AT514027A2

AT514027A2 - Method for obtaining converter structures for the generation of high-slope current pulses

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.The advances in the development of UV-emitting LEDs have led to ever new applications in the field of electromedicine (eg blue light therapy, fungal and mite control) and in disinfection (eg of surfaces and liquids). Effective are steep current edges. The task of finding topologies for DC-DC converters which deliver current pulses with high edge steepness is accomplished according to the invention by removing the capacitor which is connected in parallel with the output terminals and instead by an active switch (S2) or at least two series-connected, simultaneously activated active switches is / are, the or the current of the inductance (L) in the on state: can lead / can.

Description

Verfahren zur Gewinnung von Konverterstrukturen für die Erzeugung von Strompulsen mit hoher FlankensteilheitMethod for obtaining converter structures for the generation of high-slope current pulses

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.The invention relates to a method for obtaining the topology for a converter for generating current pulses with high edge steepness from the topology of a DC / DC converter, wherein an inductor is connected to an output terminal.

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.The progress in the development of light-emitting diodes (LED) in the UV range is leading to ever new fields of application in the field of electromedicine (eg blue light therapy, fungal and mite control) and in disinfection (eg of surfaces and liquids). The term "light-emitting diode" in this document thus does not only mean those for the visible light, but, in accordance with, e.g. the term UV light, even those for invisible. Furthermore, light-emitting diodes are also understood as laser diodes.

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 1Studies in biology show an increased effectiveness with rapidly increasing luminous flux. Therefore, power electronic converters are necessary, with which the LED can be controlled from a DC voltage supply. The aim is to quickly commute the current from the converter to the LED or to quickly reduce the current in the LED again. Especially the first task is especially important. For this purpose, the known DC / DC converter (DC-DC converter) must be adapted accordingly, hn contrast to a DC / DC converter is not a constant output voltage (at least over a clock period of the switching frequency) required. Therefore, the output capacitor can be removed. In order to obtain an approximately uniform radiation during the switch-on phase of the light-emitting diodes, it makes sense to use only converters with current output. The converter must therefore have a current output, in terms of circuitry, this means a coil at the output to which the load (the LED) is switched directly. Parallel to the load, an active switch must be switched to bridge the load and thus to de-energize it. Through the active switch of the converter, the desired current can now be impressed again in the output coil. If a light is to be emitted again, the switch must be switched off parallel to the load. The current then commutates back into the load. The slope is limited by the parasitic capacitance of the construction and especially by the output capacitance of the active switch. To achieve very fast edges, it makes sense to realize the active switch for bridging the load by a series connection of at least two series-connected active switches, which are controlled simultaneously. 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.This will reduce the capacity and shorten the flare rise. For small load voltages, the additional control effort is minimal, for larger load, an additional driver is required. Important is the synchronicity when switching to reduce the capacity.

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.Basically, converters for generating current pulses with rapid edge steepness from a DC / DC converter with a coil connected to the output terminal can be obtained by the following procedure: the capacitor connected in parallel to the output is removed, instead the load to be operated in switched on the way that the current direction through the load corresponds to the current direction of the coil and at the same time parallel to the load is an active switch or at least two series-connected, simultaneously activated active switch connected, or can drive the current of the inductance in the on state ,

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.The figures show devices which are the results of the subject method. By way of example only converters with positive input voltage and load connected to the reference potential are shown. The converter structures are exemplarily drawn with MOSFET. As a load, a series connection of light-emitting diodes is drawn. The switch parallel to the load (S2) is drawn as a simple switch. It should be pointed out again, however, that in order to increase the slope, a series connection of at least two simultaneously activated active switches makes sense. It should also be noted that the occurring losses of the diodes can be reduced in a known manner by antiparallel active switches. However, the additional expense of the required drive circuit for this auxiliary switch must be examined in accordance with the application. Since the currents are relatively low in the control of UV diodes, this additional effort does not seem justified, for large currents such. but it can be useful in electroplating. The application is not limited to light-emitting diodes or laser diodes, although the initial idea was to gain converters for producing rapidly increasing UV light flashes. There are certainly applications in chemistry and technology (e.g., electroplating) where such pulses can be usefully employed.

