AT412375B

AT412375B - Hochdynamische gleichrichterschaltungen

Info

Publication number: AT412375B
Application number: AT5302001A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2005-01-25
Also published as: ATA5302001A

Description

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

Besonders vorteilhaft bei den hier besprochenen Schaltungen ist die Tatsache, dass aus einer Eingangspannung beliebiger Form Gleichspannungen erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung sind dabei besonders Sinusspannungen oder verzerrte Sinusspannungen, wie sie typisch in Energieübertragungsnetzen auftreten, mit konstanter oder annähernd konstanter Fre- quenz. Prinzipiell ist aber keine Einschränkung in der Eingangssignalform und Frequenz erforder- lich.

Die hier behandelten Schaltungen können auch direkt als Power-Factor-Corrector zur Entnah- me eines sinusförmigen, oder der Netzspannung proportionalen Strom ohne vorgeschalteten Gleichrichter, verwendet werden. Dies führt zur Einsparung der üblichen zweipulsigen Diodenbrü- cke. Interessant ist auch die Möglichkeit der Gleichrichtung von Wechselsignalen mit grosser Gleichstromkomponente. Die Polarität der Ausgangsspannung ist bei den Schaltungen Figs. 1 und 3 von oben nach unten gerichtet, bei den Schaltungen Figs. 2 und 4 umgekehrt von unten nach oben.
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Halbbrücke und dazu parallel geschalteten Kondensatoren und einer sättigbaren Spule zwecks Reduktion der Schaltverluste.

Mit dieser Schaltung kann eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung verwandelt werden, nicht jedoch eine Wechselspannung in eine Gleich- spannung, wie bei der hier geoffenbarten Erfindung.

US 5 097 196 Q (SCHONEMAN) zeigt einen multiresonanten DC/DC Konverter, der bei relativ konstanter Schaltfrequenz betrieben wird, durch die Resonanzkreise die Schaltverluste reduziert und so den Wirkungsgrad steigert. Auch bei dieser Schaltung ist keine Umwandlung einer Wech- selspannung in eine Gleichspannung möglich.

Im Falle idealer Bauelemente lässt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Ein- gangsspannung mit d 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 komplemen- tärer Schalter aufgefasst wird, kann jeweils auch das invertierte Steuergesetz entstehen. Entspre- chend der gewünschten Ausgangsspannung und der vorgegebenen Eingangsspannung lässt sich damit ein Steuergesetz für das dann erforderliche Tastverhältnis berechnen. Fig. 5 zeigt beispiel- haft das erforderliche Tastverhältnis bei einem Ansteuergesetz nach Typ 2. Bei negativer Ein- gangsspannung ist das erforderliche Tastverhältnis d grösser/kleiner als 0. 5.

Man erkennt so leicht die Möglichkeit der Schaltung, positive und negative Eingangsspannungen (und daher auch Wech- selspannungen) in eine unipolare Ausgangsspannung umzuformen. Je mehr man parasitäre Effek- te 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 strombidirektionalen

Schalter die Schaltung immer im kontinuierlichen Betrieb bleibt, das heisst, dass die Spulen (bis auf den Nulldurchgang) immer stromdurchflossen sind und sich daher die Systemordnung aus rege- lungstechnischer Sicht nicht ändert, weiters kann dadurch die Dynamik der Schaltung erhöht werden. Die gegenständlichen Schaltungen sind immer als Systeme 4. Ordnung beschreibbar.

Diese fixe Ordnungszahl erleichtert den Reglerentwurf, 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 Tech- nik und wird daher hier nicht behandelt.) Bedingt durch die Schaltungstopologie ist eine komple- mentäre Ansteuerung der beiden aktiven Schalter mit einer kurzen Verriegelungszeit möglich.

Bei allen Schaltungsvarianten wird die Schaltfrequenz dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kon- densatoren zweckmässig ist.

Es ist noch anzuführen, dass der strombidirektionale Schalter durch Entlastungsnetzwerke (z.B.

RC-Snubber oder verlustarme Entlastungsnetze), 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 nSoft-Switching Techniques in PWM Converters", G.Hua & F. C.Lee, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 42, Dez.

1995,595-603.

Die Wandlerschaltungen zur Umformung von Wechsel- oder Mischspannungen (UAc) in Gleich- spannungen (unipolare Spannung) (U1) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidi- rektionalen 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 L1 mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1,2,3,4) verbunden ist und die andere Klemme der Induktivität (L1) 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) verbun- den ist und dass ein bidirektionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2)

immer den Kondensator C1 in Serie mit einer Induktivität (L1 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 (L1 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 3 und 4).

