AT521287A1 - Tiefsetzsteller zur Erzeugung kleinerer Spannungen mit zusätzlichem Energiespeicher - Google Patents

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AT521287A1
AT521287A1 ATA137/2018A AT1372018A AT521287A1 AT 521287 A1 AT521287 A1 AT 521287A1 AT 1372018 A AT1372018 A AT 1372018A AT 521287 A1 AT521287 A1 AT 521287A1
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Michael Jungmayer Bsc
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Reduzierung der Ausgangsspannung mit zusätzlichem Zwischenspeicher, bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (S1, S2, S3), zwei Dioden (D1, D2), einem Kondensator (C1), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Uin) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (Uout) abgegriffen wird. Dabei gilt, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (C1) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (C1) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und der Anode der zweiten Diode (D2) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) an die Kathode der ersten Diode (D1) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (D1) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.

Description

Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Reduzierung der Ausgangsspannung mit zusätzlichem Zwischenspeicher, bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (Sb S2, S3), zwei Dioden (Di, D2), einem Kondensator (Ci), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Uin) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (UOut) abgegriffen wird.
Dabei gilt, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (Ci) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (Ci) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und der Anode der zweiten Diode (D2) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) an die Kathode der ersten Diode (Di) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (Di) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.
(Fig. 1)
T41/fh/20180511 / 10
Tiefsetzsteller zur Erzeugung kleinerer Spannungen mit zusätzlichem Energiespeicher
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Reduzierung der Ausgangsspannung mit zusätzlichem Zwischenspeicher, bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (Si, S2, S3), zwei Dioden (D|, D2), einem Kondensator (Ci), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Ujn) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (Uout) abgegriffen wird.
Zweck dieses Tiefsetzers ist, bedingt durch einen zusätzlichen Energiespeicher, kurzfristig mehr Energie zur Verfügung zu stellen als die Eingangsquelle liefern kann. Dies kann z.B. für rasche Beschleunigung eines Motors oder bei stark schwankender Last von Bedeutung sein.
Die Figuren zeigen die Grundschaltung des Konverters (Fig. 1) und mögliche Lasten (Fig. 2), die an den Konverter zwischen den Ausgangsklemmen (dort ergibt sich die Spannung Uout) geschaltet werden können. Die Grundschaltung ist beispielhaft mit n-Kanal MOSFETs gezeichnet. Diese sollen die aktiven Schalter repräsentieren. Als mögliche Lasten sind dargestellt: Fig. 2a Ausgang eines Schaltnetzteils mit LC Filter und ohmscher Last, Fig. 2.b eine Gleichstrommaschine typischerweise permanent oder fremderregt, Fig.2.c Leuchtmittel beispielhaft lichtemittierende Dioden und Fig. 2.d LEDs mit einer in Serie geschalteten Diode um ein rasches Abschalten zu gewährleisten, wenn diskontinuierlicher Betrieb oder Pulsbetrieb gefordert ist.
Die Konverterschaltung (Fig. 1) wird unter der Annahme einer Last gemäß Fig. 2.a im eingeschwungenen Zustand beschrieben. Weiters ist vorausgesetzt, dass der Kondensator Ci so groß ist, dass sich die Spannung an ihm während eines Konverterschaltzykluses praktisch nicht ändert und dass er z.B. auf Ujn/2 aufgeladen ist. Die Bauteile werden als ideal angesehen.
Folgende vier Zustände weist der Konverter auf:
• Model: S, aS2 λS3 —> „echtes Treiben“ • Mode 2: S, a S2 a S3 —> „reduziertes Treiben“ • Mode 3: S, aS2 aS3 -> „reduzierter Freilauf ‘ • Mode 4: S, aS2 aS3 —> „Freilauf4
Im Mode 1 sind Si und S2 leitend, S3 ist gesperrt. Damit liegt die Spannung Um weniger Uout an der Spule Lp Diese Spannung ist positiv, daher nimmt der Strom in der Spule zu.
