AT527201A4 - Hochsetzsteller mit gekoppelten Spulen und zwei Eingriffsmöglichkeiten - Google Patents

Hochsetzsteller mit gekoppelten Spulen und zwei Eingriffsmöglichkeiten Download PDF

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AT527201A4 ATA106/2023A AT1062023A AT527201A4 AT 527201 A4 AT527201 A4 AT 527201A4 AT 1062023 A AT1062023 A AT 1062023A AT 527201 A4 AT527201 A4 AT 527201A4
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Abstract

Hochsetzsteller, bestehend aus einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), aus einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), zwei elektronischen Schaltern (S1, S2) mit entsprechender Ansteuerschaltung, zwei Dioden (D1, D2), zwei magnetisch miteinander gekoppelten Wicklungen (N1, N2) und einem Kondensator (C1). Im kontinuierlichen Betrieb laufen in der Taktperiode drei Moden ab. Im ersten Modus sind beide elektronischen Schalter (S1, S2) eingeschaltet, beide Dioden (D1, D2) sperren. Im zweiten Modus wird der erste elektronische Schalter (S1) ausgeschaltet, dadurch schaltet die erste Diode (D1) ein. Im dritten Modus wird auch der zweite Schalter (S2) ausgeschaltet und die zweite Diode (D2) schaltet ein. Der Vorteil des Konverters ist die Vermeidung des Einschaltstromstoßes, wenn der Konverter an ein starres DC Netz geschaltet wird. Zusätzlich ergibt sich ein Spannungsübersetzungsverhältnis mit zwei Eingangsgrößen, den Tastverhältnissen der beiden Schalter. Das Spannungsübersetzungsverhältnis wird zusätzlich linearisiert. Zwei Varianten werden ebenfalls dargestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochsetzstefler (zur besseren Übersicht mit zwei unabhängigen Aysprüchen formuliert), bestehend aus einer posifiven {1} und einer negativen. Kingangsklemme (2), an die die Eingangsspannung (U1) angelegt ist, aus einer positiven (3} und einer negativen Ausgangsklomme (4), an die die Last angeschaltet Ist, zwei elektronischen Schalten (S1, S2) mit entsprechender Ansteuerschaltung, zwei Dioden (DI, DZ) zwei Wicklungen (NT, N2} und einem Kondensator (C1}, wobei die positive Eingangsklemme (1} an die Kathode der ersten Diode (D1} und an den ersten Anschluss der ersten Wicklung {NT} geschaltet ist, an die Verbindung vom zweiten Anschluss der ersten Wicklung {NT) und dem ersten Anschluss der zweiten Wicklung (N2) der positive Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2) geschaltet ist, an den negativen. Anschluss des zweiten slekironischen Schalters (S2) der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S1} und die Anode der ersten Diode (DI) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der zweiten Wicklung die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, an die Kathade der zweiten Diode 09) die pasiiive Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, die negative Kinzanesklemme (2) und die negative Ausgangsklumme (4) verbunden sind und die beiden Wicklungen {N1, N2) magnetisch miteinander gekoppelt sind, bzw. aus einem Hochsetzsteller, bestehend aus seiner positiven (1} und einer negativen Eingangsklemme (2) an die die Einganzsspannung (U1) angelegt ist, aus einer positiven (3) und einer negativen Ansgangsklemme (4) an die die Last angeschaltet ist, zwei olektronischen Schaltern (ST, S2) mit entsprechender Ansteuerschaltung, zwei Dioden (D1, D2), zwei Wicklungen (N1, N2) und einem Kondensator (D1), wobel die positive Eingangsklemme (1) an den ersten Anschluss der ersten Wicklung (N1} geschaltet ist, an die Verbindung von zweitem Anschluss der ersten Wicklung (NT) und dem ersten Anschluss der zweiten Wicklung (NZ) der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S1) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S1} die uegalive Eingangsklemme (2) und die negative Ausganesklemme (4) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der zweiten Wicklung die Anode der zweiten. Diode (D2) geschaltet ist und an die Kathode der zweiten Diode (D2) die
positive Ausganasklemme (3) geschaltet ist,
Die Erändung wird nen an Hand von Abbildungen erläutert, Die Schaltungen sind
beispielhaft mit MOSE
Us gezeichnet. Fig, 1 stellt die Ausgangsschaltung dar, Fig. 2 zeigt den Einschaltstromstoß dieses Kanverters, Fig, 3 zeigt nun die erste Variante der
gegenständlichen Erfindung und Fig, 4, dass dabei der Einschaltstromsioß vermieden wird,
P127 Machsetzstefler mit gekoppelter: Spulem 40 230814
zeigen zwei wollere Varlanten, In Fig, 9 ist das Spannungsübersetzungsverhältnis dargestellt,
DD"
Der Ausgangspunkt ist ein Konverter, der in GM. A. Vaghela and M, A. Mulla, "Tri-State Conpled Inductor Based High Step-Up Gain Converter Without Right Hayud Plane Zero,” in EEE Tragsactions on Circus and Systems I: Express Brieß, vol. 70, no. 6, pp. 2291-2205,
June 2023, dot 10, LIOW/TUSEL2023.3237678 dargestellt ist.
