe der Pulse über eine Vorrichtung die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt. P105/fh/20130307 5/9 4

Claims

···· Patentansprüche 1. Verfahren zur Gewinnung der Topologie für einen Konverter zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit aus der Topologie eines DC/DC Konverters, bei dem eine Induktivität an eine Ausgangsklemme geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der parallel zu den Ausgangsklemmen liegende Kondensator entfernt wird und statt dessen ein aktiver Schalter oder mindestens zwei in Serie geschaltete, gleichzeitig angesteuerte aktive Schalter geschaltet wird/werden, der oder die den Strom der Induktivität im eingeschalteten Zustand fuhren kann/ können.
2. Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit gemäß einer Topologie entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter stromgeregelt ist.
3. Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit gemäß einer Topologie entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Spule, der an die Ausgangsklemme des Konverters geschaltet ist, auf den Spitzenstrom geregelt ist.
4. Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit gemäß einer Topologie entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter des Konverters und der Schalter oder die in Serie geschalteten gleichzeitig angesteuerten aktiven Schalter, der/die parallel zur Last als Ersatz des Ausgangskondensators liegen, gleichzeitig geschaltet werden.
5. Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit gemäß einer Topologie entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter des Konverters und der Schalter oder die in Serie geschalteten gleichzeitig angesteuerten aktiven Schalter, der/die parallel zur Last als Ersatz des Ausgangskondensators liegen, zueinander synchronisiert geschaltet werden.
6. Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen mit hoher Flankensteilheit gemäß einer Topologie entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabe der Pulse über eine Vorrichtung die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt. P105/fh/20130307 6/9 5