AT526768A4 - DC-DC converter with quadratic step-up and step-down behavior - Google Patents
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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.Square boost-buck converter consisting of an electronic switch (S1), a second diode (D2) and a third diode (D3), a first (C1) and a second capacitor (C2), a first coil (L1) and a second coil (L2), two jointly controlled anti-serial current bidirectional switches (S2, S3), a positive (1) and a negative input terminal (2) to which the input voltage (U1) is applied, a positive (3) and a negative output terminal (4) to which the load is connected. All electronic switches are controlled simultaneously. The DC-DC converter is suitable as a coupling converter for solar generators and for controlling DC machines.
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 The invention relates to a DC-DC converter, consisting of a positive {1} and a negative input terminal {2} to which the input voltage {U1} is applied, a positive {3} and a negative output terminal {4} to which the load is connected, and an electronic switch {81}. a first {D1}, a second diode {DZ} and a third diode {D3}, a first {C1} and a second capacitor {(C2), a first coil {L1} and a second coil {L2}, wherein the first connection of the first coil {L1} and the cathode of the second diode {D2} are connected to the positive input terminal {1}, the positive connection of the electronic switch {S1} and the first connection of the first capacitor {C1} are connected to the second connection of the first capacitor {C1}, the cathode of the first diode (DI) and the anode of the second diode (D2) are connected to the second connection of the first capacitor {C1}, the anode of the third diode {D3} and the second connection of the second coil (L2} are connected to the anode of the first diode {D1}, the cathode of the third diode (D3)}, the first connection of the second capacitor {C2} and the positive output terminal {3} are connected and the negative output terminal {4}, the second terminal of the second capacitor {C2}, the first terminal of the second coil {L2}, the negative terminal of the electronic switch {S) and the negative input terminal (Z} are connected to each other
verbunden sind, are connected,
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 The invention in question is based on the article by Dragan Maksimaovic and Slobadan Cuk, “Switching converters with wide DC conversion range,” JEEE Transactons on Power Electranies, vol, 6, no. 1. pp. 151-157, Järı 1991. In the following, the basic circuit is first examined and the potential for improvement is determined, then the conversion to the new converter is described.
erläutert, explained,
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 The figures show the output circuit {Fig. 1} and the associated signal curves (Fig. 2} and the three modifications of the basic circuit {Fig. 3 to Fig. 5}. MOSFETs are shown as switches as an example. Fig. 3 shows the DC-DC converter with an additional electronic switch 52 in series with the diode D1. In Fig. 4, the diode D1 is replaced by two anti-serial current-bidirectional switches (the body diodes are not shown separately). Fig. 5 shows a voltage-bidirectional switch {reverse-blocking IGBT} instead of the diode D1. New technologies such as GaN and SiC transistors and diodes are of course also suitable and have the advantage of faster switching and, depending on the application, better efficiency. It should also be pointed out that in practical implementation, snubber circuits in parallel with the semiconductor elements can be useful.
können um Überspannuhgen zu vermeiden und auch das Störverhalten zu verbessern. to avoid overvoltages and also to improve the interference behavior.
Um ein gutes Verständnis eines Konverters zu bekommen ist es am besten, sich die Spannungs- und 5 + To get a good understanding of a converter it is best to look at the voltage and 5 +
Stromverläufe an den Baüutellen im eingeschwungenen Zustand zu skizzieren. Dabei nimmt man To sketch the current curves at the components in the steady state.
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Spannung an C1 (Fig, 2.6) und der Strom durch L1 sinkt. Das Spannungs-Zeit Gleichgewicht beträgt Voltage at C1 (Fig, 2.6) and the current through L1 decreases. The voltage-time equilibrium is
EdT = (= Ur { — d} . 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 This results in the voltage at the capacitor (Fig. 2.c) depending on the input voltage U1 (Fig. 2.d) and the duty cycle d as
He A Ze j a 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 If we look at the second coil, we can see that during mode M1, the voltage from C1 is applied to it (the diode D1 conducts in this mode) and when the transistor S1 turns off, D1 also turns off and the current through L2 commutes in DZ. Now the negative voltage from C2, which is also the output voltage, is applied to L2 (Fig. 2.e). For the second coil, this results in the
Spannungs-Zeit Gleichwicht zu Voltage-time equilibrium to
ed ed
Damit kann man die Ausgangsspannung berechnen zu This allows you to calculate the output voltage as
Das Spannungsübersetzungsverhältnis ergibt sich somit zu The voltage transformation ratio is thus
Ma al Sn Ur dd Ma al Sn Ur dd
Us { d ) Us { d )
Mar ist nun in der Lage die Spannungen an den anderen Bauteilen zu zeichnen. Mar is now able to draw the stresses on the other components.
