AT412376B - Schaltungen zur pulsung von gleichspannungen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen (Fig.1-Fig.2) zur Pulsung von Gleichspan- nungen mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparal- lelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT mit einem passiven Schalter (Diode)). 



   Die Eingangsgleichspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie,   Solarzellen,   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. 



   In EP 0 714 160 A2 (AT & T CORP. ) findet man einen geteilten Boost Konverter mit zwei bidi- rektionalen Schaltern, einer Koppeldiode, zwei Ausgangskondensatoren und einer Induktivität. 



  Damit lassen sich aus einer Eingangsspannung zwei in Summe höhere Ausgangsspannungen erzeugen. In der in der Patentschrift dargestellten Schaltung sind beide entstehenden Ausgangs- spannungen gegenüber Erde springend, da die Eingangsspannung mit einer Gleichrichterschal- tung gewonnen wird. Die dargestellte Schaltung kann jedoch nicht eine Ausgangsspannung erzeu- gen, deren Mittelwert in beiden Spannungsrichtungen möglich ist, abhängig vom Tastverhältnis. 



  Weiters können die beiden Ausgangsspannungen, bei Wahl gleicher Ausgangskondensatoren, nicht kleiner als die halbe Eingangsspannung sein. Unabhängig von der Wahl der Ausgangskon- densatoren gilt, dass ohne Taktung der aktiven Schalter an den beiden Kondensatoren (und daher an den Lastwiderständen) in Summe keine kleinere Spannung als die Eingangsspannung auftreten kann. 



   Bei der gegenständlichen Erfindung ist der Mittelwert der Ausgangsspannung von null begin- nend in beide Spannungsrichtungen veränderbar, in einer Richtung sogar über die Betriebsspan- nung hinaus. Es besteht also ein deutlicher Unterschied zu oben genannter Patentschrift. 



   Besonders vorteilhaft bei den hier besprochenen Schaltungen ist die Tatsache, dass aus einer Eingangsgleichspannung eine mittlerere Ausgangsgleichspannung unterschiedlicher Polarität erzeugt werden kann und durch entsprechende Ansteuerung Wechselspannungen beliebiger Form erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung ist die Ansteuerung von Gleichstrommaschi- nen, die damit im Vierquadrantenbetrieb benutzt werden können. Ebenso sind die Schaltungen als Stellglied für einen Strang einer Wechselstrommaschine (ein- oder mehrphasig) geeignet. 



   Ebenso ist bemerkenswert, dass bei Vertauschung von Ausgang mit Eingang aus einer Wech- selspannung eine gepulste Gleichspannung erzeugt werden kann. Durch entsprechende Ansteue- rung ist dabei auch ein annähernd der Eingangsspannung ähnlicher Strom zu erreichen. Die Schal- tungen eignen sich daher bei umgekehrter Betriebsrichtung auch als Powerfactorcorrector. Wird als Last eine Gleichstrommaschine verwendet, so kann man diese im Zweiquadrantenbetrieb betreiben. 



   Im Falle idealer Bauelemente lässt sich der Zusammenhang zwischen der mittleren Ausgangs- und der Eingangsspannung mit d als Tastverhältnis des Ansteuersignals eines strombidirektionalen Schalters (der zweite strombidirektionale Schalter wird mit dem invertierten Puls angesteuert) 
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 darstellen, je nachdem, welcher der zwei aktiven Schalter als Haupt- und welcher als komplemen- tärer Schalter aufgefasst wird. Entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung lässt sich damit ein Steuergesetz für das dann erforderliche Tastverhältnis berechnen. Bei einem Tastverhältnis von d=0. 5 ergibt sich eine mittlere Ausgangsspannung von 0. Für d > 0.5 ist sie positiv und kann maximal den Wert der Eingangsspannung erreichen, für d < 0.5 ist sie negativ und kann betrags- mässig grösser als die Eingangsspannung werden.

