AT527566A4 - Invertierender Hochsetzsteller mit drei Zuständen - Google Patents

Abstract

Invertierender Hochsetzsteller, bestehend aus zwei elektronischen Schaltern (S1, S2) mit entsprechender Ansteuerung, drei Dioden (D1, D2, D3), zwei Spulen (L1, L2) und zwei Kondensatoren (C1, C2). Der Konverter hat einige interessante Eigenschaften: kein Eingangsstromstoß, kontrollierte Nachladeimpulse, lineares Spannungsübersetzungsverhältnis, wenn der Konverter über S1 gesteuert und geregelt wird und der andere Schalter S2 mit einem konstanten Tastverhältnis betrieben wird; in dieser Betriebsweise ist der Konverter dann auch ein Phasenminimumsystem.

Description

Die Erfindung betrifft einen invertierender Nochsetzsteller, bestchend aus einem positiven {1}

und einem negativen Eingangsanschluas (2), an die die Eingangsspangung (U 1} angelegt

wird, einem positiven (3) und einem negativen Aussanmsanschluss (4), an die die Last angeschaltet ist, einer eraten (DI} und einer zweiten Disde (DZ) sinem ersten (CL) und einem zweiten. Kondensator (U2) und einer ersten Spale {L1} und einer zweiten Spale (LZ) wobei an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators (C1} die Kathode der zweiten Diode (D2)

ist, ar die Anode der zweiten Diode (DZ) die negative Ausgangsklemme {4}

ueschalte

geschaltet ist und die negative Eingmngsklomme (3) die positive Ausgangsklemme ($) und

der zweite Anschluss der ersten Spule {LI} miteinander verschaftet sind, die zweite Spule (£.2) in Serie zur ersten Dijade (D}1)} geschaltet ist und die Serenschaltung der zweiten Spule

(12) und der ersten Diode (DI zwischen der Kathode der zweiten Diode (DZ) ur der

nezativan Finganssklemme (2) geschulte ist, und der zweile Kondensator (02) entweder zwischen der positiven Ausgangsklemme (3) um der negativen Ausgangsklomme (4) oder zwischen der pasitiven Eingangskleamme (1} und der negativen Ausgangsklomme (4)

gachaltet Ist.

ar Konverter baut auf den Konverter AT S214141 BL der dar ausführlich beschrieben ist.

Dieser Konverter hat sinige interessante Eigenschaften, Die Ausgangsspannühe ist inverfiern!

und höher als die Eingangsspanmung und im Gegensatz zu vielen anderen hochsetzenden Strukturen kann der Einganasstremsioß einfach dadürch vermieden werden, Inden: das Tastverhältnis des elektronischen Schalters von null beginnend gesteigert wird, Weiters karmımt es zu keinen stürenden Nuchladeimpulsen für den ersten Kondensator, Inder hier

dargestellten Erweiterung kommen nach zwei weitere intergesante Kigenschaften hinzu, Das

Cieichspanmungsübersetrungsverbältnis wird inearsiort, die Nallstefle der Übertrauungsfunktion auf der rechten Seite der komplesen Ebene eliminiert und damit die

Regehung vereinfacht,

Der Konverter wird mit Hilfe von Figuren erklärt, Fix, 1 zeigt die Schaltung m Ausuanzaskandensator und Pig, 2 mit Kondensator zwischen Ein- und Ausgang, Die

Schaltungen sind beispielhaft mit MÖSFETs gezeichnet. Fig, 3 stellt das

Anannunesübersetzunusverhältis dar,

Die Veränderung der ursprünglichen Schaltung besicht darin, dass der ursprüngliche

elektronische Schalter durch eine Serlenschaltung von zwei elektromschen Schalten 51, 52

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dritten Dinade (D3} geschaltet.

Für die folgende Funktionsbeschreibung werden ideale Bauteil: (keine Verluste, ideales Schaftverhalten) und der kontinulerliche Betrieb im eingeschwungenen Zustand zu Grunde

gelegt. Der Nachladevergang von C1 hat keinen Einfluss, Der Kondensator CL ist hen AMittel auf UT aufeeladen, Der Nuchladevorgang möss in der Zeit, währen der beide cloktronischen Kchalter eingeschalter sind, abgeschlassen sein, Der Konverler kann rezelungstechnisch als ein System zweiter Ordnung beschrieben werden mit den Zastandsgrößen Strom durch die Spule LI und Spanmme an Kondensator CZ. Pro Taktperiöde laufen drei Zustände

hintereinander ab,

Im ersten Zustand MIT sind beide elektronischen Schalter eingeschaltet, Die Dioden DZ und DA sperren und die Diode DI leiter solange die Nächiadung des Kundensators CL erfolgt feine halbe Nchwinzung des Resonanskreises 12, CTIL Die Eingangsspannung Hegt an der

