AT527205A4

AT527205A4 - Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller

Info

Publication number: AT527205A4
Application number: ATA114/2023A
Authority: AT
Inventors: Himmelstoss Dipl -Ing Dr Felix
Original assignee: Felix Himmelstoss Dipl Ing Dr
Priority date: 2023-10-06
Filing date: 2023-10-06
Publication date: 2024-12-15
Also published as: AT527205B1

Abstract

Der hier vorgeschlagene Hochtiefsetzsteller hat einen linearen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Tastverhältnis. Ein Zweiquadrantenbetrieb ist möglich. Der Konverter eignet sich zum Ansteuern von Gleichstrommaschinen, zum Laden und Entladen von Batterien, zum Ansteuern ohmsch-induktiver Aktuatoren und zum Betrieb von lichtemittierenden Dioden. Die Schaltung besteht aus vier strombidirektionalen elektronischen Schaltern (S1, S2, S3, S4) mit zugehöriger Treiberschaltung, einer Spule (L1) und einem Kondensator (C1). In einer Taktperiode laufen drei Schalterzustände hintereinander ab. Im ersten sind S1 und S2 eingeschaltet, die Spule wird aufrnagnetisiert. Im zweiten leiten die Schalter S2 und S3 und der Strom in der Spule bleibt nahezu konstant, und im dritten Zustand leitet S4 und Energie der Spule (L1) wird an den Ausgangskreis abgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft bidirektionaler Hachtiefsetzsteller, bestehend aus einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklenune (2) einer positiven (4) und einer negativen Ausgangsklemme (33, vier elektronjschen strombidirektionalen Schalter (S1, S2, 53, S4)

einer Spule (1.1), einem Kondensator (C 1}.

Oiheichstrommaschinen, ins besonders permanent erregte, werde nach in großem Maßstab eingesetzi. Die hier vorgeschlagene Schaltung ermöglicht die Spannung an der Maschine über die Betriebsspannung anzuheben und hat einen linearen Zusammenzganse zwischen Drehzahl und dem Tastverhältnis mit dem gesteuert wird. Kın Zweiquadrantenbeirieb ist möglich. Der Konverter eignet sich auch zum Laden und Entladen von Batterien, zum Ansteuem olmschinduktiver Aktuatoren und zum Betrich von lichtemtitierenden Dioden hier ist aber nur der Einquadrantenbetrieh nötig. Die Schaltanz besticht aus vier strambidirektionalen elektronischen Schaltern mit zugehöriger Treiberschaltung, einer Spule und zinem Kondensator, Die Schaltung wird an Hand von Figuren erläutert, Fig, 1 zeigt die Schaltung des Leistunzsteils des Konverters, Fig. 2 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältals und

Fig, 3 zeigt einige mögliche Lasten,

Fig, | zeigt die Grundschaltung, Als Last dient der Widerstand R1 und die strombidirektionalen Schalter sind beispielhaft mit MOSPETs gezeichnet, Zuerst wird der Betrieb von UT auf U2 betrachtet, wie es bei Antreiben einer Gleichstrommaschimue oder zum Laden von Batterien erforderlich ist. Die Maschine bat eine Ankerinduktivität und beim Laden von Batterien ist eine Induktivität in Serie zu diesen geschaltet, Der Beirieb erfolgt in drei Moden. Im Modus MI sind die Transistoren ST und SZ eingeschaltet, die Fingangsspannung fegt an der Spule LI und der Strom steigt. Wird nun S1 ausgeschaltet, so schaltet automatisch die parallel zu 53 hegende Diode ein und Modus M2 beginnt. (Anmerkung: es werden strombidirektionale Schalter verwendet, d.h. antıparaliel zum Schalter liegt eine Diode, hei einem MOÖSFET ist das die Bodydiode). Die Spule L1 Ist nun kurzgeschlossen und die Spannung an ihr ist nabezu null und der Strom bleibt praktisch

konstant, Der Schalter S3 kana nun eingeschaltet werden um die Durchlassverhusie zu

reduzieren, Achaltet man nun auch den elektronischen Schalter 82 ab, so kommutiert der Strom der Spule in die Diede von $4, nun legt die negative Ausgangsspannung an der Spule

und der Strom nimmt ab, Auch hier kann während des Freilaufs der aktive Schalter S4 eingeschaltet werden um die Durchlassverluste zu reduzieren, Im stationären Betrieb muss die

