AT400782B - Batterieladegerät - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung mit über Pulsbreitenmodulation angesteuerten Schaltern. 



   Getaktete Wandlerschaltungen sind allgemein bekannt. Deren Regelung muss so konzipiert werden, dass die Wandlerschaltung in allen Betriebszuständen stabil bleibt und die elektronischen Schalter zuverlässig vor Überlastung geschützt sind. Je nach Anwendungsbereich sind daher genaue Abstimmungen der verwendeten Bauelemente erforderlich. 



   Beispielsweise wird in der US-PS 4 533 986 eine Energieversorgungseinheit mit einem getakteten
Resonanzwandler gezeigt, der im wesentlichen mittels zweier   Feldeffekt-Transistoren   sowie zweier Resonanz-Kondensatoren realisiert ist. Die US-PS 4 967 332 zeigt unter anderem einen getakteten   Vollbrücken-   wandler mit einem eingangsseitigen Kondensator, wobei die Vollbrücke ebenso mittels Feldeffekt-Transistoren realisiert ist, die an einer in diesem Dokument geoffenbarten Steuereinrichtung angeschlossen sind. 



  Weiters wird in der US-PS 4 502 104 eine Energieversorgungseinrichtung mit einem stromgespeisten Gegentaktwandler gezeigt, der mittels Leistungstransistoren, insbesondere MOSFET's ausgeführt ist. Wenn   die FET- oder MOSFET-Schalter   der oben genannten Brückenschaltungen mit hohen Frequenzen getaktet werden, um eine kompakte Bauweise zu realisieren, treten hohe Schaltverluste auf, die unerwünscht sind und zumeist zusätzliche Kühleinrichtungen erfordern. 



   Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Schaltverluste und Verluste aufgrund der Sättigungsspannung der Schalter zu minimieren. 



   Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Schalter   als 1GB-Transistoren   ausgeführt sind und eine Batterie als Quelle mit konstanter Gegenspannung am Ausgang der Wandlerschaltung angeschlossen ist. 



   Durch die Verwendung von   1GB-Transistoren   (Insulated-gate bipolar transistor) entfallen die bei Thynstoren   üblichen Schaltentlastungsnetzwerke.   Es können höhere Schaltfrequenzen eingesetzt werden, wodurch mit kleineren Übertragern das Auslangen gefunden wird. Das führt zu Gewichtseinsparung und einer Einsparung an magnetischem Material. 



   Es ist vorteilhaft, dass die Wandlerschaltung ein spannungsgespeister Gegentaktwandler ist. Diese Schaltung enthält nur zwei   1GB-Transistoren.   Besonders präzise Steuerung wird dadurch erreicht, dass die Wandlerschaltung eine spannungsgespeiste   Vollbrücke   ist. 



   Nur zwei   1GB-Transistoren   werden gebraucht, wenn die Wandlerschaltung ein erfindungsgemässer Eintaktwandler ist. Ist die Wandlerschaltung ein stromgespeister Gegentaktwandler, wird zu zwei mit 50 % Taktverhältnis betriebenen   1GB-Transistoren   die leicht zu entlasten sind, ein dritter potentialfrei zu schaltender   IBG-Transistor   benötigt. Es besteht jedoch keine Gefahr eines Brückenkurzschlusses und der dritte   1GB-Transistor   ist auch leichter zu entlasten als ein Schalter in der Brückenschaltung. 



   Es ist vorteilhaft, dass eine   einschleifige Regelungsschaltung angeschlossen   ist. Diese Regler können als Pl-, PTI-und PID-Regler aufgebaut werden. Dadurch ergibt sich eine sehr kostengünstige Lösung. Für erweiterte Anwendungsbereiche, wie beispielsweise als Netzgerät ist es vorteilhaft, dass eine Kaskadenregelung als zweischleifige Regelschaltung angeschlossen ist. Dadurch wird bei einem   Betneb   als Netzgerät ein günstigeres Verhalten als   bel einschleifiger   Regelung erzielt. 



   Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 einen spannungsgespeisten Gegentaktwandler,
Fig. 2 eine spannungsgespeiste   Vollbrücke,  
Fig. 3 einen Eintaktwandler,
Fig. 4 einen stromgespeisten   Gegentaktwandler,  
Fig. 5 einen PTI-Regler,
Fig. 6 einen PI-Regler,
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild mit geschlossenem Primärschalter,
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild mit geöffnetem   Pnmärschalter,  
Fig. 9 die Reglerstruktur bei Kaskadenregelung und
Fig. 10 das schematische Blockschaltbild eines   Batterieladegerätes   in einem Reisezugwagen Fig. 1 zeigt einen spannungsgespeisten   Gegentaktwandler   mit der Speisespannung U1 und Zwei IGBTransistoren IGBT. Am Ausgang ist eine Batterie B mit konstanter Gegenspannung UB angeschlossen.

