AT526768A4 - Gleichspannungswandler mit quadratischem Hoch- und Tiefsetzverhalten - Google Patents

Abstract

Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller bestehend aus einem elektronischen Schalter (S1), einer zweiten Diode (D2) und einer dritten Diode (D3), einem ersten (C1) und einem zweiten Kondensator (C2), einer ersten Spule (L1) und einer zweiten Spule (L2), zwei gemeinsam angesteuerte antiserielle strombidirektionale Schalter (S2, S3), einem positiven (1) und einem negativen Eingangsanschluss (2), an die die Eingangsspannung (U1) angelegt wird, einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4), an die die Last angeschaltet ist. Alle elektronischen Schalter werden gleichzeitig angesteuert. Der Gleichspannungswandler eignet sich als Koppelkonverter für Solargeneratoren und zur Ansteuerung von Gleichstrommaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandier, bestehend aus einem positiven {1} und einem negativen Eingangsanschluss {2}, an die die Eingangsspannung {U1} angelegt wird, einem positiven {3} und einem negativen Ausgangsanschluss {4}, an die die Last angeschaltet ist, einem elektronischen Schalter {81}. einer ersten {D1}, einer zweiten Diode {DZ} und einer dritten Diade {D3), einem ersten {C1} und einem zweiten Kondensator {(C2), einer ersten Spule {L1} und einer zweiten Spule {L2}, wobei an die positive Eingangsklemme {1} der erste Anschluss der ersten Spule {L1} und die Kathode der zweiten Diode {D2} geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der ersten Spule der positive Anschluss des elektronischen Schalters {S1} und der erste Anschluss des ersten Kondensators {C1} geschaltet sind, an den zweiten Anschluss des ersten Kandensators {C1} die Kathode der ersten Diode (DI) und die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet sind, an die Anode der ersten Diode {D1} die Anade der dritten Diode {D3} und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2} geschaltet sind, ar die Kathode der dritten Diode (D3)} der erste Anschluss des zweiten Köndensators {C2} und die positive Ausgängsklemme {3} geschaltet sind, und die negative Ausgangsklemme {4}, der zweite Anschluss des zweiten Kondensators {C2), der erste Anschluss der zweiten Spule {L2}, der negative Anschluss des elektronischen Schalters {S) und die negative Eingangsklemme (Z} miteinander

verbunden sind,

Die gegenständliche Erfindung baut auf dem Artikel Dragan Maksimaovic und Slobadan Cuk, „Switching converters with wide DC conversion range,“ JEEE Transactons on Power Electranies, vol, 6, no. 1. pp. 151-157, Järı 1991, Im Folgenden wird zuerst die Grundschaltung untersucht und das Verbesserungspotential festgestellt, anschließend wird der Umbau auf den neuen Konverter

erläutert,

Die Figuren zeigen die Ausgangsschaltung {Fig. 1} und die dazugehörigen Signalver[äufe (Fig, 2} und die drei Abwandlungen der Grundschaltung {Fig 3 bis Fig, 5}. Beispielhaft sind MOÜSFETs als Schalter gezeichnet, Fig. 3 zeigt den Gleichspannungswandler Mit zusätzlichem elektronischen Schalter 52 In Serie zur Diode D1, In Fig. 4 wird die Diode D1 durch zwei antiserielle strombidirektionale Schalter (die Body-Dioden sind nicht extra gezeichnet} ersetzt. Fig. 5 zeigt an Stelle der Diode D1 einer spannungsbidirektionalen Schalter {rückwärtssperrenden IGBT}. Neue Technologien wie GaN und SiC Transistoren und Dioden eignen sich natürlich auch und haben den Vorteil des schnelleren Schaltens und je nach Anwendung einen besseren Wirkungsgrad, Es soll auch hingewiesen werden, dass bei der praktischen Realisierung Snubber Schaltungen parallel zu den Halbleiterelemnenten sinnvoll sein

können um Überspannuhgen zu vermeiden und auch das Störverhalten zu verbessern.

Um ein gutes Verständnis eines Konverters zu bekommen ist es am besten, sich die Spannungs- und 5 +

Stromverläufe an den Baüutellen im eingeschwungenen Zustand zu skizzieren. Dabei nimmt man

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Spannung an C1 (Fig, 2.6) und der Strom durch L1 sinkt. Das Spannungs-Zeit Gleichgewicht beträgt

EdT = (= Ur { — d} .