Spannung an der Spule im Mittel null sein. Das Spannungszeitgleichgewicht ergibt sich mit

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gJektronischen Schalter ST und dd, für den elektronischen Schalter 52 zu ER di T 5 | En id x €, } T

und das führt zum Spannunssübersetzungsverhältnis

Man sieht, dass zwei Eingriffmöglichkeiten vorhanden sind, Das Tastverbältnis von S2 wird größer als das von S1 gewählt, Sind beide Tastverhältnisse gleich groß, so ergibt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis eines Hachtiefsetzstellers, ebenso, wenn das Tastverhältnis von S7 kleiner ala das von ST ist, Auch hier ergibt sich dann das Übersetzungsverhältnis eines Hochtießetzestellers mit dem Tastverhältnis von da. In diesen beiden Fällen fehlt die Phase des Kurzschlausses und der Konverter wechselt von Modus MI direkt in den Modus M3. Fig, 2 zeigt das Cleichspannungsübersetzungsverhüältnis bei konstantem Tastverbältnis von SZ als Parameter und varablem Tastverhältuis von S1, Mas sicht, dass das Cleichspannungsübersetzungsverhältnis linear ist und nicht mehr gekrümmt. Die gekrümmte Keonnlinie ist die Kenne eines Hoachtießetzatellers, Neben dieser Linearisterung Under man noch einen weiteren interessanten Aspekt dieses Konverters, der für die Regelung von Vorteil ist, Dazu wird das dynamische Modell des idealen Konverters (die Bauteile haben keine

parasıtären Widerstände und der Schaltvorgang ist anendlich schoell} beirachtet, Die

Zustandsgleichengen für den Modus M1 (S1 und S2 leiten) lauten

üb 26 Gt ce OB dt Aa uf 6

Der dritte Modus M3 wird darch

Im zweiten Zustand M2, wenn SZ und 83 (oder die parallel liegende Diode) leiten, ergibt sich

di { ü Ati, 3 cn u F Ri

at Es cH CE

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erhält man das Modell des Konverters zu

Dieses Modell ist nichtlinearn, Um die Laplace Transformation anzuwenden und die UÜbertragungs funktionen zu bestimmen, wird das Modell um den Arbeitspunkt Incarisiert, Die Arbeitspunkturößen sind mit Großbuchstaben mit Index 0 gekennzeichnet und die

Störung durch Klivinbuchstaben mit einem Dach darüber, Es ergibt sich das Husare

Klemsignalmodell des Konverters zu

Mit Abkürzungen für die Elemente der Zusiandsmatrix, und der Eingangsmatrix kann man

schreiben

Laplace Transformatron Lefert

X

08 nA | 7,165) | U

UEAE)

Bir Rz Pia De 00020 Ball AL OA ES

hy Se

x Der Nenner für alle möglichen sechs UÜbertragungsfunktionen ergibt sıch zu N AS day

Von besonderem Interesse sind die Übertragungsfunktionen der Ausgangsspannung In Abhängigkeit der Tastverhältnisse, weil über diese die Steuerung (Regelung) des Konverters

erfolgt.

3

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Tastverhältnis von S1 ergibt sich

Zehen DC Do

Es gibt keine Nulistelle, das System ist ein Phasenminimumsystem, Betrachtet man aber den

Einfluss des Tastverhältnisses für den Schalter SZ, so ergibt sich

Zexhier Cru 2

5 Sb > Ay Bis .

Da Bas negativ ist, bedeutef dies, dass die Nullstelle rechts liest, also ein Nichtphasenminimumsystem vorhegt, Eine Nullstelle rechts schiebt den Phasengang um weitere minus 90 Grad. Das geregelte System wird dadurch Ianusamer (der Durchtriittspunkt

des offenen Kreises muss mehr nach finks verschoben werden) und die Dynamık smkt.