In der Fachliteratur findet man Tonolagien ohne gekoppelte Spulen und zwar für die
Ausgangsvarlante
K. Viswanathan, R. Oruganti and D, Srinivasan, "Daal-mode control af tri-state boost converter for Improved performance,” in IEEE Transactions on Power Electromies, vol. 20,
no, 4, pp. 790.797, July 2005, dei: 10.1109/TPEL.2005.850907,
K, Viswanathan, R. Oruganti and D. Srinivasan, "A novel trisstate boost converter wiih fast dynamios,” in IBEEE Transactions on Power Electronics, vol 17, n0, 5, pp. 677-683, Sept.
2002, dan 10, 1IO8/TPEL. 2002802197.
S, Kı Viswanathan, R. Oruganti and D, Srinivasan, "Dual mode control of trisstate boost converter for Improved performance,” JEBE 34th Anmaal Conference an Power Electronics Specialist, 2003, PESC'03., Acapulca, Mexico, 2003, pp. 944.950 vol.2, doi:
1. 1TOO/PESCL2003.1218182.
Für die anderen Varianten findet man ebenfalls Topologien ohne gekoppelte Spulen und zwar
K. Viswanathban, KR. Oruganti and D, Srinivasan, "Tri-state boost converter wilh no right half plane zen," 4th LEERE International Conference on Power Electronles and Drive Systems, IEEE PEDS 2001 - Indonesia, Proceedings (Cat, Ne.0LTHS094), Denpasar, Indonesia, 2001, op 687-693 vob2, det I. 1LOVPERDS. 2001975402,
S. Kapat, A, Patra and S. Bauerjee, "A novel current controlled tri-state boost converter with superiar dynamic performance,” Z00R FEEE International Symposium on Circalis and
Nystems, Neattle, WA, USA, 2008, pp. 2194-2197, dor 10. 1109/TSCAS 2008.4541887.
Der Konverter besteht aus zwei elektronischen Schaltern ST und S2, zwei gekoppelien Spulen NE NZ und zwei Dioden DI, D2, Parallel zu den Ausganssklammen (3, 4) ist ein Kondensator CI geschaltet und als Last ist ein Widerstand dargestellt, Die Eingangsspannung UT ist zwischen den Eingangsklommen | und 2 angelegt, Diese Schaltung hat wie praktisch
alle Mochsetzsteller den Nachteit eites hohen Einschalistroms, wenn der Konverter an eine
P127 HMochsetzsteller mit gekappelten Spule3 42 0230914
gepuffertes Gleichspannungsnetz (DC micrö-gridı) geschaltet wird,
Kine Idee dieses entstehenden Eingangsstroms erhält man, wenn man ideale Bauteile annimmt und auch noch die Last weplässt, Die beiden Wickfungen NI und N2 bilden zusammen die
Induktivität Liz, Legt man gun die Rpannung UT an, so lässt sich der Strom beschreiben durch
2 di ° N U ze Au sn [ich . Ta € } g
Mit Hilfe der Laplace Transformation kann man den Strom zu
sin!
