AT521411B1 - Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Übersetzungsverhältnis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2) Klemme, zwischen denen die erste Spannung (U1) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme, zwischen denen die zweite Spannung (U2) angeschlossen ist, vier strombidirektionalen Schaltern (S1, S1, S2, S2) einer ersten und einer zweiten Spule (L1, L2) und einem Kondensator (C1). Die Transistoren sind in Serie geschaltet und können zu je zwei Halbbrücken bestehend aus (S1) und (S1) bzw. (S2) und (S2) zusammengefasst werden. Das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis beträgt M= U2 = d2 u1 (1-d)2
Description
BIDIREKTIONALER HOCH-TIEFSETZSTELLER MIT HOHEM ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNIS
[0001] Die Erfindung betrifft Konverter, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2) Klemme, zwischen denen die erste Spannung (U+) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme, zwischen denen die zweite Spannung (U>»2) angeschlossen ist bzw. abgegriffen wird, vier strombidirektionalen Schaltern (S;, S1,S>, 52), einer ersten und einer zweiten Spule (L+, L2) und einem Kondensator (C+), wobei an die erste positive (1) Klemme der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S,) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S,) der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters ($,) und ein Anschluss der zweiten (L>) Spule geschaltet ist, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters ($,) der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S,) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S,) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S,) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L>) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S,) die zweite positive Klemme (3) geschaltet ist und die erste (2) und zweite (4) negative Klemme mit einander verschaltet sind.
[0002] Die Schaltung besteht aus vier strombidirektionalen Schaltern (aktive Schalter mit antiparallel liegenden passiven Schaltern; realisiert beispielhaft durch IGBTs mit antiparalleler Diode), die in Serie geschaltet sind. Eingangs- (U) und Ausgangsspannung (U) sollten durch eine Eingangs- (Ci) und eine Ausgangskapazität (Co) gepuffert werden. Die Kapazitäten können dabei aus einzelnen Kondensatoren oder aus Serien- und/oder Parallelschaltungen von Kondensatoren gebildet werden. Man benötigt weiterhin noch eine Kapazität (C-+) und zwei Induktivitäten (L+4, L>).
[0003] In der Patentliteratur sind Hoch-Tiefsetzsteller mit zwei Halbbrücken bekannt. Die gegenständliche Erfindung ergänzt diese Schaltungen mit einer zusätzlichen Spule L1 und einen zusätzlichen Kondensator C1. Dadurch entsteht ein quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller.
[0004] US 2013/0033786 A1 (MAO HENGCHUN et all) zeigt Konverter mit drei Klemmen (Dreipolkonverter) mit einer zusätzlichen Schutzvorrichtung. Als Beispiel werden dabei gezeigt der synchrone Buck, der synchrone Boost und der nichtinvertierende Buck-Boost Konverter. Mit Hilfe dieses Konzepts kann der Einschaltstrom begrenzt und kontrolliert werden. An der dritten Klemme des Konverters ist ein zusätzlicher Schalter, bestehend aus aktiven Schaltern oder Kombinationen aus aktiven Schaltern und Dioden, geschaltet, der den Konverter mit der jeweils zweiten Klemme des Eingangs bzw. des Ausgangs des Systems verbindet. Durch Tackten dieses zusätzlichen Schalters können die Kondensatoren des Dreipolkonverters strombegrenzt geladen und so der Einschaltstromstoß verhindert werden.
[0005] EP 1689069 A2 (LINEAR TECHN INC) zeigt einen Konverter mit zwei aktiven und zwei passiven Schaltern und einer Spule mit der sowohl hochgesetzt, tiefgesetzt und nichtinvertierend hoch-tiefgesetzt werden kann. Der spezielle Aspekt dieser Schaltung ist die Erfassung des Stroms im Konverter. Es wird dazu nur ein Shunt benötigt, der gegen Masse geschaltet ist und daher ein relativ ungestörtes Messen ermöglicht. Verschiedene Steuerverfahren des Konverters sind möglich.
[0006] US 2007/0085519 (XU PENG) zeigt von der Konverterstruktur her denselben Ansatz wie EP 1689069 A2 und ermöglicht Hochsetzen, Tiefsetzen und Hoch-Tiefsetzen. Die Dioden sind jedoch durch aktive Schalter ersetzt. Damit können die Schalter durch zwei Halbbrücken gebildet werden. Auch die Straommessung erfolgt an einer anderen Stelle. Auch hier sind verschiedene Steuerverfahren möglich.