Aus dieser Betrachtung erkennt man, dass man den Kanverter so betreiben wird, dass das Tastverhältnis d2 konstant gehalten wird und die (rasche) Regelung des Konverters über d1 erfolet, £s sei hier angemerkt, dass Konverter, die hochsetzendes Verhalten außveisen, Nichtphasenminimumsysteme sind, also Nulistellen auf der rechten Seite der komplexen Zahlenebene aufweisen und daher schwerer zu regeln sind als Konverter, die keine oder

Aullstelfen auf der linken Seite haben,

Damit ist der Einquadrantenbetrieb beschrieben, Will man die angeschlossene Maschine kontrolliert bremsen bzw. Energie rückspeisen (auch von einer Batterie), so sind die Schalter Sa und S3 anzusteuern. Die anderen Schalter dienen dann wieder nur zur U berbrückung der

Dioden von ST und 52,

Schalter man S4 ein, so baut sich der Strom umgekehrt zur ursprünglichen Zählrichtung, also negativ auf. Schalter man S4 aus, so schalten automatisch die Dioden von ST und 52 ein und

Energie wird in die Eingangsquelle gespeist, Das Spannungszeitgleichgewicht ergibt sich zu U

Es ergibt sich ein klassisches Hochtiefsetzsteller Spannungsübersetzungsverhälinis,

Schaltet man aber gleichzeitig mit S4 auch $3 sin, so Legt an LI die Ausgangsspannung,

Schalter man nun 54 aus, so kommutiert der Strom der Spule in den Kreis Diode yon $2 und

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janerhalb von d,T eingeschaltet werden muss} ein Spannungszeitgleichgewicht von

EC ch)

Geregelt wird aber dann der Strom beim Bremabetrich, ader beim Rückspeisen aus der

Batterie,

Die Aufgabe, einen Hochtiefsetzsteller mit finearem Zusammenhang zwischen Ausyansssnannung und Tastverhälinis xu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die positive Kingangsklemme {1} der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1} geschaltet ist, an den negatiyen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1} die positiven Anschlüsse des zweiten (S2) und des drition strambidtrektionalen Schalters {83} geschaltet sirul, an den negativen Anschluss des zweiten sirombidirektionalen Schaulters (NZ) der posıfive Anschluss des vierten strombidirekfionalen Schalters (S4) und der erste Anschluss der Spüle {LI} geschaltet stand, an den negative Anschluss des vierten strombidirektiunalen Schalters (84) die negaftve Ausgangsklemme (3) und der negative Anschluss des Kondensators (€'1) geschaltet sind und die negafive Eingangsklamme (2), der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (53). der zweite Anschluss der Spüle {L1}, und die positive Ausgangaklemme (4) miteinander schaltet sind, und der positive Anschluss des Kundensators (CC 1) ist entweder an die

yositiyve Einganesklemme {1} oder an die nasıtive Ausgangskleamme (4) geschaltet, Be) Bea X & = DZ

Um parasıtäre Induktivitäten und einen kompakten Aufbau zu ermöglichen wird man den ersten (S1} und den dritten strombidirektionalen Schalter (83) und den zweiten (S2) und den vjerten strombidirektionalen Schalter (S4} als Halbbrückenmodul ausführen, oder den ersien {S1), den zweiten (52), den dritten (S4} und den vierten strombidirektionalen Schalter (S4)

gemeinsam in einem Modul verschalten.

Für kleine Leistungen ist os sinnvoll, dass der erste (ST) der zweite (52), der dritte (53) und der vierte strambidirektionale Schalter (S4}, die zugehörigen Treiberstufen und weitere

Steuerelektonik in einem integrierten Schalikreis verschäaftet sind.