Spule LE und die Last wird über den zweiten Kondensator (12 versorgt,

Wird nun ST ahbzeschaltet, ao fließt der Strom durch L1 über die Diode DS und über SZ. Die Spule 1.1 at somit kurzeeschlassen, die Spannung an ihr praktisch null und der Strom in ihr

hieibt konstant, Dies ist der Zustand AI

Schalter man nun ebenfalls den zweiten elektronischen Schalter 82 aus, so kömmmtiert der Sirom der ersten Sımle LT in die Diode DR und der dritte Zustand M3 hegiont, Nun liegt die Spannens von C1 (die praktisch UT ist) minus der Ausgangsspannung an der Spule L1. Die

Spannung an der Spule ist sont negatis umd der Strom sinkt.

Das Spannungszeitgleicheewicht an L1 ergibt sich mil. den Tastverhältnissen dd} für S} and d2 für 52 (dus Tastverhältnis ist die Binschaltzeit des elektronischen Schulters bezogen auf die

Schaltperiade} zu

EN ec x A wi

Das Spanmmesühersetzungsverhäültnis ergibt sich damgt zu

Aus dem Spannungsübersetzungsverhältus Bässt sich unmittelbar entnehmen; dass bei konstantem Tastverhältns des zweiten elektronischen Schalters d2 das

Spannungsühersetzunusverhältnis eine Hneare Funktion des Tastverhältleses von SSL

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ATS21411 BE dar,

Für das dynamische Verhalten des Konvertors (Fig. 1) mess man die Zustandsgleichungen vr N Z « X PS aufstellen, Als Last ist der Widerstand RI angenommen. Die Zustandsgleichungen für den

Afodus ML EST und 821 las

letten)} Laufen

beschrichen, Man beschte, dass die Spannung an C1 der Spannung am Eingang folgt, Um das genuttelte Modell zu bekommen werden die CHelchung um Modus MI mid, im Modus M2 mi (cd) und im Modus M3 mit (L-dxy) gewichtet un] addiert, Damit erhält man das Made!

des Konverters zu

Kheses Modell isı nichtlinearn, Um die Laplace Transformation anzuwenden und die Übertragungsfunktionen zu bestimmen, wird das Modell um den Arbeitepunkt Hnearisiort Die Arbeitspunkterößen sind rot Großbuchstaben mit Jade 0 gekennzeichnet and die

Störung durch Kleinbuchstaben mut einem Dach darüber, Es ergibt sich das Hucare

Kleinsitenalmodell des Kunvertars zu

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schreiben

Ö

N

m FO ON SEEN

DAS

Der Nenner für alle möglichen sochs Übertragmmesfunktiönen orgibt sich zu

N an ge m fd

Von besonderem Interesse simd die Übertragenesfunktionen der Ausganesspannenge in Abhängigkeit der Tastverhältnisse, weil über diese die Steaerung (Regelung) des Kanverlers

erfblet,

Für den Zähler der Übertragungsfunktion zwischen der Kondeunsaterspannung und dem

Tastverhälinis von S1 ergibt sich

$ Rıai

ICE Em

Es gibt keine Nullsielle, das System jst ein Phasenminimumsystern, Betrachtet man aber den

Yünfluss des Tastverhältnisses für den Schalter S2, so ergibi sich

Bere hlen f

Da Baz negativ ist, bedeutet dies, dass die Nullsiefle rechts Hegt, also ein Nichtohasenminhmumsystem vorliegt, Eine Nullstelle rechts schieblden Phasengaäng um

tom wird dadurch langsamer (der Darchiritspankt

wwohlere muzus 90 Crac, Das geresche Sy des offenen Kreises muss mehr nach Hnks verschoben werden) une die Danamik sSiokt. Aus dieser Betrachtung erkennt man, dass man den Konverter so betreiben wird, dass das

Tastverhältzis d3 konstant gehalten win und. die (rasche) Regelung des Konverters über d]

erfolgt. Es sei hier angemerkt, dass Konverter, die hüchsetzendes Verhalten aufweisen,