   Man erkennt so leicht die Möglichkeit der Schal- tung, positive und negative Spannungen (und daher auch Wechselspannungen) aus einer unipola- ren Eingangsspannung zu gewinnen. Betrachtet man das zweite Steuergesetz, dann strebt die Spannung in der anderen Polarität bei einem gegen 1 strebenden Tastverhältnis zu einer Verviel- fachung der Eingangsspannung. 



   Man erkennt den Vorteil der gegenständlichen Schaltungen beim Vierquadrantenbetrieb. 

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  Es sind nur zwei strombidirektionale Schalter erforderlich. Bei der üblichen Vierquadrantenschal- tung mit zwei strombidirektionalen Schaltern ist eine Anzapfung der Eingangsgleichspannung, z. B. mit einem kapazitiven Spannungsteiler, erforderlich. Dabei reduziert sich die für beide Drehrichtun- gen zur Verfügung stehende Spannung auf die Hälfte. Das ist hier nicht der Fall. Für eine Drehrich- tung steht sogar mehr Spannung als die Betriebsspannung zur Verfügung. 



   Als sehr vorteilhaft erweist sich, dass durch die komplementäre Ansteuerung der beiden strom- bidirektionalen Schalter die Schaltung immer im kontinuierlichen Betrieb bleibt, das heisst, dass die Spule (bis auf den Nulldurchgang) immer stromdurchflossen ist und sich daher die Systemordnung aus regelungstechnischer Sicht nicht ändert. Die gegenständlichen Schaltungen sind immer als Systeme 2. Ordnung beschreibbar. Diese fixe Ordnungszahl erleichtert den Reglerentwurf, da keine Strukturumschaltungen erforderlich sind. Wird z. B. die Ankerwicklung einer permanenterreg- ten Gleichstrommaschine an den Ausgang geschaltet, dann erhöht sich die Ordnung bei starr gekoppelter Arbeitsmaschine um 2 (verursacht durch die Ankerinduktivität und durch das Träg- heitsmoment der rotierenden Massen).

   Schliesst sich noch ein Mehrmassensystem als mechani- sche Last an, so steigt natürlich die Systemordnung entsprechend. 



   Das erforderliche Tastverhältnis wird als pulsbreitenmoduliertes Signal an die Ansteuerschal- tungen der aktiven Schalter übergeben. (Die Ansteuerung von aktiven Halbleiterschaltern ist Stand der Technik und wird daher hier nicht behandelt.) 
Bei allen Schaltungsvarianten wird die Schaltfrequenz dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drossel und des Kondensators zweckmässig ist. 



   Es ist noch anzuführen, dass der strombidirektionale Schalter durch Entlastungsnetzwerke 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 Transac- tions on Industrial Electronics, Vol 42, Dez. 1995,595-603. 



   Die neuen Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen (unipolare Spannung) (U1) in Pulsspannungen (U2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters (S1, S2) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie einem Kondensatoren (C) und einer Induktivität (L) ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussklemme der Induktivität L mit einer Eingangsklemme der Schal- tung (1) verbunden ist und die andere Klemme in Serie mit einem Kondensator C geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit einer Ausgangsklemme der Schaltung (3) verbunden ist, und dass ein bidirektionaler Schalter (S2, D2) immer den Kondensator C in Serie mit der Induktivität (L) über- brückt und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S1, D1) immer von dem Knoten, wo der Kondensator C mit der Induktivität (L)

   zusammengeschaltet ist, zu einer Bezugsklemme der Schal- tung (2,4) geschaltet ist, wobei für die Betriebsrichtung gilt, dass zwischen den Klemmen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt und an den Klemmen 3 und 4 die gewandelte Pulsspannung entnommen werden kann. Bei umgekehrter Betriebsrichtung liegt die Eingangswechselspannung zwischen den Klemmen 3 und 4 und die pulsierende unipolare Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 1 und 2. 