   Ihr parallel liegt ein Ausgangskondenstor C, um die Ausgangsspannung bei Entfernung der Batterie B zu begrenzen. Die Eingangsspannung U1 liegt zwischen 460 und 600 V, der Strom schwankt zwischen 10 und 220 A mit einer gewünschten Battenespannung von 30 V. Ein derartiges Batterieladegerät wird in der Stromversorgung von Reisezugwagen eingesetzt. Das regelungstechnische Verhalten des spannungsgespeisten Gegentaktwandlers entspncht einem spannungsgespeisten Eintakt-Durchflusswandler. Mit der Pulsbreitenmodulation wird der Wandler über das Tastverhältnis gesteuert. 



   Fig. 2 zeigt eine spannungsgespeiste   Vollbrücke,   Fig. 3 einen   Eintaktwandler.   Diese beiden Typen können gleichfalls eingesezt werden. 

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   Fig. 4 zeigt einen stromgespeisten Gegentaktwandler, dessen Eingangskreis aus einem ersten   IGB-   Transistor IGBT1, einer Freilaufdiode FD und einer Speicherdrossel L besteht. Das Strukturbild der Regelung des stromgespeisten Gegentaktwandlers entspricht demjenigen des spannungsgespeisten Gegentaktwandlers. Da durch die Batterie B am Ausgang eine konstante Gegenspannung anliegt, ist nicht die Ausgangsspannung, sondern der Strom die Ausgangsgrösse. Die Regelung muss die Übertragungsfunktion zwischen   Tastverhältnis   und   Wandlerstrom   (Strom in der Speicherinduktivität) berücksichtigen. Da diese Voraussetzungen für alle Wandlertypen gelten, können klassische einschleifige Regler verwendet werden. 



   Fig. 5 zeigt die günstige Lösung mit   Hilfe eines PTI-Reglers.   Eine Glättung in der Strommessung kann für die einzustellende Verzögerung verwendet werden. Das Strommessglied ist in der Reglerstruktur zu berücksichtigen. Seine Abschwächung wird durch eine Vergrösserung der Verstärkung im PTI-Regler rückgängig gemacht. 



   Entsprechendes gilt auch für einen PI-Regler, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Da die Regelungsschaltung sich sehr robust verhält, kann auch eine Glättung bel der Stromerfassung entfallen, da es durch die   Pulsbreltenmotulation   zu einer Abtastung kommt. 
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 bei kleinen Lastströmen immer schlechter wird. Daher wird in diesem Bereich die Verstärkung des Reglers vergrössert. 



   Auch bei Erhaltungsladung der Batterie ist eine Regelung der Batteriespannung notwendig. Fig. 7 zeigt das Ersatzschaltbild für einen spannungsgespeisten Gegentaktwandler bei geschlossenem Primärschalter und Fig. 8 bei geöffnetem   Primärschatter.   Je grösser der Innenwiderstand der Batterie ist, umso näher kommt man in die Situation des im Leerlauf betriebenen Gegentaktwandlers mit Ausgangskondensator, wo aus Stabilitätsgründen ein PID-Regler günstiger   1St.   



   Ein sehr günstiges Regelverhalten ergibt sich bei zweischleifiger Kaskadenregelung, dargestellt in Fig. 



  9. Die Transferfunktion des Wandtersystems wird dann In zwei Teil funktionen aufgeteilt. So kann ein Regler für den Stromregelteil IR gebaut werden und dabei die innere Schleife stabilisieren. Der Spannungsregler UR arbeitet unabhängig und wird als lineares System aufgebaut. 



   Fig. 10 zeigt die Anordnung des Batterieladegerätes in der Stromversorgung eines Reisezugwagens. 



  Dieser wird über die Zugssammelschiene ZS mit einer der vier   UIC-Speisespannungen   versorgt. Diese Eingangsspannung wird über einen Wechselrichter WR auf einen Internen Gleichstromkreis mit 600 V umgesetzt. Mit diesem ist das   Batterieladegerät   BL verbunden. Die Nennspannung der Batterie B beträgt 24 V. Die Spannungsumrichtung im Wechselrichter WR und Batterieladegerät BL erfolgt jeweils potentialetrennt. Die   1GB-Transistoren   Im Batterieladegerät BL werden mit einer Schaltfrequenz zwischen 15 und 25 kHz betneben. 



  

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Wandlerschaltung mit über Pulsbreitenmodultion angesteuerten Schaltern, dadurch gekennzeichnet, EMI2.2 konstanter Gegenspannung am Ausgang der Wandlerschaltung angeschlossen ist.
2. 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (B) ein Kondensator (C) parallel geschaltet ist.
3. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung ein spannungsgespeister Gegentaktwandler ist.
4. 4. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung eine spannungsgespeiste Vollbrücke 1St.
5. 5. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung ein Elntaktwandler ist.
6. 6. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung ein stromgespeister Gegentaktwandler ist.
7. 7. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kaskaden- regelung als zwelschleifige Regelungsschaltung. für Strom - und Spannungsregelung angeschlossen ist <Desc/Clms Page number 3> EMI3.1