[0007] US 2016/0181920 A1 (DAI HEPING et all) zeigt einen bidirektionalen nichtinvertierenden Hoch-Tiefsetzsteller, der auch der Struktur von US 2007/0085519 entspricht. Im Weiteren wird in der Offenlegungsschrift die Ansteuerung behandelt.
[0008] Zusammenfassend kann man sagen, dass keine der obigen Topologien der gegenständ-
lichen Erfindung entspricht. Sie alle zeigen Hoch-Tiefsetzsteller mit der Möglichkeit Halbbrücken zu verwenden. Durch den Einbau des zusätzlichen Kondensators (C+) zwischen den Halbbrücken und den negativen Anschlussklemmen (2,4) bei der gegenständlichen Erfindung wird jedoch nicht
ein nichtinvertierender Hoch-Tiefsetzsteller mit dem Spannungsübersetzungsverhältnis — son-
2 dern ein quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller mit dem Spannungsübersetzungsverhältnis (&)
erzielt. Dadurch unterscheidet sich die Schaltung deutlich gegenüber den bekannten Schaltungen.
[0009] Die Figuren zeigen den Aufbau des Leistungsteils und das Prinzip der Ansteuerung der Transistoren.
[0010] Fig. 1 zeigt den Konverter beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet und
[0011] Fig. 2 beispielhaft mit IGBTs.
[0012] Fig. 3 skizziert den Aufbau der Ansteuerung mit einem Vollbrückentreiber und [0013] Fig. 4 mit zwei Halbbrückentreibern.
[0014] Die Ansteuerung der aktiven Schalter wird auf den Schaltpunkt A bezogen. Es werden dabei immer gleichzeitig S, und S, eingeschaltet bzw. S, und $,. Schaltungstechnisch kann dies durch einzelne Treiber erfolgen (z.B. Optotreiber) oder durch je zwei Halbbrückentreiber (8), die jeweils invertiert (erfolgt durch einen Inverter (9)) angesteuert werden oder durch einen Vollbrückentreiber (6). Da die negative Eingangs- (2) und die negative Ausgangsklemme (4) miteinander verbunden sind, wird daher diese Verbindung meist der Bezugspunkt der Schaltung sein. Daher wird die Steuerelektronik sich auf diesen Punkt beziehen. Das Steuersignal 6 für den Leistungsteil muss daher potentialgetrennt (mittels Potentialtrennstufe (5)) den Treiberstufen zugeführt werden. Die Steuersignale für die aktiven Schalter sind g1_. bezogen auf A für S1, g1ı4 bezogen auf den Verbindungspunkt zwischen S; und S; für S,, gz. bezogen auf A für S, und g24 bezogen auf den Verbindungspunkt zwischen S, und S, für S,. Die Hilfsversorgung (Up) für die Treiberstufen wird durch einen potentialgetrennten DC/DC Wandler (7) erzeugt (z.B. aus der Versorgung für die restliche Steuerelektronik oder aus der Eingangsspannung oder aus der Ausgangsspannung).
[0015] Die Funktion des Konverters ist einfach dargestellt unter der Voraussetzung idealer Bauelemente, im eingeschwungenen Betrieb, bei kontinuierlichem Strom durch die Spulen und so großen Kondensatoren, dass sich die Spannung an ihnen innerhalb einer Taktperiode nicht ändert. Mit dem Tastverhältnis d (Einschaltzeit von S1 und S2 bezogen auf die Taktperiode) kann man für die Induktivitäten das Spannungs-Zeit-Gleichgewicht anschreiben. Es gilt für die erste Spule L 4
U,d = Uc(1—d)
U = U d
a7 1a
und für L>
(Ur +Ue1)d = (Uer1 +U,)(1 — d).
[0016] Damit ergibt sich
d? U, = U, a=5* [0017] Es ergibt sich daher für das Spannungsübersetzungsverhältnis U, dd U, A-d?
[0018] Der Konverter ist ein Hochtiefsetzsteller mit besonders großer Hochsetzwirkung. Die Schaltung ist bidirektional, d.h. sie eignet sich für einen Energietransfer von U+y nach U2 und um-
gekehrt. Die Zählpfeile sind für eine Energieflussrichtung von U+ nach U; gezeichnet.
[0019] Der Konverter eignet sich als bidirektionales Netzteil, als Lade- und Entladevorrichtung für Batterien, Akkumulatoren, Superkapazitäten, als Zweiquadrantenantrieb für einen DC Motor oder induktiven Aktuator und zur Kopplung von zwei stark unterschiedlichen Gleichspannungsnetzen.
