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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung der Energie einer Gleichspannungsquelle, wobei die Vorrichtung mit einem Primär- und einem Sekundärkreis aufgebaut ist, die über einen magnetischen Speicher gekoppelt sind, wobei im Primärkreis ein elektronischer Primärschalter mit dem magnetischen Speicher verbunden und ein Primärkondensator dazu parallelgeschaltet ist und im Sekundärkreis eine Sekundärdiode den Strom des Primärkreises während der Leitdauer des Primärschalters sperrend mit dem magnetischen Speicher verbunden und ein Sekundärkondensator dazu parallelgeschaltet ist.
Eine derartige Vorrichtung wird im allgemeinen als Sperrwandler bezeichnet. Ist der Primärschalter geschlossen, so wird bei sperrender Sekundärdiode Energie von der Primärseite in den magnetischen Speicher übertragen. Nach dem Öffnen des Primärschalters kann nun die Energie auf Grund der induktiven Kopplung im Sekundärkeis abgebaut werden. Es ist also immer nur ein Kreis aktiv. Das Tastverhältnis des Schalters bestimmt das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung. Der Stromfluss ist in beiden Kreisen diskontinuierlich und man unterscheidet zwei Betriebsarten. Im Dreiecksbetrieb wird der Energiespeicher vollständig entladen und der Sperrwandler weist regelungstechnisch ein proportionales Verstärkungsverhalten auf (P-Glied).
Mit steigender Belastung bzw. ab einem Tastverhältnisgrenzwert erfolgt der Übergang vom Dreiecks- in den Trapezbetrieb. Dabei wird nur mehr ein Teil der gespeicherten Energie im Sekundärkreis abgebaut und der Sperrwandler weist integrierendes Verhalten auf. Bei Lastabfall kann es zum Überschwingen der Sekundärspannung kommen, die Überspannung kann auf Grund der Unidirektionalität des Systems vom Regler nicht abgebaut werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bidirektionale Energieübertragung mit einem Sperrwandler zu ermöglichen.
Dies wird gemäss Patentanspruch 1 dadurch erreicht, dass der magnetische Speicher als Induktivität aufgebaut, dem Primärschalter eine Primärdiode mit der Sperrichtung in der Stromrichtung des Primärkreises und der Sekundärdiode ein elektronischer Sekundärschalter parallelgeschaltet ist.
Durch den symmetrischen Aufbau der beiden Stromkreise ist eine Rückspeisung der Energie über Umkehrung des Vorzeichens der Mittelwerte der primär-bzw. sekundärseitigen Ströme möglich.
Daher zeigt der bidirektionale Sperrwandler stets ein integrierendes Verhalten, das regelungstechnisch dem Trapezbetrieb des unidirektionalen Sperrwandlers entspricht. Die bidirektionale Energie- übertragung ermöglicht eine wesentlich weitere Anwendung des Sperrwandlerprinzips.
Ein- und Ausgangsspannung werden dadurch galvanisch getrennt, dass die Induktivität als Transformator aufgebaut, die Primärspule mit dem Primärkreis und die Sekundärspule mit dem Sekundärkreis verbunden ist. Die gegensinnige Wicklung der beiden Transformatorspulen ermöglicht es, die Polung der Ein- und Ausgangsspannung gleichzuhalten und den Minuspol des Primärund Sekundärkreises galvanisch zu verbinden. Durch unterschiedliche Windungszahl lassen sich bei extremen Spannungsübersetzungsverhältnissen besonders kleine Tastverhältnisse mit kurzer Impulsdauer vermeiden.
Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter ist eine Regelung zur Steuerung des Energieflusses in jeweils einer Richtung oder abwechselnd in beiden Richtungen mit dem Primär- und dem Sekundärschalter verbunden.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele und von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 den Stromverlauf in den beiden Stromkreisen und Fig. 3 das Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt einen Sperrwandler, der auf Grund seines symmetrischen Aufbaues Energie in beiden Richtungen übertragen kann. Vorteilhafterweise wird er für Leistungen bis etwa 1000 W verwendet. Er kann in Batterieladegeräten und unterbrechungsfreien Stromversorgungen als Regler eingesetzt werden oder für Elektromotoren auch die Umkehrung zum Generatorbetrieb ermöglichen.
Eine Primärspannung UP liegt an einem Primärkondensator --CP--, zu dem eine Serienschaltung aus Primärspule --LP-- und elektronischem Primärschalter--SP--parallelgeschaltet ist. Dem
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--SP-- istdiode--DS--verbunden, deren Sperrichtung in der Stromrichtung des Primärkreises zur Unterbindung des Durchflutungsgleichgewichtes verläuft. Dieser Serienschaltung ist ein Sekundärkondensator --CS-- parallelgeschaltet, an dem eine Sekundärspannung US abgegriffen wird. Die Sekundärdiode - kann von einem elektronischen Sekundärschalter --SS-- überbrückt werden.
Eine schematisch dargestellte Regelung --R-- steuert das Ein- und Ausschalten des Primär- und Sekundärschal- ters --SP, SS-- in Abhängigkeit von den Messwerten der Primärspannung UP und/oder eines Primärstromes IP und/oder der Sekundärspannung US und/oder eines Sekundärstromes IS und eingestellten Sollwerten SW.
Um Strom vom Primärkreis in den Sekundärkreis umzuladen, bleibt der Sekundärschalter - geöffnet und der Primärschalter--SP--wird in Abhängigkeit vom Laststrom betätigt.