Es sei hier noch angemerkt, dass die strombidirektionalen Schalter (S1, S2) immer mit mindes- tens einem Anschluss mit einer Induktivität verbunden sind. Daher ergibt sich noch die Möglichkeit, diesen Anschlusspunkt des Schalters mit einer Anzapfung dieser Induktivität (oder bei gekoppelten Spulen mit einem Punkt, an dem die Teilwicklungen verbunden sind) zu verbinden. Damit erhält man einen weiteren Freiheitsgrad bei der Dimensionierung der Schaltung, da durch das Win- dungsverhältnis eine bessere Anpassung der Spannungsniveaus von Eingang und Ausgang er- möglicht wird.

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. 4 darge- stellt sind, bestehen aus je zwei Spulen (Induktivitäten) L1 und L2, je zwei Kondensatoren (Kapazi- täten) C1 und C2, je zwei strombidirektionalen Schaltern, bestehend aus einer Diode und einem aktiven Schalter (S1 parallel D1 und S2 parallel D2). L1, 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 veränder- licher 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 5 zeigt das erforderliche Tastverhältnis d in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungsübersetzungsfaktor M=U2/U1.

Wünscht man eine konstante Ausgangsspannung, so wird das Tastverhältnis entsprechend dem Steuergesetz gemäss der veränderlichen Eingangsspannung gewählt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Wandlerschaltungen zur Umformung von Wechselspannungen bzw. Gleichspannungen mit überlagerter Wechselkomponente (Mischspannung) (UAc) in unipolare Spannungen (UDC) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters (S1, S2) wie Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT(h) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie zwei Kondensatoren (C1, C2) und zwei Induktivitäten (L1, L2) dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussklemme der Induktivität L1 mit einer Anschlussklemme der Schaltung (1 oder 3) verbunden ist und die andere Klemme in Serie mit einem Kondensator C1 ge- schaltet ist, der weiter in Serie mit der Induktivität L2 geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit Anschlussklemmen der Schaltung (2 und 4, oder 3) verbunden ist,

und dass ein bidirek- tionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2) immer den Kondensator C1 in Serie mit einer Induk- tivität (L1 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 (L1 oder L2) zusammengeschaltet ist, der nicht an den anderen bidirektionaler Schalter (S1, D1 oder S2, D2) angeschlossen ist, zu einer Anschlussklemme der Schaltung (1 oder 2 und 4) ge- führt wird und der Kondensator C2 immer parallel zu zwei Ausgangsklemmen liegt (zwi- schen 3 und 4), die Eingangsspannung (UAc) zwischen den Klemmen (1 und 2) liegt.
2. Wandlerschaltungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der verwendeten Induktivitäten (L1, L2) mit einer Anzapfung versehen ist, oder dass min- destens eine der Induktivitäten (L1, L2) als gekoppelte Spule, die zusammengeschlossen ist, ausgeführt wird und mindestens ein Anschluss eines bidirektionalen Schalters (S1, S2) vom ursprünglichen Anschlusspunkt (am Wicklungsanfang oder-ende der Induktivität (L1 oder L2) an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden gekoppelten Spulen geschaltet wird, der andere Anschluss des bidirektionalen Schalters (S1, S2) bleibt unver- ändert.
3. Wandlerschaltungen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteue- rung durch Kombination einer Steuerung, die sich gemäss eines den Schaltungen inhären- ten Steuergesetzes zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schalters (S1) zur Taktperiode des Schalters (S1) bei gleichzeitiger komplementärer Ansteuerung des Schalters (S2)), Eingangsspannung (UAc), erwünschter Ausgangsspannung (UDc) und den Bauteilwerten ergibt und einer überlagerten Regelung, die zur Kompensation des Fehlers der Steuerung dient, erfolgt, wobei die Berechnung des Tastverhältnisses durch eine dis- kret aufgebaute Schaltung (gemischt analog-digital) oder durch einen Mikrocontroller oder Signalprozessor erfolgen kann.
4. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die strom- bidirektionalen Schalter mit soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste versehen sind.
5. Wahdlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie als PFC verwendet werden und die veränderbare Ausgangsspannung (UDC) als Zwischen- kreisspannung für einen nachfolgenden Umrichter oder Aktuator verwendet wird.
6. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass an die veränderbare Ausgangsspannung (UDc) eine Gleichstrommaschine oder ein Aktuator ge- schaltet ist.
7. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Gleichrichter in einem Resonanzkonverter verwendet werden.
8. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Gleichrichter in einem Klasse-E Verstärker bzw. Klasse- E Konverter verwendet werden.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN