AT527723A4

AT527723A4 - Modifizierter schwebender doppelter Hochsetzsteller

Info

Publication number: AT527723A4
Application number: ATA145/2023A
Authority: AT
Inventors: Himmelstoss Dipl -Ing Dr Felix
Original assignee: Felix Himmelstoss Dipl Ing Dr
Priority date: 2023-12-15
Filing date: 2023-12-15
Publication date: 2025-06-15
Also published as: AT527723B1

Abstract

Schwebende doppelte Hochsetzsteller finden in der Solartechnik und bei Brennstoffzellensystemen Anwendung. Ein Nachteil dieser Konverter ist der große Einschaltstromstoß. Um diesen zu verhindern wird hier vorgeschlagen, die Position der Kondensatoren zu verändern. Durch Ersatz der Dioden und der elektronischen Schalter durch strombidirektionale Schalter (Antiparallelschaltung eines Transistors mit einer Diode) kann man einerseits die Durchlassverluste verringern und andererseits auch die Energieflussrichtung umkehren. Der Konverter ist nun besonders gut geeignet zum Betrieb als Ladegerät und zum Ansteuern von Leuchtmitteln. Eine Kombination von Steuerung und Regelung ist leicht möglich.

Description

The Erfindung beifft einen schwebenden dappelten Hochsetzsteller, bestehend aus einer

ersten {LT} und einer Zweiten Syale {L2) einer ersten {X1} und einem zweiten Ölektronischen

Nchalter (NZ) einer ersten €D1} und einer zweiten Diade (DZ) einer positiven (1) und einer

jean ven Eingangsklemme (2), an deven dis Kinganzsspannung (141) angeschlossen ist, winner

An (23) gu) einer negallvan Ausgangsklomme (4), an denen die Last ({Ry angeschlassen

ist, wnbeban die positive Eingengsklamme {T}der erste Anschluss der ersien Spale €1_1) und der positive Anschluss des zweiten elektromschen Schalters geschaltet sind, an den Zweiten Anschluss der ersten Spole (L13 der positive Anschluss des ersten elektromschen Schalters (ST) und ie Anode der ersten Diade (01) geschaltet alnıd, an die Kathode der ersten Ühode(DI

der pnostüve Ausgangsanschluss (3) geschaltet ist, ah die negative Ausgangsklomme (4) die Anode der Zweiten Diode (D2}) neschältet ist! atrdie Kathode der Zweiten Diade (DZ) der negative Anschluss des vweiten elektranischen Schakters (SZ) und der erste Anschluss der zweiten Spule (12) oeschaltet sind, der weite Anschluss der zweiten Spule {LZYan den negativen Anschluss des eratan elektronischen Schalters (ST) urdl an die negative

Kingangskleommme (2) geschaltet ial.

Die Erfindung wird mit Fülfe einiger Figuren beschrieben, Die chektronischen Achalter sind I

pelten Hochsetzstellers, Fig, 2 seiet eine Erweiterung mit’ einer Vorstufe zur Vermeklung

beispielhaft als MOSFPETS gezeichnet, Fix, 1 zeigt das Schaltbild eines schwebenden

}

DC

des Einschaltstrominnulses, Fürz, 3 zeigt die Wirkung dieser Stufs bein Anschalten an cin

fraduras und Fig. 5 zeret die

steifes Netz Tja. 4 zeigt das Schualtbikk der gegenständlichen E Wirkung der Schaltung beim Anlegen der Eingangsspännung, Fig. 6 zeigt die Bidiröktionale

Varjante des Konverters.

Der Ausgangspunkt Air die hier beschriebene Erfudung ist der doppelte schwehende

HochsetzateHer gemäß Fig. I Ed

& 1 Heraturröcherche Zeiut, dass der Konverter speziech für Brenastoffzellen- und Solaranmwendungen geeignet ist. Die beiden Hochsetzsteller sind am

ang parallel um Ausgang in Serie geschaltet. Die beklen Konverter bestehen Jeweils aus

einer Anıde £. einer Diode DD, einen: aktiven Schalter S’und einem Kondensator € Die Ausgangsspannung U setzt sich aus der Summe der beiden Spannungen an den