Durch das Offenhalten des Primärschalters--SP--bei Betätigung des Sekundärschalters --SS-- kann Strom vom Sekundär- in den Primärkreis umgeladen werden. Bei Gegentaktsteuerung des Primär-und Sekundärschalters--SP, SS- tritt eine von der Belastung abhängige Strukturänderung im regelungstechnischen Sinn nicht auf, die Energieübertragung ist bidirektional möglich. Eine Inversion des Steuersignals für den Sekundärschalter --SS-- kann bei Verwendung von Leistungstransistoren unterschiedlichen Typs (npn, pnp) entfallen. Primär- und Sekundärkreis können über eine Verbindungsleitung --V-- galvanisch gekoppelt werden.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Stromverlauf des einfachen und des erfindungsgemässen Sperrwandlers, wobei der Sekundärstrom IS auf die Primärseite umgerechnet ist. Die strichlierte Kurve 1 zeigt den bei kleinem Laststrom auftretenden Dreieckbetrieb des unidirektionalen Wandlers. Der Sekundärschalter bleibt geöffnet, und beim Schliessen des Primärschalters steigt der Primärstrom IP durch die Primärspule linear an. Die Sekundärdiode verhindert dabei ein Fliessen eines Stromes im Sekundärkreis. Nach dem Öffnen des Primärschalters löst die gespeicherte magnetische Energie einen Sekundärstrom IS aus und der gesamte Energieinhalt des magnetischen Speichers wird bis zum nächsten Schliessen des Primärschalters übergeben.
Die durchgezogene Kurve 2 zeigt, wie bei symmetrischem Aufbau des Sperrwandlers auch bei Dreiecksbetrieb des einfachen Systems ein dem Trapezbetrieb entsprechendes Verhalten auftritt. Dadurch kann das Regelungsverhalten optimiert und beispielsweise eine Überhöhung der Sekundärspannung bei Lastsprüngen verhindert werden. Der Betriebsbereich des Sperrwandlers ist somit nicht durch das Auftreten einer regelungstechnischen Strukturänderung mit der Gefahr der Instabilität eingeschränkt. Bei geschlossenem Primärschalter und geöffnetem Sekundärschalter steigt der Primärstrom IP wieder stetig an. Mit dem Öffnen des Primärschalters erfolgt der Energie- übergang und es fliesst der Sekundärstrom IS. Mit dem Absinken des Sekundärstromes IS auf Null wird der Sekundärschalter geschlossen.
Der Sekundärstrom IS kann im Gegentakt zum Primärstrom IP in der entgegengesetzten Richtung weiterfliessen und Energie aus dem Sekundärkondensator aufnehmen. Die Primärdiode verhindert den Übergang der Energie auf den Primärkreis. Mit dem erneuten Schliessen des Primärschalters am Beginn der nächsten Periode wird der Sekundärschalter geöffnet und der Primärstrom IP steigt wieder an. Somit herrscht regelungstechnisch Trapezbetrieb und der Sperrwandler weist immer integrierendes Verhalten auf. Das Beispiel zeigt, dass es im Gegensatz zum Stand der Technik sogar möglich ist, durch regelungstechnische Massnahmen das Vorzeichen der Strommittelwerte und damit die Energieflussrichtung umzukehren. Sinkt der Sekundärstrom IS hingegen nicht auf Null, wenn der Primärschalter erneut geschlossen wird, so steigt der im Mittel fliessende Strom stetig an.
Im folgenden werden prinzipielle Charakteristika von Regelkonzepten angegeben. Bei eingeprägter Ein- und Ausgangsspannung ist der Energietransport durch Stromregelung definierbar. Ist nur die Eingangsspannung eingeprägt, so wird die Ausgangsspannung durch das Wandlersystem erzeugt und die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt als Spannungsregelung bei gegebenenfalls unterlagerter Stromregelung. Ist nur die Ausgangsspannung eingeprägt, so wird die Eingangsspannung durch das Wandlersystem erzeugt. Die Regelung erfolgt entsprechend. Es sind somit alle Konzepte klassischer und moderner Regelungstheorie (z. B. Zustandsregler) realisierbar.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Sperrwandler mit besonders einfachem Aufbau. Er weist die Topologie eines Brückenzweiges eins Pulswechselrichters auf, dessen Zwischenkreiskondensator in Primär-und Sekundärkondensator-CP, CS-- geteilt und dessen Wurzelpunkt über die Induk-
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tivität L mit dem kapazitiven Spannungsmittelpunkt (negatives Potential der Primärspannung UP bzw. positives Potential der Sekundärspannung US) verbunden ist. Die Asymmetrie der Anordnung begründet sich in der nicht gegebenen Umkehr des Wicklungssinnes einer Sekundär- gegenüber einer Primärwicklung. Eine Regelung wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Übertragung der Energie einer Gleichspannungsquelle, wobei die Vorrichtung mit einem Primär- und einem Sekundärkreis aufgebaut ist, die über einen magnetischen Speicher gekoppelt sind, wobei im Primärkreis ein elektronischer Primärschalter (SP) mit dem magnetischen Speicher verbunden und ein Primärkondensator (CP) dazu parallelgeschaltet ist und im Sekundärkreis eine Sekundärdiode (DS) den Strom des Primärkreises während der Leitdauer des Primärschalters (SP) sperrend mit dem magnetischen Speicher verbunden und ein Sekundärkondensator (CS) dazu parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Speicher als Induktivität (L) aufgebaut, dem Primärschalter (SP) eine Primärdiode (DP) mit der Sperrichtung in der Stromrichtung des Primärkreises und der Sekundärdiode (DS)
ein elektronischer Sekundärschalter (SS) parallelgeschaltet ist.