[0020] Durch Parallelschalten von Kondensatoren zu den aktiven Schaltern kann Schalten bei Nullspannung ermöglicht werden und so die Schaltverluste vermieden werden. Der Konverter kann im kontinuierlichen und im diskontinuierlichen Mode betrieben werden.
[0021] Die Aufgabe einen bidirektionalen Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass an den Zusammenschluss des negativen Anschlusses des ersten bidirektionalen Schalters (S,) mit dem positiven Anschluss des zweiten bidirektionalen Schalters (S,) der erste Anschluss der ersten Spule (L;) geschaltet ist und an den Zusammenschluss des negativen Anschlusses des zweiten bidirektionalen Schalters (S,) mit dem positiven Anschluss des dritten bidirektionalen Schalters (S,) der negative Anschluss des Kondensators (C+) geschaltet ist, der positive Anschluss des Kondensators (C:) und der zweite Anschluss der ersten Spule (L+;) an die Verbindung von erster (2) und zweiter (4) negativer Klemme geschaltet sind.
[0022] Dabei ist sinnvoll, dass zwischen der ersten positiven (1) und der ersten negativen (2) Klemme und zwischen der zweiten positiven (3) und der zweiten negativen (4) Klemme je ein Kondensator (Ci, Co) geschaltet ist.
[0023] Zur Verringerung parasitärer Induktivtäten ist es vorteilhaft, dass der erste (S,) und der zweite strombidirektionale Schalter (S,), ebenso wie der dritte (S,) und der vierte strombidirektionale Schalter (S,) als Halbbrückenmodul ausgeführt sind.
[0024] Eine Vereinfachung der Ansteuerung wird dadurch erzielt, dass die vier strombidirektionalen Schalter (S,, S1, S2, S,) durch zwei Halbbrückentreiber (8) oder einen Vollbrückentreiber (6) angesteuert sind.
[0025] Um es zu ermöglichen, dass die Transistoren bei Spannung null geschaltet werden, ist es sinnvoll, dass parallel zu den vier strombidirektionalen Schaltern (S,, S1, S>, S,) je ein Kondensator geschaltet ist.
Claims (5)
1. Konverter, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2) Klemme, zwischen denen die erste Spannung (U+) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme, zwischen denen die zweite Spannung (U2) angeschlossen ist bzw. abgegriffen wird, vier strombidirektionalen Schaltern (S,, Si, S,, S,), einer ersten und einer zweiten Spule (L+4, L2) und einem Kondensator (C+), wobei an die erste positive (1) Klemme der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S,) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S,) der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S$,) und ein Anschluss der zweiten (L2) Spule geschaltet ist, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S;) der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S,) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S,) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S,) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S>) die zweite positive Klemme (3) geschaltet ist und die erste (2) und zweite (4) negative Klemme mit einander verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zusammenschluss des negativen Anschlusses des ersten bidirektionalen Schalters (S,) mit dem positiven Anschluss des zweiten bidirektionalen Schalters (S,) der erste Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist und an den Zusammenschluss des negativen Anschlusses des zweiten bidirektionalen Schalters (S;) mit dem positiven Anschluss des dritten bidirektionalen Schalters (S,) der negative Anschluss des Kondensators (C+) geschaltet ist, der positive Anschluss des Kondensators (C+) und der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an die Verbindung von erster (2) und zweiter (4) negativer Klemme geschaltet sind.
2. Konverter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten positiven (1) und der ersten negativen (2) Klemme und zwischen der zweiten positiven (3) und der zweiten negativen (4) Klemme je ein Kondensator (Ci, Co) geschaltet ist.
3. Konverter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S,) und der zweite strombidirektionale Schalter (S,), ebenso wie der dritte (S,) und der vierte strombidirektionale Schalter (S,) als Halbbrückenmodul ausgeführt sind.
4. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vier strombidirektionalen Schalter (S,, Si, S2, S,) durch zwei Halbbrückentreiber (8) oder einen Vollbrückentreiber (6) angesteuert sind.
5. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den vier strombidirektionalen Schaltern (S,, S1, S2, S2) je ein Kondensator zur Ermöglichung des Schaltens bei Spannung null geschaltet ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Publications (2)
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|---|---|---|---|---|
| AT527566A4 (de) * | 2023-11-03 | 2025-04-15 | Felix Himmelstoss Dipl Ing Dr | Invertierender Hochsetzsteller mit drei Zuständen |
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2018
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| AT527566B1 (de) * | 2023-11-03 | 2025-04-15 | Felix Himmelstoss Dipl Ing Dr | Invertierender Hochsetzsteller mit drei Zuständen |
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