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 21 shows the application of the construction method to a classical buck converter, FIG. 2 to a zeta converter, FIG. 3 to a Cuk converter, FIG. 4 to a buck converter with prefilter, FIG. 5 to a boost converter with output filter, FIG 6 on a special boost converter, which has both a continuous input and 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.FIG. 8 shows a step-down converter with a duty cycle limited to more than 50%, FIG. 8 shows a step-down converter with a quadratic dependence of the output voltage on the duty cycle, and FIG on a step-up / step-down converter with quadratic dependence of the output voltage on the duty cycle.

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.The operation will be discussed by way of example with reference to FIG. 1. The normal converter operation is performed by clocking the active switch (Sl); if this is switched on, the current rises through the inductance (L) and at the same time through the load (LD). If the active switch (Sl) is switched off, the current commutes through the coil (L) into the diode (D) and the current through the inductance (L) and at the same time through the load (LD) sinks. To generate current pulses, the second active switch (S2) comes into play.

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.If this is switched on, then the load (LD) is bridged. At the same time the first active switch (Sl) is turned on, the current in the coil (L) increases faster, since now the full input voltage (Ul) and not the difference voltage between input voltage (Ul) and voltage at the load (LD) at the Coil (L) is located. If Sl is switched off, the current commutates into the diode (D). The current decreases now relatively slowly, since only losses (resistance of the coil, on-resistance of S2 and forward voltage of the diode (D)) cause the demagnetization. If now the second active switch (S2) is switched off, the coil current commutates into the load (LD). It may be useful to simultaneously control the two active switches (S1, S2). Both active switches (S1, S2) are allowed to be switched on until the desired current in the coil has been reached, then both are switched off and the current is commutated abruptly into the load (LD). Of course you can first switch off the first active switch (Sl) and then briefly delay the second one (S2). By this measure, the commutation of the first active switch (Sl) in the diode is already completed before the commutation begins in the load and has no influence on this commutation.

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 4The task of finding topologies for DC-DC converters which supply current pulses with high edge steepness is achieved according to the invention by removing the capacitor which is connected in parallel with the output terminals and instead switching an active switch or at least two series-connected, simultaneously activated active switches. be who can or can cause the current of the inductance in the on state. P105 / fh / 20130307 4/9 3 For the converters thus obtained, the converter is current-regulated or the current of the coil connected to the output terminal of the converter is regulated to the peak current. Furthermore, the active switch of the converter and the switch or the series-connected simultaneously activated active switches which are parallel to the load as a replacement of the output capacitor, are switched simultaneously, or that the active switch of the converter and the switch or the connected in series simultaneously driven active switch, which / are parallel to the load as a replacement of the output capacitor, are synchronized to each other. Furthermore, it may be true that the release of the pulses via a device which is driven by an additional low-frequency enable signal with adjustable frequency and duty cycle, takes place. P105 / fh / 20130307 5/9 4

Claims

1. A method for obtaining the topology for a converter for generating current pulses with high edge steepness from the topology of a DC / DC converter, in which an inductance is connected to an output terminal, characterized in that lying parallel to the output terminals Capacitor is removed and instead of an active switch or at least two series-connected, simultaneously controlled active switch is / are switched, the or can cause the current of the inductance in the on state can / can.

2. A device for generating current pulses with high edge steepness according to a topology according to claim 1, characterized in that the converter is current-controlled.

3. A device for generating current pulses with high edge steepness according to a topology according to claim 1, characterized in that the current of the coil, which is connected to the output terminal of the converter, is regulated to the peak current.

4. A device for generating current pulses with high edge steepness according to a topology according to claim 1, characterized in that the active switch of the converter and the switch or the series-connected simultaneously activated active switch, the / are parallel to the load as a replacement of the output capacitor, be switched simultaneously.

5. A device for generating current pulses with high edge steepness according to a topology according to claim 1, characterized in that the active switch of the converter and the switch or the series-connected simultaneously activated active switch, the / are parallel to the load as a replacement of the output capacitor, be switched synchronized with each other.

6. An apparatus for generating current pulses with high edge steepness according to a topology according to claim 1, characterized in that the release of the pulses via a device which is driven by an additional low-frequency enable signal with adjustable frequency and duty cycle takes place. P105 / fh / 20130307 6/9 5