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Um aus diesem Treibzustand mit der vollen Eingangsspannung in den Freilauf zu kommen, muss zuerst der Schalter S3 eingeschaltet werden. Damit bleibt der Stromfluss gleich, werden jedoch nun Sj und S2 ausgeschaltet, dann kann ein Freilauf über Di, S3, D2 stattfinden (Mode
4). Die Spannung an der Spule Li ist nun die negative Ausgangsspannung Uout, der Strom nimmt ab.
Schaltet man nun wieder S2 ein, so kommt es zu einem reduzierten Freilauf. Der Strom der Spule L2 kommutiert nun von der Diode D2 in den Kondensator Ci. Der Strom fließt entgegen der Spannungsrichtung und entlädt daher den Kondensator Ci. Energie wird aus dem Kondensator in den Ausgang übertragen (Mode 3). Die Spannung an der Spule Li ist nun die Kondensatorspannung reduziert um die Ausgangsspannung Uout, der Strom nimmt ab, wenn die Spannung negativ ist (U2>Uci) und er nimmt zu, wenn die Spannung positiv ist (Uou^Uci). Man erkennt, dass die Spannung negativ sein muss, damit der Strom weiter abnimmt. Schaltet man jetzt wieder S2 aus, kommutiert der Strom wieder in D2 (Mode 4). Um den Freilauf zu beenden, muss S3 ausgeschaltet und Si eingeschaltet werden. Der Spulenstrom kommutiert damit in Si und lädt nun wieder Ci nach (Mode 2). Anschließend kann wieder in den Mode 1 gewechselt werden, indem man S2 wieder einschaltet.
Die Einschaltdauer von Mode 2 und 3 muss so gestaltet werden, dass die Spannung am Kondensator Ci im eingeschwungenen Betrieb konstant bleibt.
Da die Kommutierung vom Freilauf in die Treibphase die Gefahr eines Kurzschlusses der Eingangsspannung über Ci mit sich bringt, muss in Serie zu Si eine Einschaltentlastung vorgesehen werden, am besten eine ohne prinzipbedingte Verluste (z.B. gemäß AT 505 534 Bl).
Um die Überspannung an den Schaltelementen, verursacht durch die Zuleitungsinduktivität, zu vermeiden, wird man zwischen die Eingangsklemmen eine zweite Kapazität (kann auch aus mehreren Kondensatoren gebildet sein) schalten.
Bei größeren Leistungen kann es auch sinnvoll sein, zur Reduktion von elektromagnetischen Störungen oder zur Reduktion der Schaltverluste Ausschaltentlastungen für die aktiven Schalter zu verwenden.
Die Aufgabe einen Tiefsetzsteller mit zusätzlichem Energiespeicher zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) mit dem positiven
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Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (Ci) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (Ci) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und der Anode der zweiten Diode (D2) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) an die Kathode der ersten Diode (Di) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (Di) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.
Weiters ist es sinnvoll, dass die Einschaltentlastung durch eine Einschaltentlastung ohne prinzipbedingte Verluste realisiert ist und dass zwischen den Eingangsklemmen (1,2) ein zweiter Kondensator geschaltet ist.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    1. Vorrichtung zu Reduzierung der Ausgangsspannung mit zusätzlichem Zwischenspeicher, bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (Si, S2, S3), zwei Dioden (Di, D2), einem Kondensator (Ci), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Ujn) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (Uout) abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (Ci) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (Ci) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und der Anode der zweiten Diode (D2) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) an die Kathode der ersten Diode (Di) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (Di) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.
  2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltentlastung durch eine Einschaltentlastung ohne prinzipbedingte Verluste realisiert ist.
  3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangsklemmen (1,2) ein zweiter Kondensator geschaltet ist.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20040066178A1 (en) * 2002-10-02 2004-04-08 Tomomichi Mizoguchi DC/DC converter
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