AT408293B - Schaltungen zur umformung von gleichspannungen in wechsel-, gleich- oder mischspannungen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen   (Fig. 1-Fig. 6)   zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie   Blpolartranslstor, MOSFET, IGBT,   GTO, MCT, SIT mit einem passiven Schalter   (Diode)).   



   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 Eingangsgietchspannung   Ausgangsgleichspannungen unterschiedlicher Polarität   erzeugt werden können und durch entsprechende Ansteuerung Wechselspannungen beliebiger Form erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung sind dabei besonders Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Wechselstrommaschinen. Eine weitere Anwendung kann in der Realisierung von Netzspannungssimulatoren liegen. 



   Im Falle idealer Bauelemente lasst sich der Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung mit a als Tastverhältnis des Ansteuersignals eines strombidirektionalen Schalters, (der zweite   strombidirektionale   Schalter wird mit dem invertierten Puls angesteuert) gemäss 
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 darstellen, Je nachdem, welcher der zwei aktiven Schalter als Haupt- und welcher als komplementärer Schalter aufgefasst wird. Entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung lässt sich damit ein Steuergesetz für das dann erforderliche Tastverhältnis berechnen. Fig. 7 zeigt beispielhaft das erforderliche Tastverhältnis bei einem Ansteuergesetz nach Typ 2. Bei   a=0   wird die Ausgangsspannung 0, für   a > O   ist sie positiv, für   a < 0   ist sie negativ.

   Man erkennt so leicht die Möglichkeit der Schaltung, positive und negative Spannungen (und daher auch Wechselspannungen) aus einer unipolaren Eingangsspannung zu gewinnen Je mehr man parasitäre Effekte in die Steuerung einbezieht, umso besser wird die Ausgangsspannung die gewünschte Form und Grösse erreichen Bedingt durch die Verluste der realen Bauelemente der Schaltung kommt es zu einer unerwünschten Verzerrung der Ausgangsspannung, die aber durch eine überlagerte Regelung, die nur den Fehler der Steuerung kompensieren muss, beseitigt werden kann.

   Als sehr vorteilhaft erweist sich, dass durch die komplementäre Ansteuerung der beiden   strombtdirektionaten   Schalter die Schaltung immer im kontinuierlichen Betneb bleibt, das heisst dass die Spulen (bis auf den Nulldurchgang) immer stromdurchfiossen sind und sich daher die Systemordnung aus regelungtechnischer Sicht nicht ändert. Die gegenständlichen Schaltungen sind Immer als Systeme 4. 



  Ordnung beschreibbar. Diese fixe Ordnungszahl erleichtert den Regierentwurf, da keine Strukturumschaltungen erforderlich sind. 



   Das erforderliche Tastverhältnis (Summe aus Steuergesetz und überlagertem Regler) wird sinnvoll digital berechnet und als pulsbreitenmoduliertes Signal an die Ansteuerschaltungen der aktiven Schalter übergeben. (Die Ansteuerung von aktiven Halbleiterschaltern ist Stand der Technik und wird daher hier nicht behandelt. ) Bedingt durch die Schaltungstopologie ist eine komplementäre Ansteuerung der beiden aktiven Schalter direkt ohne eine Verriegelungszeit, wie sie z. B. bei Brückenschaltungen notwendig ist, möglich. Dies vereinfacht die praktische Realisierung. 



   Bei allen Schaltungsvarianten wird die Schaltfrequenz dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz In Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kondensatoren zweckmässig ist 

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Der Stand der Technik wird nun im folgenden behandelt. 



   In AT 399 625 B geht es um bidirektionale   Wandlerschaltungen,   die topologisch durch ein Halbbrückenmodul, bestehend aus einer Serienschaltung von zwei strombidirektionalen Schaltern (das sind jeweils elektronische Schalter, die aus einer Antiparallelschaltung eines aktiven Schalters,   z. B.   eines   Bipolar-, Unipolar- oder 1GB-Transistors,   und eines passiven Schalters, d. h einer Diode), gebildet wird. Bei der jetzigen Anmeldung sind die strombidirektionalen Schalter jedoch nicht in Serie geschaltet. Es handelt sich topologisch um ganz andere Schaltungsstrukturen, die zusätzlich im Gegensatz zu den entgegengehaltenen Strukturen zur Erzeugung von Wechselspannungen geeignet sind. 