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manchmal notwendig, dass zwischen der positiven (1) und der negativen Eingangsklomme (2)

ein Kondensator geschaltet ist.

Als Last wird zwischen der positiven (4} und der negativen Ausgangsklemme (3) die Serlenschaltung einer Spule und einer Batterie, oder eine CHeichstrommaschine, oder ein ohmsch-induktiver Aktuator, oder eine Spule in Serie mut einer uder mehreren in Serie

geschalteten Licht emittisrenden Dioden geschaltet,

Wird nur ein Einquadrantenbetrich benötigt, so genügt es, dass vom dritten (S3} und vierten

strombidirektionalen Schalter (SD nur die Diaecde verwendet wind,

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Claims

1 Bidirektonaler Hachtiefsetzsteller, bestehend aus einer positiven {1} urn einer

negativen Eıngal lemme (2), einer positiven (4} und einer negativen

Ausgangsklemme (3), vier elektronischen strombidirektionalen Schalter ({S1, 52, S3, S4) einer Spule (LT), einem Kondensator (O1) dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme {1} der positive Anschluss des ersten strombidirektionafen Schalters (ST) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) die positiven Anschlüsse des zweiten (S2) und des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (582) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S-) und der erste Anschluss der Spule {LI} geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten sirombidirektionalen Schalters {S4) die negative Ausgangsklemme (3) und der negative Anschluss des Kondensators {C1} geschaltet sind und die negative Eingangsklemme {2}, der negative Anschluss des dritten strambidirektionalen Schalters (S3 der zweite Anschluss der Spule {LI}, und die positive Ausgangsklamme (4) miteinander verschaltet sind, und der positive Anschluss des Kondensators (C1) ist entweder an die positive Eingangsklemme {1} oder an die positive Ausganasklemme (4) geschaltet,

2, Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (ST) und der driite strombidirektionale Schalter (S3} und der zweite (S2) und der vierte strambidirektionale Schalter (84) als Halbbrückenmodul ausgeführt sind

3, Bidirektionaler Hochtießsetzsteller gemäß Anspruch | dadurch gekennzeichnet, dass der erste {ST} der zweite (S2), der ılritte (S4) und der vierte stroambidirektionale Schalter (S4} gemeinsam in einem Modul verschaltet sind,

4. Bidirektionaler Hochtiefsetzateller gemäß Anspruch | dadurch gekennzeichnet, dass der erste (81), der zweite (S2), der dritte (S4) und der vierte strombidirektionale Schalter (S4) und die zugehörigen Treiberstufen in einem inteurierten Schaltkreis verschaltet sind.

5. Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller gemäß Anspruch | dadurch gekennzeichnet, dass der erste {S1}, der zweite (S2), der dritte (83) und der vierte strombidirektionale 2255 e

Schalter (S4}, die zugehörigen Treiberstufen und weitere Steuerelektonik in einem

inteurierten Schaltkreis verschaltet sin

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8,

S.

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10

Bidirektionaler Hachtiefsetzeteller gemäß einem der Ansprüche | bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven {1} und der negativen Eingangsklemme {2} em Kondensator geschaltet ist.

Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bıs 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven (4) und der negativen Ausgangsklemme (3) die Serienschaltung giner Spule und einer Batterie geschaltet ist.

Bidirektianaler Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven (4) und der negativen Ausgangsklomme (3) eine Cleichstrammaschine oder ein ohmsch-induktiver Aktuator geschaltet ist. Bidirektionaler Hochtießetzsteller gemäß einem der Ansprüche | bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven {4} und der negativen Ausgangsklemme {3} eine Spule in Serie mit einer oder mehreren in Serie geschalfeten Licht emittierenden Dioden geschaltet ist,

Bidirektionaler Hachtießetzsteller gemäß einem der Ansprüche I bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass vom dritten ({S3) und vierten strombildirektionalen Schalter (54)

nur die Diode verwendet wird,

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