Damit ergibt sich die Spannung am Kondensator (Fig, 2.c} in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U1 (Fig. Z.d}) und dem Tastverhältnis d zu

He A Ze j a

Betrachtet man die zweite Spule, so erkennt man, dass während dem Mode M1.die Spannung von C1 an ihr legt (die Diode D1 leitet in diesem Modus} und wenn der Transistor S1 ausschaltet, schaltet auch D1 aus und der Strom durch L2 kommutiert in DZ. Nun Hegt die negative Spannung von C2, die auch gleichzeitig die Ausgangsspannung ist, anrı L2 (Fig, 2.e). Für die zweite Spule ergibt sich somit das

Spannungs-Zeit Gleichwicht zu

ed

Damit kann man die Ausgangsspannung berechnen zu

Das Spannungsübersetzungsverhältnis ergibt sich somit zu

Ma al Sn Ur dd

Us { d )

Mar ist nun in der Lage die Spannungen an den anderen Bauteilen zu zeichnen.

Die Spannung am elektranischen Schalter S1 ist null während der Einschaltzeit und während der Ausschaltzeit in Modus M2 die Summe aus Spannung an C1 und der Eingangsspannung U1 (Fig, 2.1}. Als nächstes betrachten wir die Spannung an D2. Wenn der Transistor 51 eingeschaltet ist, liegt die

3

D

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ersten Modus die negative Summe von Kondensatorspannung an C1 und Ausgangsspannung U2 {Fig Zi

Nun betrachten wir die Ströme ausgehend vom Laststrom {Fig, 2.]}. Die Ströme durch die Kondensatoren sind im eingeschwungenen Zustand im Mittel null. Für den Ausgangskendensator C7 gilt: im Zustand M2 muss er den Ausgang versorgen, daher fließt der negative Laststrom durch ihn (dieser ist konstant, da der Kondensator entsprechend groß gewählt wurde), Während M3 fließt gemäß des Kirchhoffschen Knotengesetzes der Strom durch L2 minus Laststrom IR durch C2. Der Mittelwert ergibt sich aus dem Flächengleichgewicht (Ladungsgleichgewicht} (Fig. 2.k). Nun kann der Strom durch L2 gezeichnet werden. Der Mittelwert ist bekannt und es wird ein Stromripple von einer Einheit gewählt {Fig. 2.1). Da der Strom durch LZ während M2 durch die Diode D3 Hießt, kann nun auch dieser Strom gezeichnet werden (Fig. 2.m}. Als nächstes betrachtet. man den Strom durch C1. Während M1 fließt der entladende Strom von L2 durch den Kondensator C1. Während M2 feßt der Strom von L1 (aufladend} durch €1 (Fig. 2.n}. Da nun wieder der Mittelwert das Stroms durch die Spule L1 bekannt ist, kann man den Strom durch L1 zeichnen (Fig, 2.6}. Der Stromrippie wird

willkürlich zu einem Kästchen gewählt, Aus dem Ladungsglieichgewicht der Kondensatoren ergibt sich

X 1

£

ff pl Dia In N

Zr. 2= zn. 7:

1 d N

ad EdT - dT

Betrachtet man nun den Strom durch den elektronischen Schalter, so ergibt sich für ihn während seiner Einschaltzeit die Summe aus beiden Spulenströmen (Fig, 2.p}). Der Strom durch D1 ist während dieser Zeit gleich dem Strom durch L2 (Fig. Z.g}. Während der Ausschaltzeit des aktiven Schalters

fießt der Strom durch L1 durch O2 {Fig. Zr) und der Strom dureh L2 durch D3 {Fig. 2m}

Das Spannungsübersetzungsverhältnis des Konverters

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größer als die Ausgangsspannung U2 ist, Der Konverter kann daher nur als Tiefsetzsteller verwendet

werden,

Es gibt nun mehrere Möglichkeiten die Schaltung (Fig. 1} zu einem quadratischen Hoch-Tiefsetzeteller zu machen, Man muss die Diode D1 durch einen elektronischen AC-Schalter ersetzen {ein solcher Schalter kann Spannung in beiden Richtungen aufnehmen und Stram in beiden Richtungen führen; derzeit wird so ein Schalter nur diskret zusammengesetzt, durch eine antiserielle Schaltung von zwei strambidirektionalen Schaltern; man. kann aber erwarten, dass mit Fortschreiten der Halbleitertechnologie ein solches Element baldızur Verfügung steht}, Als diskrete Möglichkeiten ergeben sich somit drei Varianten. Man schaltet entweder zur Diode DI antiseriell einen zweiten elektronischen Schalter (52, strombidirektionalen Schalter z.8. MOSFET mit antiparalleler Diode,

Fig. 3), oder bei größerer Leistung (und Spannung), wenn IGBTs verwendet werden, einen IGBT der nicht rückwärtsieitend ist (spannungsbidirektionaler Schalter 54, Fig, 5), oder man ersetzt die Diode D1 durch zwef antiseriell geschaltete strombidirektionale Schalter {S2 & 83, Fig. 4). Die Schalter 52 und 53 können mit einer Treiberstufe gleichzeitig angesteuert werden, Alle diese zusätzlichen

Schalter werden synchron mit dem ersten aktiven Schalter {S1} angesteuert.

Durch diese kleine Änderung kann nun auch eine höhere Spannung als die Eingangsspannung erzeugt werden. Ein quadratischer Höch-Tiefsetzsteller kann auch dürch die Kettenschaltung van zwei klassischen Hoch-Tiefsetzstellern erzeugt werden. Gegenüber dieser Variante hat die gegenständliche Erfindung den Vorteil, dass nur ein potentialfreier Treiber zum Ansteuern der

aktiven Schalter erforderlich ist und nicht zwei wie in der vorher genannten Methode,

Die Variante mit den zwei antiseriellen strombidirektionalen aktiven Schaltern hat auch beim Tiefsetzen den Vorteil von geringeren Verlusten, wenn aktive Schalter mit geringem

Durchlasswiderstand vorhanden sind.

Sinnvoll ist es auch einen zusätzlichen Kondensator parallel zu den Eingangsklemmen zu schalten um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität zu beseitigen, Es kann sich auch als sinnvoll erweisen Snubber

Netzwerke zur Vermeidung von Überspannungen einzufügen,

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dass statt der ersten Diode {D1} ein AC-Schalter verwendet wird,

Weiters wird bzw. werden der zusätzliche elektronische Schalter {S2} oder die beiden zusätzlichen strambidirektionalen Schalter (SZ, S3}) oder der spannungsbidirektionale Schalter (S4) oder der AC-

Schalter synchron zum ersten elektronischen Schalter (S1} angesteuert,

Um Überspannungen, verursacht durch die Zuleitungen zum Gleichspannungswandler, zu vermeiden

wird parallel zu den Eingangsanschlüssen {1, 2} ein weiterer Kondensator geschaltet,

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Claims (1)

1. 2, Gleichspannungswandler bestehend aus einem positiven {1} und einem negativen Eingangsanschluss (2). an die die Eingangsspannung (U1} angelegt wird, einem pasitiven (3} und einem negativen Ausgangsanschluss (4}, an die die Last angeschaltet ist, einem elektronischen Schalter {S1}, einer ersten {D1}, einer zweiten Diode (D2} und einer dritten Diode (D3}, einem ersten {C1) und einem zweiten Kondensator {C2), einer ersten Spule {L1} und einer zweiten Spule {L2}, wobel an die positive Eingangsklemme {1} der erste Anschluss der ersten Spule (L1} und die Kathode der zweiten Diode {D2) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der ersten Spule der positive Anschluss des elektronischen Schalters {S1} und der erste Anschluss des ersten Kondensators (C1) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators {C1} die Kathode der ersten Diode {D1} und die Anode der zweiten Diode (D2)} geschaltet sind, an die Anade der ersten Diode (D1} die Anade der dritten Diode {D3} und der zweite Anschluss der zweiten Spule {12} geschaltet sind, an die Kathode der dritten Diode (D3) der erste Anschluss des zweiten Kondensators {C2} und die positive Ausgangsklemme {3} geschaltet sind, und die negative Ausgangsklemme (4), der zweite Anschluss des zweiten Kondensators {C2), der erste Anschluss der zweiten Spule {12}, der negative Anschluss des elektronischen Schalters {S} und die negative Eingangsklemme {2} miteinander verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass zu der ersten Diode (D1} äntiseriell ein zweiter strombidirektionaler Schalter (S2) geschaltet ist, oder dass die erste Diode {D1} durch zwei gemeinsam angesteuerte antiserielle strambidirektionale Schalter {S2, 53) ersetzt wird, oder dass an Stelle der ersten Diode (D1} ein spannungsbidirektionaler Schalter (S4} verwendet wird, oder dass statt der ersten Diode {D1} ein AC-Schalter verwendet wird.

   2, Gleichspannungswandier gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche elektronische Schalter (52) oder die beiden zusätzlichen strombidirektionalen Schalter (52, 53) oder der spannungsbidirektionafe Schalter (S4} oder der AC-Schalter synchron zum ersten elektronischen Schalter (S1} angesteuert wird.

   ba Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 und Z dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu

   den Eingangsanschlüssen {1, 2} ein weiterer Kondensator geschaltet ist,

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