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 The voltage at the electronic switch S1 is zero during the on time and during the off time in mode M2 it is the sum of the voltage at C1 and the input voltage U1 (Fig, 2.1}. Next we consider the voltage at D2. When the transistor 51 is on, the
3 3
D D
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ersten Modus die negative Summe von Kondensatorspannung an C1 und Ausgangsspannung U2 {Fig Zi first mode the negative sum of capacitor voltage at C1 and output voltage 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 Now we consider the currents starting from the load current {Fig, 2.]}. The currents through the capacitors are on average zero in the steady state. The following applies to the output capacitor C7: in state M2 it has to supply the output, so the negative load current flows through it (this is constant because the capacitor was chosen to be sufficiently large). During M3, according to Kirchhoff's node law, the current through L2 minus load current IR flows through C2. The average value results from the area balance (charge balance) (Fig. 2.k). Now the current through L2 can be drawn. The average value is known and a current ripple of one unit is chosen {Fig. 2.1). Since the current through LZ while M2 is flowing through the diode D3, this current can now also be drawn (Fig. 2.m}. Next, consider the current through C1. While M1, the discharging current from L2 flows through the capacitor C1. While M2 is flowing, the current from L1 (charging) flows through €1 (Fig. 2.n}. Since the average value of the current through the coil L1 is now known, the current through L1 can be drawn (Fig. 2.6}. The current ripple is
willkürlich zu einem Kästchen gewählt, Aus dem Ladungsglieichgewicht der Kondensatoren ergibt sich arbitrarily chosen to a box, From the charge balance of the capacitors results
X 1 X1
£ £
ff pl Dia In N ff pl Dia In N
Zr. 2= zn. 7: Zr. 2= zn. 7:
1 d N 1 d N
ad EdT - dT 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 If we now consider the current through the electronic switch, we can see that during its on time it is the sum of the two coil currents (Fig. 2.p). During this time, the current through D1 is equal to the current through L2 (Fig. 2.g). During the off time of the active switch
fießt der Strom durch L1 durch O2 {Fig. Zr) und der Strom dureh L2 durch D3 {Fig. 2m} the current through L1 flows through O2 {Fig. Zr) and the current through L2 through D3 {Fig. 2m}
Das Spannungsübersetzungsverhältnis des Konverters The voltage transformation ratio of the converter
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größer als die Ausgangsspannung U2 ist, Der Konverter kann daher nur als Tiefsetzsteller verwendet is greater than the output voltage U2, the converter can therefore only be used as a buck converter
werden, become,
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, There are now several possibilities to make the circuit (Fig. 1) into a square boost-buck converter. The diode D1 must be replaced by an electronic AC switch {such a switch can take voltage in both directions and carry current in both directions; at present such a switch is only assembled discretely, by an anti-serial connection of two bidirectional switches; however, one can expect that such an element will soon be available as semiconductor technology advances}. There are therefore three discrete options. One can either connect a second electronic switch (52, current bidirectional switch e.g. 8th MOSFET with anti-parallel diode) anti-serially to the diode DI,
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 Fig. 3), or at higher power (and voltage), when IGBTs are used, an IGBT that is not reverse conducting (voltage bidirectional switch 54, Fig. 5), or the diode D1 is replaced by two anti-serially connected current bidirectional switches (S2 & 83, Fig. 4). The switches 52 and 53 can be controlled simultaneously with a driver stage. All these additional
Schalter werden synchron mit dem ersten aktiven Schalter {S1} angesteuert. Switches are controlled synchronously with the first active switch {S1}.
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 This small change means that a higher voltage than the input voltage can now be generated. A square boost-buck converter can also be generated by connecting two classic boost-buck converters in series. Compared to this variant, the present invention has the advantage that only one potential-free driver is required to control the
aktiven Schalter erforderlich ist und nicht zwei wie in der vorher genannten Methode, active switch is required and not two as in the previously mentioned method,
Die Variante mit den zwei antiseriellen strombidirektionalen aktiven Schaltern hat auch beim Tiefsetzen den Vorteil von geringeren Verlusten, wenn aktive Schalter mit geringem The variant with the two anti-serial current bidirectional active switches also has the advantage of lower losses when bucking, if active switches with low
Durchlasswiderstand vorhanden sind. On-resistance is present.
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 It is also useful to connect an additional capacitor in parallel to the input terminals to eliminate the influence of the supply line inductance. It may also be useful to use a snubber
Netzwerke zur Vermeidung von Überspannungen einzufügen, to insert networks to prevent overvoltages,
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dass statt der ersten Diode {D1} ein AC-Schalter verwendet wird, that an AC switch is used instead of the first diode {D1},
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-Furthermore, the additional electronic switch {S2} or the two additional voltage bidirectional switches (SZ, S3}) or the voltage bidirectional switch (S4) or the AC
Schalter synchron zum ersten elektronischen Schalter (S1} angesteuert, Switch controlled synchronously to the first electronic switch (S1},
Um Überspannungen, verursacht durch die Zuleitungen zum Gleichspannungswandler, zu vermeiden To avoid overvoltages caused by the supply lines to the DC-DC converter
wird parallel zu den Eingangsanschlüssen {1, 2} ein weiterer Kondensator geschaltet, another capacitor is connected in parallel to the input terminals {1, 2},
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