Ya Ye az |
Fast
berechnen, Der Spitzenstrom ergibt sich zu
{ Sr EA i . Ya
Wenn der Strom negativ wird, endet der Puls, da die Diode D2 sperrt, Die Dauer des Pulses
eruitt sich zu
Fig, 2 zeigt den Verlauf des Stroms durch die Spule, die Ausgangsspammeung und die Einganusspannung, Auf diesem Bild ist die Last angeschaltet. Die Ausgangsspannung schießt in die Höhe und der Kondensator wird durch die Last wieder entladen. Wenn die Ausgangsspannung unter die Einganegsspannung fällt, schaltet D2 wieder ein, Es Kommt zu
einer leichten zedämpften Schwingung.
Um nun diesen großen Strom zo vermeiden, der zu einer Belastung der Bauteile führt, muss mas die Position des Kondensators verändern, Er wird zwischen die pasifive Eingangsklemme (1) und die positive Ausganaskleomme (3) geschaltet. Damit ergibt sich die
m
Schaltung gemäß Fig, 3.
Betrachtet man nun chenfalls das Anschalten einer Spannungsquelie, so kommt es nun zu
keinem Einschaltstromimpals, wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist.
He Funktionsweise der Schaltung soll nun kurz beschrieben werden. Dazu werden ideale
Bauslemente vorausgesetzt (keine Verlustwiderstände, ideales Schalten der
427 Huchsetzsteller mit gekoppelten Spule 1230914
nicht springt.
Das Spannungs-Zeit Cleichgewicht für die Wicklung NIE ergibt sich zu
N, fi N ch) } .
Dich Er {I} m | ' a + Na
Damit Jässt sich die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung UT, der
beiden Tastverhältnisse di und d2, der Windungszahlen der Wieklungen N1 and NZ angeben
Zu
Um eine gute Kopplung zwischen den Wicklungen zu erzielen ist eme bifilare Wicklung
vorteilhaft, Für gleiche Windungszahlen
N a N 22 N ergibt sich die Aussamssspannung und die Spannung am Kondensator Zu
dr S cs
PF127 Hochsetzsteller mit gekappelten Spule 4 40230814
a1 von Schalter S1 ergibt
Fig, 9 stellt das Spannungsübersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von d1 mit d2 als Parameter für ein Windungsverhültuis von eins zu eins dar, Die gekrümmte Kurve stellt das Spanmungsübersetzungsverhältnis des normalen Roost Kanverters mit gekoppelten Spulen (Windungsverhältnis 1:1) zum Vergleich dar, Man sicht, dass bei kleineren Tastverhältnissen höhere Ausgangsspannungen erzielt werden können. Um nach höhere Spannungen zu erzielen
können zwei oder mehrere Konverter in Kaskade geschaltet werden.
Wenn 4, > a, Ist funktioniert die Schaltung wie «in gewöhnlicher Baost Konverter, und die
Ausgängsspantung und die Kondensatorspannung ergeben sich zu
AN
Für Ns Na = N ergibt sich dann
Für den Kondensator gilt, dass im eingeschwungenen Zustand der Strom im Mittel null ist,
Durch den Kondensator Mießt, solange die Diode DZ sperrt, der negative Lastsirom und wenn die ENode leitet, fheßt der negalive Laststrom plus der Strom durch D2, das entspricht dem Strom durch die Wicklungen, Das Lacdungsgleichgewicht kann daher angeschrieben werden gemäß
x
ff \ fach = Peg de Ösah
Zya ist der Mittelwert des Stroms durch N2, wenn D2 leitet. Dieser ergibt sich aus dem
Lasistroam zu
P127 Machsetzsteller mit gekoppelten Spulen [20230914
E32 sperren, bestimmen zu
Zum besseren Verständnis sind in den Figuren 5 und 6 die Ströme durch und die Spannungen an den Bauteilen dargestellt, Dabei hat der Schalter ST ein Tastverbilinis von 30% und 82 ein Tastverhältnis von 50 4. Ober ist der Strom durch die Quelle dargestellt (dieser Strom ist hier negafıv gezeichnet, also in gleicher Richtung wie die Spannung entsprechend dem
Verbraucherzählpfeilsystem), Solange ST eingeschaltet ist, nimmt der Strom zu, wird aber SI
