AT522723A1 - Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller - Google Patents

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AT522723A1
AT522723A1 ATA245/2019A AT2452019A AT522723A1 AT 522723 A1 AT522723 A1 AT 522723A1 AT 2452019 A AT2452019 A AT 2452019A AT 522723 A1 AT522723 A1 AT 522723A1
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Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
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Fachhochschule Technikum Wien
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/618—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series and in parallel with the load as final control devices

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U1) oder die Last und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U2) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (S1, S1H, S2, S2H) mit parallelgeschalteten Dioden (D1, D1H, D2, D2H), zwei Spulen (L1, L2) und zwei Kondensatoren (C1, C2). Durch die gegenständliche Verschaltung wird ein sehr hohes Spannungsübersetzungsverhältnis erzielt. Die Schaltung eignet sich durch die Bidirektionalität besonders zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten, in Smart Grids, aber auch zum Ansteuern von Gleichstrommaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (Uj) oder die Last und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U,) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (S;, Sıy, S2, Say) mit parallelgeschalteten Dioden
(Di, Dıy, Do, D2y), zwei Spulen (Li, L,) und zwei Kondensatoren (C1, Co).
Fig. 1 stellt die Grundstruktur des bididirektionalen Hochtiefsetzstellers, beispielhaft mit IGBTs gezeichnet, dar. Fig. 2 zeigt die vereinfachte Schaltung (Sıy, S2u sperren) für einen Energiefluss von der Eingangsseite (Klemmen 1, 2) zur Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) und Fig. 3 zeigt die vereinfachte Schaltung (S,, S2 sperren) für einen Energiefluss von der Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) zur Eingangsseite (Klemmen 1, 2). Fig. 4 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis vom Ausgang zum Eingang und Fig. 5 für die umgekehrte
Energieflussrichtung.
Die Funktion der Schaltung soll für einen Energiefluss von der Eingangsseite (Klemmen 1, 2) zur Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) beschrieben werden. Dabei werden ideale Bauteile, kontinuierlicher Betrieb, eingeschwungener Zustand und ausreichend große Kondensatoren, sodass sich die Spannung an ihnen während einer Taktperiode praktisch nicht ändert,
vorausgesetzt. Die Schaltung hat dann zwei Moden:
e MI: beide aktive Schalter sind eingeschaltet, die Dioden sperren
e M2: beide aktive Schalter sind ausgeschaltet, die Dioden leiten
Für das Spannungszeitgleichgewicht an L; gilt U,d =|U, -Uc1|(1-d)
und für die zweite Spule L, kann man anschreiben (U +U-)d =U,(1-d).
Damit ergibt sich für die Ausgangsspannung
_4(2-d) * (1-d)Y 1 T49/fh/20190701
Wenn der Energietransfer von der Ausgangsseite (Klemmen 3 und 4) erfolgt, kann man das
Spannungsübersetzungsverhältnis zu
d? “1-d?
bestimmen. Fig. 5 zeigt dies graphisch.
Bei IGBTs wird es sinnvoll sein, nur jeweils je nach der Energieflussrichtung ein Transistorpaar zu verwenden, da Dioden geringere Flussspannungen haben als der IGBT. Bei kleineren Betriebsspannungen und bei der Verwendung von MOSFETs wird man synchrone Gleichrichtung verwenden um die Durchlassverluste zu verringern. Schaltverluste können durch Parallelschalten von kleinen Kondensatoren zu den Transistoren der Halbbrücken und
der entsprechenden Ansteuerung reduziert oder nahezu beseitigt werden. Dazu benötigt man
aber alle vier aktiven Schalter.
Wird hartes Schalten verwendet, so muss man nur immer beide aktive Schalter gleichzeitig
ein- und ausschalten und zwar je nach der erforderlichen Energieflussrichtung entweder S;, S2
oder Sıy und Sog.
Verwendet man Schalten bei Spannung null (ZVS) muss der Stromfluss in der Entmagnetisierungsphase der Spulen leicht umdrehen können um die parallel neben den aktiven Schaltern liegenden Entlastungskondensatoren umladen zu können, damit man wieder
ohne Schaltverluste in den Mode M1 schalten kann.
Die Schaltung eignet sich durch die Bidirektionalität besonders zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten,
in Smart Grids, aber auch zum Ansteuern von Gleichstrommaschinen.
Die Aufgabe einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die erste positive Eingangsklemme (1) der erste Anschluss der ersten Spule (L1), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Kathode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S,), die Kathode der ersten Diode (Di) und der positive Anschluss des ersten Kondensators (C,) geschaltet sind, und an den
negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S,) die Anode der zweiten Diode (D>), die
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Kathode der vierten Diode (D2y), der positive Anschluss des vierten aktiven Schalters (Say) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L,) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2H) die Anode der vierten Diode (Don), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C,) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters die Anode der dritten Diode (Ds3), der negative Anschluss des ersten Kondensators (C1) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L,) geschaltet sind, und die positive Ausgangsklemme (4), der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C,), die Kathode der dritten Diode (Ds), der negative
Anschluss des ersten aktiven Schalters (S;) und die negative Eingangsklemme miteinander
verbunden sind.
Zur Kompensation der Zuleitungsinduktivität wird zwischen der ersten (1) und der zweiten
Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Ci) geschaltet.
Aus praktischen Gründen ist es sinnvoll, dass die Kondensatoren durch
Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert
sind.
Zur Verringerung der parasitären Induktivitäten ist es empfehlenswert, dass der erste (Sı) und der dritte aktive Schalter (Siy) und die zugehörige erste (Di) und dritte Diode (Sıy), und der zweite (S2) und der vierte aktive Schalter (Sp) und die zugehörige zweite (D>) und vierte
Diode (S>p) in Form von Halbbrückenmodulen verschaltet sind.
Insbesondere bei Verwendung von IGBTs ist es zweckmäßig, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste (Si) und der zweite aktive Schalter (S2) getaktet werden und der dritte (SH) und der vierte aktive Schalter (Say) gesperrt bleiben und ebenso, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der dritte (Sy) und der vierte aktive Schalter (Say) getaktet werden und der erste (S;) und der zweite aktive Schalter (S;) gesperrt bleiben.
Bei Betrieb mit MOSFETs wird man um die Durchlassverluste zu verringern die Ansteuerung so gestalten, dass der der erste (S;) und der zweite aktive Schalter (S,) gleichzeitig getaktet
werden und der dritte (Siy) und der vierte aktive Schalter (S2y) ebenfalls gleichzeitig jedoch
invertiert getaktet werden.
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parallel zu den aktiven Schaltern (S;, S2, Sır, Sau) kleine Kondensatoren zur Schaltentlastung
geschaltet sind.
Naheliegende Anwendung des bidirektionalen Hochtiefsetzstellers sind: Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten
oder als Zweiquadrantentreiberstufe für eine Gleichstrommaschine.
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Claims (9)

1. Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U) oder die Last und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (Si, Sın, S2, S2y) mit parallelgeschalteten Dioden (Di, Dıy, D,, Day), zwei Spulen (L1, L2) und zwei Kondensatoren (C,, C,) dadurch gekennzeichnet, dass an die erste positive Eingangsklemme (1) der erste Anschluss der ersten Spule (L1), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S,) und die Kathode der zweiten Diode (D,) geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S;), die Kathode der ersten Diode (D1) und der positive Anschluss des ersten Kondensators (C,) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S,) die Anode der zweiten Diode (D-.), die Kathode der vierten Diode (Du), der positive Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2u) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L,) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des vierten aktiven Schalters (Say) die Anode der vierten Diode (Du), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C,) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters die Anode der dritten Diode (D3), der negative Anschluss des ersten Kondensators (Ci) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, und die positive Ausgangsklemme (4), der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C,), die Kathode der dritten Diode (D3), der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S,) und die negative Eingangsklemme miteinander verbunden sind.
2. Hochtiefsetzsteller gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Ci) geschaltet ist.
3. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folienoder Keramikkondensatoren realisiert sind.
4. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S;) und der dritte aktive Schalter (Sıy) und die zugehörige erste (Di) und dritte Diode (Sy), und der zweite (S;) und der vierte aktive Schalter (S2y) und die
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5. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste (S;) und der zweite aktive Schalter (S>,) getaktet werden und der dritte (Siy) und der vierte aktive Schalter (Syn) gesperrt bleiben.
6. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der dritte (Sin) und der vierte aktive Schalter (Sy) getaktet werden und der erste (S;) und der zweite aktive Schalter (S;) gesperrt bleiben.
7. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der der erste (Si) und der zweite aktive Schalter (S,) gleichzeitig getaktet werden und der dritte (Siy) und der vierte aktive Schalter (S2y) ebenfalls gleichzeitig jedoch invertiert getaktet werden.
8. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den aktiven Schaltern (S;, S2, Sıy, S2y) kleine Kondensatoren zur Schaltentlastung geschaltet sind.
9. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass er zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten oder als Zweiquadrantentreiberstufe für eine
Gleichstrommaschine verwendet wird.
T49/£fh/20190701 7/14
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT408293B (de) * 1996-07-11 2001-10-25 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Schaltungen zur umformung von gleichspannungen in wechsel-, gleich- oder mischspannungen
US20070279955A1 (en) * 2006-05-30 2007-12-06 Delta Electronics, Inc. Bridgeless pfc converter with low common-mode noise and high power density
TW201414161A (zh) * 2012-09-19 2014-04-01 Nat Univ Chin Yi Technology 雙向升降壓軟開關式轉換器
CN104578773A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 西安理工大学 一种用于双向dc/dc变换器的软开关电路及控制方法

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