   Die in GB 2200803 A verwendete Leistungsteilstruktur ist zwar bidirektional, stimmt aber mit keiner der in der Anmeldung dargestellten Schaltungen überein. Weiters wird dort ein etwas anderes Steuerverfahren verwendet
Die in EP 0 532 263 A1 verwendete Leistungsteilstruktur ist zwar bidirektional, stimmt aber mit keiner der in der Anmeldung dargestellten Schaltungen überein, da auch dort eine Serienschaltung von strombidirektionalen elektronischen Schaltern verwendet wird. 



   In DE 3608082 A1 wird ein spezielles Regelverfahren zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung einer Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination patentiert. Die dabei verwendete Struktur ist weder bidirektional noch topologisch mit einer der in der Anmeldung ident. 



   Es ist noch anzuführen, dass der strombidirektionale Schalter durch   Entlastungsnetzwerke   (z. B. wie in Fig. 8) oder mit Hilfe von Quasiresonanzstrukturen und ähnlichen soft-switching Strukturen zur Verringerung der Schaltverluste erweitert werden kann. Einen Überblick mit reicher Literaturangabe findet man dazu im Artikel "Soft-Switching Techniques In PWM Converters,   G. Hua   & F. C. Lee, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 42, Dez. 1995, 595-603. 



   Die neuen Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen (unipolare Spannung)   (U1)   in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen (U2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters (S1, S2) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie zwei Kondensatoren (C1, C2) und zwei Induktivitäten (L1, L2) ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussklemme der Induktivität   L 1   mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4) verbunden ist und die andere Klemme In Serie mit einem Kondensator C1 geschaltet ist, der weiter in Serie mit der Induktivität L2 geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4) verbunden ist und dass ein bidirektionaler Schalter   (S1, D1   oder S2, D2)

   immer den Kondensator C1 in Serie mit einer Induktivität   (L 1   oder L2)   überbrückt   und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S2, D2 oder   S1, D1)   immer von dem Knoten, wo der Kondensator C1 mit einer Induktivität   (L 1   oder L2) zusammengeschaltet ist, der nicht an den anderen bidirektionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2) angeschlossen ist, zu einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4) geführt wird und der Kondensator C2 immer parallel zu zwei Ausgangsklemmen liegt (zwischen 1 und 2 oder zwischen 3 und 4, die Eingangsklemmen sind dann entsprechend 3 und 4 bzw. 1 und 2), wobei für die Betriebsrichtung gilt, dass zwischen den Klemmen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt, an den Klemmen 3 und 4 die gewandelte Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen entnommen werden kann. 



   Die Figuren stellen Ausformungen der gegenständlichen Erfindung dar. Sie sind stellvertretend mit MOS-Transistoren gezeichnet. Alle Konverter, die in den Abbildungen Fig 1 bis Fig. 6 dargestellt sind, bestehen aus je zwei Spulen (Induktivitäten)   L 1   und L2, je zwei Kondensatoren (Kapazitäten) C1 und C2, je zwei   strombidirektionalen   Schaltern, bestehend aus einer Diode und einem aktiven Schalter   (S1   parallel D1 und S2 parallel D2).   L 1, C1   und L2 sind in Serie geschaltet und dienen der Energiespeicherung, der Kondensator C2 dient zur Filterung der Ausgangsspannung U2 von den Harmonischen der Schaltfrequenz. Der Schalter S1 wird mit konstanter oder veränderlicher Frequenz mit dem Tastverhältnis entsprechend dem Steuergesetz angesteuert.

   Der Schalter S2 wird mit der gleichen konstanten oder veränderlichen Frequenz wie Schalter S1 angesteuert, aber mit dem invertierten Signal entsprechend dem Steuergesetz. Figur 7 zeigt das erforderliche Tastverhältnis a alpha (U2) in Abhängigkeit der gewünschten Ausgangsspannung U2. Wünscht man eine konstante Ausgangsspannung, so wird das Tastverhältnis entsprechend gewählt. Will man eine veränderliche Ausgangsspannung, so muss das Tastverhältnis entsprechend der Kennlinie verändert werden. Figur 8 stellt ein einfaches Entlastungsnetzwerk für einen strombidirektionalen Schalter dar.