abgeschaltet, so fällt der Strom im Eingang wieder auf den Laststrom zurück. Das nächste Diagramm zeigt den Strom durch den Kondensator, EHeser wird Immer durch den Laststrom durchflossen und dadurch entladen. Wenn jedoch D2 einschaltet, wenn beide Transistoren ausgeschaltet sind, dann wird der Kondensator wieder nachgeladen, Der Strom durch die Wicklung N1 ist im nächsten Verlauf gezeichnet, Solange S1 und 52 leiten, steigt der Strom, wenn nur mehr 52 leitet bleibt er praktisch gleich, wenn auch S2 ausschaltet, so springt de:
Strom auf die Hälfte (da gleiche Windungszahlen für die Wicklungen gewählt wurden) und
sinkt weiter ab. Wenn die beiden Schalter S1 und S2 am Beginn der nächsten Takfperiode wieder einschalten, so springt der Strom wieder auf den doppelten Wert und steigt
entsprechend der Eingangsspannung wieder an. Im nächsten Diagramm. sticht man den Strom durch die Wicklung NZ. Solange DZ sperrt Mießt kein Strom durch die zweite Wicklung, und wenn die Diode D2 leitet, entspricht der Strom dem der Wicklung NT. Die beiden letzten Bilder zeigen die Ströme durch die beiden Dioden. Der Stram durch DZ ist gleich dem Strom durch N2, Der Strom durch NI wird durch DI übernommen, wenn S1 ausschallet aber 52
jettend ist. Der Strom bleibt konstant.
Fig, 6 xeigt die Spammungsverlänfe an des Bauteilen, Im obersten Diagramm sind die Ausgangsspannung und die Eingangsspannung dargestellt, Das nächste Diagramm zeigt die Spannung an S2. Das dritie Diagranım stellt die Spannung an S1 dar. Das vierte und das Üühıfte Diagramm zeigen die Spannungen an der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung, die, bedingt durch das gleiche Windungsverhältnis, gleich sind. Die beiden letzten
Diagramme zeigen die Spannung an den Dioden.
6 PF127 Hochsetzstefler mit gekanpelten Spulerzf 1472308 14
Um die Verluste des Konverters zu reduzieren kann man die Schaltung noch etwas verändern. Wenn Energie aus der Quelle entaommen wird, müssen beide Schalter S1 und S2 eingeschaltet werden. Schließt man jedoch den positiven. Anschluss des Schaliers S1 direkt an die Anzapfunz (den Verbindungspunkt der beiden Wicklungen} und die Sertenschaltung der ersten Diode DI und des zweiten Schaliers 52 parallel zo der ersten Wicklung N, so Hießt nur dann Strom durch 52, wenn die Wicklung kurzgeschloasen wird und nicht schon während der Ladezeit, Die Schaltung zeigt Fig. 7. Ersetzt man die Diode D2 durch einen aktiven elektronischen Schalter S3, der antiseriell zum Schalter SZ geschaltet ist, so kann man beide elektronischen Schalter mit der gleichen Treiberstufe ansteuern, Man braucht daher weiterhin bur emen isolierten Treiber wie bei den anderen Varlanten, Lhiese Variante ist dang sinnvoll, wenn der Spapnungsabfall am Transistor kleiner ist als der an der Diode, Das Schaltbild zeigt Fig, 8. Wichtig ist yun, dass der Schalter S2 in diesen Varianten nur dann emgeschaltet werden darf, wenn ST ausgeschaltet jat! Als Last kann eine obmsch oder ohmsch-induktive
Last verwondet werden.
Die Aufgabe einen Hochsetzsteller olme Einschaltstrom zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass (für Anspruch 1} der Kondensator (1) zwischen der positiven Ausganssklemme {3} und der postiven Eingangsklemme (1) geschaltet ist, bzw. (Für Anspruch 2}, dass der Kondensator (C1} zwischen der positiven Ausgangsklemme (3) und der positiven Eingangsklemme (1); geschaltet ist, die beiden Wicklungen (N1 NZ) auf einem gemeinsamen Magnetkern aufgebracht sind, zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Wicklung {NT} und dem ersien Anschluss der ersten Wicklung (NT) die Serlenschaltung der ersten Diode (DD) und des zweiten elektronischen Schalters (N2} eder eine
Antiserienschaltung zweier elektronischer Schalter (S1, 53) geschaltet ist.