A

angune UT Zusammen, Che Steuersignale für

Kondensäteren CL und CZ minas der Einer

die haider aktiven Schalter ST und S? werden zueinander unı 180 Grad versetzt. Dadurch

wird die Frequenz des Eingangsstroms doppelt «6 greß wie die Schaltfrequere, Es jatdabei

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den einzelnen Kaonverterstafen) and gleiches Tastverhältnis d{Einschaltzeit des elektronischen

Schalters zur Schaltperiode) zu verwenden, Das Spannugesübersetzungsverhältnis orgibt sich

San Zu

TNe Schaltunz hat Frobleme beim Iabehtebsetzen, bescnders bet steifen DC-Netzen:

Einersekts aibt es einen schr bhahean Eingangsatrom beim Anschalten einer steifen

Kingsmasspannung wie x BR. Batterien oder Batterie und/oder Superkapazıtät gestütztes DM Netz. Dieser Strom belaster Quelle und inshisonders die Spulen ankl die Kandensatoren des Kornverters, Da die Spülen dabei in Sättigung sehen, steigt der Strom noch schneller und wird

noch höher, Andererseits wird die Spanmang at Ausgene kurz gest beim Einschalten,

Fine Abhilfe um diesen Fingangsstrom zu begrenken ist Öine vorgeschaltete Stußz mi zwei

aktiven Schaltern SINT und SINZ, einer LHode DIN urkLeinent Kandensator CIS (Fi, 2)

Das Tastverbältnis des aktiven Schalers SINT am Eingang wird von null beemnend auf eins,

d.h. der Transistor ist dam dauermd eingeschaltet, zB. in kleinen Schritten erhöht, Während

dieses Hochlaufs Ist der zweite aktisre Schalter SINZ dauernd eingeschaltet. Dadurch wird der gefährliche Überstrom beim Einschalten semyeden, Ein weiterer Vorteil dieser Varstufe ist auch, dass diese als Sicherung dienen kann bei Kurzschluss, Leerlauf, Überstrom nıler Überhitzung, Wenn SINT ausschaltet, kann der Strom in den Spulen L1 and L2 in die Diode DIN Kommutleren, daza muss dann der elektronische Schalter SIN2 dauemd eingeschaltet

Äverdemn Uhm zu vermebden, dass die Diode DIN bei Narmalbetrieb auch eingreifi, nmiass diese

schaltbar sein, am einfachsten geschieht dies durch dauerndes Abschalten des elektronischen

Schalters SINZ.

Fig. 3zeigt beispielhaft. den Hochlauf hei der Inbeiriebsetzung, Die alekirünischen Schalter S1 end SA sind gesperrt, Das Bild wind van unten nach oben erklärt, Im untersten Tollbild

gangespannung, die rasch auf 24 V ansteigt und die Rampe entspricht der

SS

sicht man die Ein

«feichmäßig ansteigenden Spannung am Kondenaatör (1, Die Spannung an €2 baut sich alsichzeitig ebenso auf und ist im zweituntersten Bild zu schen, Das nächste Teilbikbstelltcie Auseangsspannang dar, Diese ist während des Hochlanfs pulsierend und ist dab auch derbweise negativ! Das oberste Teifbild zeigt den Stram durch dieerste Apyle LA. Das

Tasteorhältus wird bei diesem Helspiel innerhalb von 25 ms van Saul eins erhöht Man sicht

2

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and das Tastverhältnis ebenfalls rampenförmig steigern, bis das gewünschte Tastverhältnis

{damit die gewünschte Ausgangsspaäarmung U2} erreicht Ist

Um den Einschaltströmatoß zu vermenlen und gleichzeitig auch die negative Äpannung an der Last zu verhindern, wird hier nun vorgeschlagen, (Je Position der beiden Kondensatoren zu verändern (Fig. 4) Der erste Kondensator wird zwischen der posiüyetr Ausgnesklemme 3 und der positiven Eingangsklemme 1 geschaltet, and der zwerte Kondensatar CZ wind