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Auch wenn die Beschreibung für die Ausformung nach Fig, 1 dargestellt wurde, gelten die Ergehnisse auch für die Fig. 2, Bei der Mudelbildung ist dam jedüch zu beachten, dass die

nasspnannung sich aus der Eingangssparstung und der negativen Spannung au LE

ZUSSIMONSGIZE,

Man kann uatürlich alle elektronischen Schalter ST und SZ und die Dioden DZ und D3 durch strombidirektionale Schalter ersetzen Fein elektronischer Schalter anliparallel mit einer Uäader Dann ist auch die umgekehrte © Energieflussrichtung möglich, Dies st zum Beispiel Interessant als Anwendung in DO Netzen oder in Krafifsbrzeugen um Batterien zu laden oder

zu entladen,

Die Aufgabe einen invertierenden Hochsetzsteller zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der Hochsetzsteller einen ersien elektrantschen Schalter (S1} und sinen zweiten efektronischm: Schalter (82) und eine dritte Diode (DA} aufseist, der pasıeve Anschluss des ersten elektranischen Schalters (STyan die positive Kinganasklemme {1} geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten elektromtschen Schalters (S1} an. die Kathenie der dritten Diade (D33 and den positiven Anschluss des zweiten elektronischen Schalters ( Ss} geschaltet ist, die Anode der dritien Diode (D3) an den zweiten Anschluss der ersten Spule {L.13 geschaltet Ist und der erste Anschluss der ersten Spüle {1.1}an den negativen Anschluss des zweiten Schalters (ST und den ersten Anschluss des ersten Kondensators (01) veschaltet 181. Um Verluste zu reduzieren ader um die Energieflussrichtung umkukehren, wird der erste (ST) und der zweite elektronische Schalter (82) and die zweite (D2 hund die dettte Diode (033 durch strambidirektronee Schalter ersetzt. Um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität zu vermeiden wird man zwischen der positiven (1) und der negativen Eingangsklemme (23) einen Kondensator oder eine Kaıbinallon von Kondensatoren schalten,

Um die parasitäre Induküvität zu verringern. kann man den ersten (S1} und den zw eiten

elektranischen Schalter (52) als Haltbrückenmaodul ausführen.

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Claims (1)

1, Invertierender Hochsetssteller, bestehend aus einem positiven (1) und einen negativen Eingangsanschluss (2), an die die Kingangsspännimg (LS) angelegt wird, einem positiven (3) und einem negativen Ausgangsanschluss (4), an die die Last angeschaltet ist, einer ersten (DI } und einer zweiten Diode (DZ) einum ersten (C 1) und een zweiten Kondensator £(C2} und einer ersten Spule (11) und einer zweiten Spule {LZL wober an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators (CC 1} die Kathadır der

zweiten Diade (DZ) geschaltet Ist, an die Anode der zweiten Diode (DZ) die negative

&

halter Ist und die negative Eingangsklemme (Z) die poshive

Ausgangsklemme {4} ges Ausganssklemme (3) und der zweite Anschluss der ersten Spüle (11) miteinander verschaltut sind, die zweite Spule (LZ) in Serie zur ersten Tiode (D{1)} geschaltet al und «ie Nerienschahtung der zweiten Spale (L2) und der ersten Diode (DL) zwischen der Kathode dur zweiten Diode (DZ) und der negativen Eingangsklomme {2} geschaltet ist, und der zweite Kondensator (02) entweder zwischen der positiven Ausganasklemme (3) und der negativen Ausganasklomme (43 oder zwischen der nasitiven Eingangsklemme (1) und der negativen Ausgangsklömme (4) geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller einen ersten elektronischen Schalter (S1) und einen zweiten slekiranischen Schalter (S2) un? sine driite Diede {03} aufweist, der positive Anschluss des ersten elektronischen Schulters (ST) an die positive Fingangsklumme (1} geschaltet ist, der negative Anschluss des erston elektronischen Schalters (S1} an die Kathode der dritten Diode (DS) und den pasitiven Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (52) geschaltet ist, die Anode der dritten Diade (D3) an den zweiten Anschluss der ersten Spule (1.1) geschaltet ist und der erste Anschluss der ersten Sanle (LI) az den negativen. Anschluss des zweiten Schaliers (S1}3 and den ersten Anschluss des ersten Kondensators (O1) geschaltet ist.

2, Invertierender Hochsetzsteller gemäß Anspruch | dadurch gekennzeichnet, dass der ersie {ST} und der zweite elektranische Schalter (82) und die zweit ({2rand die dritie EhNode (DD durch strambidirektionale Schalter ersetzt sind,

A Bidirektionaler Hochtefsetzsteller gemäß einen: der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven (1} und der negativen Eingangsklenume {2 ein Kondensator oder eine KembHnation van Köndensatoren geschaltet ist.

4. Inverterender HochsetzeteHler gemäß einem der Ansprüche | bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S1} und der zweite elektronische Schalter (S2) als

Halbbrückenmachi! ausgeführt sind.

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