Urs die Wicklungen (MI, N2) gut magnetisch zu koppeln ist es sinmvoll, dass die beiden Wicklungen (N1, N2) bifilar ausgeführt sind, Zur Vermeidung parasitärer Induktivitäten und um einen kompakten Aufbau bei größeren Leistung zu erzielen ist es sinnvoll, dass der erste {S1} und der zweite elektronische Schalter (S72) als Halbbrückenmoduf ausgeführt ist, Ebenso ist os sinnvoll, dass zur Vermeidung von Überspannungen, bedingt durch die Streuung der
gekoppekten Spulen (N1, N2}, eine Entlastungsschaltung vorgesehen ist.
Um höhere Spannungen zu erzielen kann man zwei oder mehrere Hochsetzsteller in Kaskade
schalten.
P127 Hochsetzsteller mit gekoppelten Spule R’} A0230814

Claims (4)

1. Hochsetzsteller, bestehend aus einer positiven (1} und einer negativen FEingangsklemme (2), an die die Eingangsspannung (U1) angelegt ist, aus einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an die die Last angeschaltet ist, zwei elektronischen Schaltern (S1, 52) mit entsprechender Ansteuerschaltung, zwei Dioden (DI, D2), zwei Wicklungen (N1, N2) und einem Kondensator (CL wobei die positive Eingangsklemme (1) an die Kathode der ersten Diode (D1) und an den ersten Anschluss der ersten Wickltung (NT) geschaltet ist, an die Verbindung vom zwaziten Anschluss der ersten Wicklung (N1} und dem ersten Auschluss der zweiien Wicklung (N2) der positive Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2} der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S1} und die Anode der ersten Diode (D1) geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der zweiten Wicklung die Ancıde der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, an die Kathode der zweiten Diode (D2} die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, die negative Eingangsklemme (2) und die negative Ausgangsklemme (4) verbunden sind und die beiden Wicklungen (NL, N2) magnetisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (CT) zwischen der positiven Ausgangsklemme (3) und der pasiüven Einganasklemme {1} geschaltet ist.
2. Hachsetzsteller, bestehend aus seiner positiven (1) und einer negativen
Fingangsklemme (2) an die die Eingangsspannung (UT} angelegt ist, aus einer
positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme {4} an die die Last angeschaltet ist,
zweit elektronischen Schaltern (51, 52) mit entsprechender Ansteuerschaltung, zwei
Dioden (Di, DZ), zwei Wicklungen ({N1, NZ) und einem Kondensator (CL), wobei die
positive Eingangsklemme (1) an den ersten Anschluss der ersten Wicklung (NT}
geschaltet ist, an die Verbindung von zweitem Anschluss der ersten Wicklung (NT) und dem ersten Anschluss der zweiten Wicklung (N2) der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S1} geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten elektronischen Schalters (5 1} die negative Eingangsklemme (2) und die
negative Ausgangsklemme (4) geschaflter sind, an den zweiten Anschluss der zweiten
Wicklung die Anode der zweiten Eiode (DZ) geschaltet ist und ar die Karhade der zweiten Diode (D2) die positive Ausganzsklemme (3) geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C1} zwischen der positiven Ausgangsklemme (3) und der positiven Eingangsklomme (1) geschaltet ist, die beiden Wicklungen (NT,
& F127 Hachsetzsteller mit gekoppelten Spulen {10230914
geschaltet ist,
3. Höchsetzsteller gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekonnzeichnet, dass die beiden
Wieklungen (N1. NZ) bifilar ausgeführt sind.
4. Hochsetzsteller gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (ST und der zweite elektronische Schalter (52) als Halbbrückermodul ausgeführt ist,
&, Hochsetzsteller einem der Ansprüche | bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Überspannungen, bedingt durch die Streuung der gekoppelten Spulen (N1, N2) eine Entlastungsschaltung vorgesehen ist.
5, Hochsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass
zwei oder mehrere Hachsetzsteller in Kaskade geschaltet sind,
PLZ7 Hochsetzsteller mit gekoppelten Spule7g) 1230914
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