lemme 2 geschaltet,

zwischen der negativen Ausganesklemme 4 und der negativen, KIinzanzs

Fin, 5’ zeiet nün heiapfelhaft das Verhalten beim Anlıgon der Betrichsspäanmug: UF. Das Bald seird von unten beuianend erklärt, Cie Einganesspannung steigt sprunzhaft an, die Ausgangsspannung iat sofort positiv und annähernd gleich der Kingangsspatnmeng end schwingt sich gedämpfi ein, Dus obere Bild zeint den Eingsnasstrom und dan Stram durch die erste Spule L1 (dieser hat die höhere Schwingamplitude Man sieht; dass dieses Konzept

beide Probleme der Griginalen Schaltung Tüöst, Die gezeigte Vorstufk, die relativ aufwendige Ist,

zwei Hichside Schalter und daber auch zwei isolierte Treiber beaütigt, könnte auch ner den Überstram beim Einschalten beseitigen, nicht aber das Auftreien einer epaliven Spangune an

der Last,

ze man die elektrongschen Schulter ua die Dioden durch strambidirektonale Schalter (efektronische Schalter mit antiparafleler Diede), so kann man die Verhiste reduzieren, wenn der Apannungsabfall am Schalter geringer ist als der an der Diede, Des Weiteren ALLES un

möglich die KEnergiefhussrichtung umzudreben (Fig, 6)

Um den Einfluss der nerasitären Induktiyiät zwischen einem Palferkondesator, ©. Bin der Steckdase des DC Netzes oder der Batterie, gering zu halter, wird mancanı Einganı einen

Kondensator parallel zu den Einzgangsklemmen schalten, senauer wie m weiter ünfen

Kine interessante Anwendung des bidirektonalen Konverters ist die Verwendung als Interfäes für Batterien, Dazu wird zwischen den Ausganesklemmen 3 umd 4.die Serlenschaftung einer Noule mit dan Batterien geschaltet, Man kann nun die Batterien Jaden und wieder die Energie

zurück in den Kingangskreis speisen,

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auch zut zur Ansteuerung von Leschtmrtehe m DL LES. Auch bier wird man za dern

Leuchtmitteln eine Spule in Serie schalten, um einen konstänuten Strom (schr geringer Rıypel

des Stroms durch die Leuchtanttel} zu gewinnen und. durch Veränderung des Strans

Heleuchtmeg dammen au können,

Um BRinflüsse von Änderungen der Eingangssaannung rasch auseloichen zu können, kann statt emer remen Keselanı ee Kombigallon mit einer Sieuorung vorgesehen sem, Das

Steuergesetz fir die Erzielung

ainer gewünschten Ausgangsspannung Uhr oreibf SICH aus

Sem Spännungsühersetzunusverhältnis zu

feller mit.der Vermeidung: SInes siarken

Einen schwehenden doppelten Höchsetzs Einschaltistromes beim Anschalten einer stelfen Eingangsanannens zu realisieren wird erfindenssgemäß dadurch realisiert, üuas der erate Kondensator (CI) awischen der Kathode der ersten SHade (O4) amd. dem ersten Anschluss der ersten Spule (LI) ueschaltet st, und der zweite Kondensater (02) zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Spule (LZ rund der Anode der weiten Diede {DZ} geschaltet ist

fünır die Verluste klein zu halten aund/ader die Energielussnchtung umerehen zu können

Or

werden die aktiven und passiven Ächalter ao ersetzt, dass die elektronischen Schalter (SE SZ

und die Dioden (041, DO} durch strombidirektionale Achalter- das jAt sine

Antinaralleischaltung eines elektronischen Nchalters mit einer Dicde, ersetzt sta

Um die Frequenz des Bingatngastromes doppelt so proff wie die Schalttrequenz der einzelnen Stufe zu machen wird man die Ansteuerung sa gestalten, dass die elektronischen Schalter St, 82) durch altiche Steuersienale, die zueinander um 1A0 Grad verschoben sind,

angestauort werden,

Um den Eindhass der parasittren Induktreität am Eingang gering zu halten wird man den Eingang des schwebenden dopnelten Hochsetzstellers so gestalten, dass zwischen dem ersten Anschluss der ersten Spule (LT) und dem negativen Anschluss des ersten elektranischen Schalter {ST} ond zwischen dem positiven Anschluss des zweiten elektronischen Schalters {N2} und dem zweiten Anschluss der zweiten Spule (12) je ein weiterer Kandınsatoür aller eine Gruppe von Kandensataren, geschaltet sind.

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Um die Schaltune al Hatterjeladeperät Zu verwenden wird zwischen den Aususneskloninen AN X Ws A

(3 4) die Serienschaliung einer weiteren Spule und Balterien geschaltet.

Uordie Schaltunz als Ansteuerperät für Leuchtmitiel zu verwenden wird zwischen den Ausgangsklemmen {3 4} die Serienschaltuneg einer weiteren Spule und Leuchtmuntel

U SZ

Geschultet,

Zu Erhöhung der Lnamik wind eine zusiätxliche Vorrichtung zur Berechnung des

Steuergesetzes für das Tastverhältnis vorgeschen und dieses mit eier Regelung kombiniert,

FI33ÄHRO231206/ 1208/1211 /12127/1215

Claims

Patentansprüche

1. Schwehender doppelter Hochsetzeteller, bestehend aus einer ersten (1.1) und einer

zweiten Spule {L2) einem ersten (NT und einen zweien elektromschen Schalter {(S2}, einer ersten (D1} und einer zweiten Diede (DZ), einer püsiiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denn die Kingangsspannung (UT) angeschlössen jat, einer positiven {33 und einer negativen Ausgangsklemme (4) an denen die Last

CR angeschlassen ist, wehet an die positive Eingansstfemme (DD) der erste Anschluss der ersten Spule (LI) und der positive Anschluss des zweiten elektromschen Schaliers geschaltet sind, andern zweiten Ausschluss der ersten Spule (11) der positive Anschluss

des erster elektronischen Schalters (SE) urdl le Anode der ersten Diecde (DE

geschaltet sind, an die Kathode der ersten Diode (D1) der posiliye Ausgangsanschlass {33 geschaltet ist, an die negative Ausgangsklemme (4) die Anode der zweiten Diode {D2} geschaltet ist, an die Kathode der zweiten Diede (D2) der negative Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (A2Y and der erste Anschluss der zweiten Spule {L2) geschaltet ainıd, der zweite Anschluss der zweiten Spule (LZVan den negativen Anschlass des ersten elektremischen Schalters (STrumd an die negative Eingangsklemme (2} usschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste

Kondensator (CT) zwischen der Kurhade der ersten [Made (DI) and den ersten

Anschluss der ersten Spule (L.1} geschaltet ist, and der zweite Kondensator (CZ) zwischen dam zweiten Anschluss der zweiten Spüle (L2) und der Anode der zweiten Thode (02) geschaltet sl,

X. Achwebender doppelter Höchsetzsteller gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (ST, S2}) ur die Dieden (DL. DJ) dureh strombidirektlansle Schalter, das it eine Antiparallelschaltang eines eloktromschen Schälflers nut siger Diede, ersetzt shud,

3, Schwebender doppelter Hochsetzsteller gemäß Anspruch Toder 2 dadarch gekennzeichnet, dass die elekträmischen Schalter (81. 52) durch alciche Steuersipnale, die zueitander um 180 Grad verschoben sind, angesteuert werden.

4 Schwebender doppelter Hochsetzateller gänäß einem der Ansprüche | bis 3 dadurch vekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Anschlüss der ersten Spuk €LE) und dem

nesativen Anschluss des ersten slektregschen Schalters (SD)a uf zwischen dem

posiävert Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (SZ) und dem zweiten

PISS AM AZ0231206/ 1200/12 11/ 1212/1213

+

5. Schwebender doppelter Hoachsetzsteller gemäß einem der Ansprüche TE. bis 4 dadarch

gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgangsklermmen {3, 4} die Serienschaltung einer weiteren Spule und Batterien geschaltet ist,

5. Schwebender doppelter. Hochsetzsteller gemäß emeny der Ansprüche Lbis 4 dadurch ackennzeichnet, dass zwischen den Anseangskleommen (3, 4) die Serienschältung einer weiteren Spule und Leuchtmittel ueschaltet ist.

7. Schwebender doppelter Huchsetzsteller gemäß einent der Ansprüche 1 bis 6 dadurch vekennzeichnet, dass eine zusätzliche Vorrichtung zur Berechnung des

Stauergesetzes für das Tastverhälnis vürgeschen jal und dieses mit einer Regelung

kombirgert 1al.

PIE / 20231206 208/111 /1Z12/1213 8/12