   Die Induktivität LS in Serie zur Parallelschaltung, bestehend aus Schalter S 

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 und Diode D, dient zur Einschaltentlastung, die Serienschaltung aus Kondensator CS und Widerstand RS, die parallel zur Parallelschaltung, bestehend aus Schalter S und Diode D liegt, dient zur Ausschaltentlastung. Betrachtet man die Figuren 3 und 2, so sieht man, dass die Schaltungtopologie gleich ist, der Spannungspfeil der Ausgangsspannung jedoch unterschiedlich liegt. Damit wird angedeutet, dass die Schaltung je nach dem, ob vom Start weg - die Schaltung sollte mit dem Tastverhältnis   0. 5   im Ruhezustand (Ausgangsspannung null) betrieben werden-mit einem Tastverhältnis grösser oder kleiner 0. 5 gearbeitet wird, eine positive oder negative Ausgangsspannung erzeugt wird.

Claims (3)

1. Bezugszeichenaufstellung U1 Eingangsspannung U2 Ausgangsspannung U Induktivität, Spule L2 Induktivität, Spule C1 Kondensator C2 Kondensator S1 aktiver Schalter S2 aktiver Schalter D1 passiver Schalter D2 passiver Schalter RL Lastwiderstand 1 Klemme für Eingangsspannung
2. 2 Klemme für Eingangsspannung (Bezugspunkt) 3 Klemme für Ausgangsspannung 4 Klemme für Ausgangsspannung (Bezugspunkt) Rs Widerstand in Entlastungsnetzwerk Ls Induktivität in Entlastungsnetzwerk Cs Kondensator in Entlastungsnetzwerk PATENTANSPRÜCHE : 1.

   Wandlerschaltung zur Umformung von Gleichspannungen (unipolare Spannung) (U1) in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen (U2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteu- erten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschal- ters (S1, S2) wie Bipolartransistor, MOSFET, IGET, GTO, MCT, SIT (h) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie zwei Kondensatoren (C1, C2) und zwei fnduktivitaten (L1, L2) dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussklemme der Induktivität L 1 mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4) verbunden ist und die andere Klemme in Serie mit einem Kondensator C1 geschaltet ist, der weiter in Serie mit der Induktivität L2 geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4)

   verbunden ist und dass ein bidirektionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2) immer den Konden- sator C1 in Sene mit einer Induktivität (L 1 oder L2) überbrückt und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S2, D2 oder S1, D1) immer von dem Knoten, wo der Kondensator C1 mit einer tndukttvitat (L 1 oder L2) zusammengeschaltet Ist, der nicht an den anderen bidirektionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2) angeschlossen ist, zu einer Anschlussklemme der Schaltung (1, 2, 3, 4) geführt wird und der Kondensator C2 immer parallel zu zwei Ausgangsklemmen liegt (zwischen 1 und 2 oder zwischen 3 und 4, die Eingangsklemmen sind dann entsprechend 3 und 4 bzw 1 und 2), wobei für die Betriebsrichtung gilt,

   dass zwischen den Klemmen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt, an den Klemmen 3 und 4 die gewandelte Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen entnommen werden kann 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung durch Kombination einer Steuerung, die sich gemäss eines den Schaltungen inhärenten Steuergesetzes zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schalters (S1) zu <Desc/Clms Page number 4> Taktperiode des Schalters (S1), bei gleichzeitiger komplementärer Ansteuerung des Schal- ters (S2)), Eingangsspannung (U1), erwünschter Ausgangsspannung (U2) und den Bauteil- werten ergibt und einer überlagerten Regelung, die zur Kompensation des Fehlers der Steuerung dient, erfolgt,

   wobei die Berechnung des Tastverhältnisses durch eine diskret aufgebaute Schaltung (gemischt analog-digital) oder durch einen Mikrocontroller oder Signalprozessor erfolgen kann.
3. 3. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die strombidirektio- nalen Schalter mit soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste versehen sind.