   Die Figuren stellen Ausformungen der gegenständlichen Erfindung dar. Sie sind stellvertretend mit MOS-Transistoren gezeichnet. Alle Konverter, die in den Abbildungen Fig. 1 und Fig. 2 darge- stellt sind, bestehen aus je einer Spule (Induktivität) L, je einem Kondensator (Kapazität) C, je zwei strombidirektionalen Schaltern, bestehend aus einer Diode und einem aktiven Schalter (S1 parallel D1 und S2 parallel D2). L, C sind in Serie geschaltet und dienen der Energiespeicherung. 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 veränderli- chen Frequenz wie Schalter S1 angesteuert, aber mit dem invertierten Signal. Wünscht man eine konstante mittlere Ausgangsspannung, so wird das Tastverhältnis entsprechend gewählt.

   Will man eine veränderliche Ausgangsspannung, so muss das Tastverhältnis entsprechend dem Steuerge- setz der Wandlerstruktur verändert werden. Betrachtet man die Figuren 1 und 2 so sieht man, dass die Schaltungstopologie je nach vorhandener Eingangsgleichspannung eine unterschiedliche Polung der bidirektionalen Schalter benötigt. Der Spannungspfeil der Ausgangsspannung zeigt in unterschiedliche Richtung.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wandlerschaltung zur Umformung von Gleichspannung (unipolare Spannung) (U1) in eine gepulste Spannung (U2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektiona- len Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters {S1, S2) wie Bipo- lartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT(h) mit einem passiven Schalter (Diode) (01, D2)), sowie eines Kondensatoren (C) und einer Induktivität (L) dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussklemme der Induktivität L mit der Eingangsklemme der Schaltung (1) verbunden ist und die andere Klemme in Serie mit einem Kondensator C geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit einer Ausgangsklemme der Schaltung (3) verbunden ist, und dass ein bidirektionaler Schalter (S2, D2) immer den Kondensator C in Serie mit der Induk- tivität (L)

   überbrückt und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S1, D1) immer von dem Knoten, wo der Kondensator C mit der Induktivität (L) zusammengeschaltet ist, zur Bezugsanschlussklemme der Schaltung (2,4) geführt wird, wobei für die Betriebsrichtung gilt, dass zwischen den Klemmen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt, an den Klem- men 3 und 4 die gewandelte Pulsspannung entnommen werden kann.
2. 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Eingang und Ausgang der Schaltung vertauscht werden, wobei an die Klemmen (3,4), an denen die Pulsspan- nung abgenommen wurde, nun eine Spannung beliebiger Polarität und Form gelegt wird und an den Klemmen (1, 2), an denen die Gleichspannung gelegt wurde, eine unipolare Pulsspannung abgenommen wird.
3. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteue- rung durch Kombination einer Steuerung, die sich gemäss des sich aus der Tatsache, dass im eingeschwungenen Zustand die Spannung an der Induktivität im Mittel null sein muss, ergebenden Steuergesetzes zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schal- ters (S1) zu Taktperiode des Schalters (S1), bei gleichzeitiger komplementärer Ansteue- rung des Schalters (S2)), Mittelwert der Eingangsspannung, erwünschtem Mittelwert der Ausgangsspannung ergibt und einer überlagerten Regelung, die zur Kompensation des Fehlers der Steuerung dient, beziehungsweise auch eine Stromaufnahme proportional dem Mittelwert der Eingangsspannung ermöglicht, erfolgt, wobei die Berechnung des Tastverhältnisses durch eine diskret aufgebaute Schaltung (gemischt analog-digital)

   oder durch einen Mikrocontroller oder Signalprozessor erfolgen kann.
4. 4. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Last Aktua- toren, Wicklungsstränge von Drehfeldmaschinen oder Gleichstrommaschinen geschaltet sind.
5. 5. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangsspannung ein Kondensator geschaltet ist.
6. 6. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die strombi- direktionalen Schalter mit soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste ver- sehen sind.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN