AT406532B

AT406532B - Schaltungen zur umformung von gleichspannungen in wechsel-, gleich- oder mischspannungen

Info

Publication number: AT406532B
Application number: AT207496A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Tec Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2000-06-26
Also published as: ATA207496A

Description


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   Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen (Fig 1 - Fig. 3) zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten Tiefsetzstellerstrukturen
Die EIngangsgleichspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie, Solarzelle, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichrichtung aus dem Ein- oder Mehrphasennetz, bzw durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und anschliessender, eventuell auch nur grober Filterung, gewonnen werden. 



   Besonders vorteilhaft bei den hier besprochenen Schaltungen ist die Tatsache, dass aus einer Eingangsgleichspannung Ausgangsgleichspannungen unterschiedlicher Polarität erzeugt werden können und durch entsprechende Ansteuerung Wechselspannungen beliebiger Form erzeugt werden können Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet der gegenständlichen Schaltungen ist die Einspeisung von   z. B   mit Solarzelle gewonnener elektrischer Energie in ein Einphasenwechselspannungsnetz. Von praktischer Bedeutung ist weiters die Erzeugung von Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von   z. B.   



  Wechselstrommaschinen. Weitere Anwendungen liegen in der Realisierung von Netzspannungssimulatoren, hochdynamischen Ansteuerungen für Aktuatoren und Leistungsverstärker. 



   Die WO 92/22956 (ANT NACHRICHTENTECHNIK) beschreibt einen Schaltregler, der aus einem   Gegentaktwandler   mit je einem Hochsetzsteller pro Zweig aufgebaut ist In dieser Schaltung sind im Gegensatz zu den hier geoffenbarten Schaltungen Hochsetzsteller verwendet und immer eine Serienschaltung von Halbleiterschaltern im Hauptstompfad Der Hauptvorteil der hier geoffenbarten Schaltungen liegt jedoch darin, dass immer nur ein Halbleiterschalter im Strompfad liegt und daher der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Gesamtschalung gesteigert wird. 



   Die Funktionsweise der Schaltung wird nun anhand von Fig. 1 besprochen, wobei beispielhaft selbstsperrende   MOSFETs   als aktive Schalter (3a, 3b) gezeichnet sind. Aus der Eingangsspannung (1) wird mit Hilfe eines Tiefsetzers (2a), bestehend aus dem aktiven Schalter (3a), der Induktivität   (4a),   der schaltbaren Diode   (5a) - realisiert   durch einen MCT - und dem Kondensator (6a), durch z. B. Pulsweitenmodulation die positive Halbwelle des Ausgangssignals erzeugt.

   Dabei ist die schaltbare Diode (5a) eingeschaltet und wirkt als Freilaufdiode der linken Tiefsetzstellerstruktur (2a) Der rechte Tiefsetzer (2b), bestehend aus dem aktiven Schalter (3b) der Induktivität   (4b),   der schaltbaren Diode (5b) - realisiert durch einen MCT - und dem Kondensator (6b), ist während dieser Zeit inaktiv,   d. h.   sein aktiver Schalter (3b) bleibt gesperrt und seine schaltbare Diode   (5b)   ist abgeschaltet. Für die negative Halbwelle arbeitet der rechte Tiefsetzer (2b) und erzeugt die gewünschte Spannung, während der linke Tiefsetzer (2a) inaktiv ist. 



  Im Falle von Stromeinspeisung kann auf die Kondensatoren (6a, 6b) verzichtet werden. 



   Die abschaltbaren Dioden (5a, 5b) werden sinnvoll durch MCTs realisiert, können jedoch auch durch die Serienschaltung eines aktiven Halbleiterschalters (sinnvoll ein MOS-Transistor) mit einer Diode gebildet werden. Auch andere Kombinationen sind denkbar, rühren aber zu deutlich höheren Verlusten und sind daher praktisch wenig sinnvoll. Der Einsatz eines Thyristors scheitert an der hohen Sperrverzugsladung und der geringen praktisch realisierbaren Schaltfrequenz. 



   Durch den Einsatz eines MCT in Form einer schaltbaren Diode erspart man gegenüber konventionellen Lösungen zur Erzeugung einer Wechselspannung   (z. B.   Einspeisung ins Netz von durch Solarpaneele erzeugter elektrischer Energie, vgl.   K. Edelmoser   & C. Anselmi :" Resonant Solar Converter for Direct Mains Connection Realized with a ZC-Switching   SEPIC   Variant Structure", Industrial Electronics Joumal 1996, Vol.   80 (2), pp341-354,   1996") zwei aktive Halbleiterschalter. Dies führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades. Die Ansteuerung der MCTs, die jeweils für eine Halbwelle aktiv gesteuert werden müssen, stellt kein besonderes Problem dar, weil sie nur gegen Masse angesteuert werden müssen. 



   Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist die Eingangsspannungsquelle (1) geteilt   (1a, 1b).   Auch hier wird zur Erzeugung der positiven Spannung   (z. B.   positive Halbwelle einer Sinusspannung) der aktive Schalter (3a) z. B. pulsweitenmoduliert, wobei die abschaltbare Diode (5a) aktiviert ist ; der aktive Schalter (3b) ist dabei ebenso wie die abschaltbare Diode   (5b)   gesperrt. Zur Erzeugung einer negativen Spannung wird aktive Schalter (3b) z. B. pulsweitenmoduliert, wobei die abschaltbare Diode   (5b)   aktiviert ist ; der aktive Schalter (3a) ist dabei gesperrt und die abschaltbare Diode (5a) deaktiviert.

   Die Induktivität (4) und ein eventuell vorhandener Kondensator (6) sind dabei in   beiden Fällen   wirksam Auch hier kann natürlich anstelle des Transformators (7) direkt eine Last angeschlossen werden. Besonders sinnvoll ist diese Schaltung, ohne 

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 Transformator (7) auch im Einsatz   als Vierquadrantensteller für Gleichstrommaschinen,   oder mit Transformator (7) als Einspeiseeinheit in das Emphasennetz. 



   Die beiden Tiefsetzstellerinduktivitäten (4a, 4b) können auch magnetisch gekoppelt werden, das heisst insbesondere als Wicklungen auf dem selben Eisen (Ferrit) Kern realisiert sein Dadurch kann die Anzahl der Bauelemente verkleinert werden 
Bezugszeichenaufstellung 
1 Eingangsgleichspannung
1 a Eingangsgleichspannung
1 b Eingangsgleichspannung
2a Tiefsetzsteller
2b Tiefsetzsteller
3a aktiver Halbleiterschalter
3b aktiver Halbleiterschalter
4 Induktivität, Speicherdrossel
4a   Induktivität,   Speicherdrossel
4b Induktivität, Speicherdrossel
5a abschaltbare Diode
5b abschaltbare Diode
6 Kapazität, Speicherkondensator
6a Kapazität, Speicherkondensator
6b Kapazität, Speicherkondensator
7 Transformator
8 beliebige Last. z B. auch Einphasennetz, Maschinen, Aktuatoren, Gleichrichter mit angeschlossenem beliebigem Verbraucher   Patentansprüche :

      
1 Wandlerschaltung zur Umformung von Gleichspannungen (1, bzw. 1a, 1b) in Wechsel-,
Gleich- oder Mischspannungen (U2) mit Hilfe von zwei Tiefsetzstellerstrukturen (2a, 2b), die jeweils eine Halbwelle für die Anspeisung eines Transformators (7) bzw. eines
Aktuators an seiner Stelle erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils inaktive
Tiefsetzer (2a oder 2b) durch eine abschaltbare Diode (5a oder   5b),   beispielhaft durch einen MCT (MOS Controlled Thyristor) realisiert, vom Transformator (7) bzw. Aktuator getrennt wird, wobei die abschaltbare Diode (5a, 5b) gleichzeitig als Freilaufdiode für die
Tiefsetzstellerstruktur (2a, 2b) dient.

Claims

2 Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass beide Tiefsetzer (2a, 2b) von der gleichen Eingangsspannung (1) versorgt und die Ausgangsspannungen der Tiefsetzer jeweils an eine Teilwicklung eines Transformators mit angezapfter Primärwicklung gelegt werden (Fig. 1).

3. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannungsquelle (1a, 1b) geteilt ist, der positive Anschluss der Teilspannung (1a) mit dem aktiven Schalter (3a) und der negative Anschluss der Teilspannung (1b) mit dem aktiven Schalter (3b) verbunden ist, der andere Pol des aktiven Schalters (3a) mit der Kathode, bzw der andere Pol des aktiven Schalters (3b) mit der Anode der jeweils zugehörigen abschaltbaren Diode (5a, 5b) und gleichzeitig mit der Tiefsetzinduktivität (4) verbunden ist, weiters zwischen dem zweiten Pol der Induktivität (4) und der Anzapfung der Eingangsspannung ein Kondensator geschalten ist, dem parallel der Ausgangstransformator (7) mit sekundär angeschlossener Last (8), oder die Last direkt liegt (Fig. 3).

4 Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1,2, 3 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schalter (3a, 3b) der Tiefsetzer (2a, 2b) resonant oder quasiresonant, bzw. durch eine Löschschaltung resonant gelöscht betrieben werden, oder durch andere soft-switching Verfahren entlastet werden. <Desc/Clms Page number 3>

5 Wandlerschaltung nach Anspruch 1,2, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tiefsetzstellerspulen (4a, 4b) miteinander magnetisch verkoppelt sind.

6. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die abschaltbare Diode (5a, 5b) durch Kombination aktiver leistungselektronischer Bauelemente und einer Diode bzw eines als Diode wirksamen aktiven Elements realisiert ist.

7. Wandlerschaltung, gemäss Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Aktuator oder ein Lautsprecher mit eventuell vorgeschaltetem Filter verwendet wird 8. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass an der Sekundärseite der Ausgangsseite, des Trafos (7), ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, d. h. eine Einspeisung ins Netz erfolgen kann