AT412377B

AT412377B - Hochdynamische veränderbare stromquellen

Info

Publication number: AT412377B
Application number: AT10192001A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2005-01-25
Also published as: ATA10192001A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen (Fig.1-Fig.2) zur Erzeugung eines Stroms veränderbarer Grösse aus einer Gleichspannung mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Bipo- lartransistor, 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 einen Ausgangsstrom erzeugen, der in beiden Stromrichtungen 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 Ausgangskondensatoren gilt, dass ohne Taktung der aktiven Schalter an den beiden Kondensatoren (und daher an den Lastwider- ständen) in Summe keine kleinere Spannung als die Eingangsspannung auftreten kann.

Bei der gegenständlichen Erfindung handelt es sich um eine -Stromquelle, deren Laststrom von null beginnend in beide Stromrichtungen veränderbar, in einer Richtung sogar grösser als in der anderen ist. Es besteht also ein deutlicher Unterschied zu oben genannter Patentschrift.

US 5 097 196 A (ROCKWELL INT. CORP.) behandelt einen zero-voltage-switched multireso- nant DC to DC converter. Zentral ist bei diesem DC/DC Konverter die Reduktion der Schaltverluste und damit die Erhöhung der Schaltfrequenz. Es ist mit dieser Schaltung nicht, wie in der gegen- ständlichen Erfindung, die Erzeugung eines bidirektionalen Stroms aus einer Gleichspannung möglich.

Besonders vorteilhaft bei den hier besprochenen Schaltungen ist die Tatsache, dass aus einer Eingangsgleichspannung ein Ausgangsstrom unterschiedlicher Polarität erzeugt werden kann und durch entsprechende Ansteuerung Wechselströme beliebiger Form erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung ist die Ansteuerung von Lautsprechern, insbesondere wenn hoher Wir- kungsgrad erreicht werden soll. Das gilt besonders bei Grossraumbeschallungen, aber auch für Anwendungen, wo die zur Verfügung stehende Betriebsenergie beschränkt ist, wie in Fahrzeugen (Kfz, Reisezugwagen, Flugzeuge, Raumfahrt). Eine weitere Anwendung stellen Gleichstromma- schinen, die damit im Vierquadrantenbetrieb benutzt werden können, dar. Ebenso sind die Schal- tungen als Stellglied für einen Strang einer Wechselstrommaschine (ein- oder mehrphasig) geeig- net.

Bei der Bestimmung des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems liegt die Ausgangsin- duktivität der Schaltung in Serie zu einer Induktivität der Last (z. B. Lautsprecherinduktivität, Anker- induktivität, Wicklungsinduktivität) und führt so nicht zu einer Ordnungserhöhung des dynamischen Systems.

Ebenso ist bemerkenswert, dass bei Vertauschung von Ausgang mit Eingang aus einem Wech- selstrom eine gepulste Gleichspannung erzeugt werden kann. Durch entsprechende Ansteuerung ist dabei auch ein annähernd der Eingangsspannung ähnlicher Strom zu erreichen.

Die Schaltungen eignen sich daher bei umgekehrter Betriebsrichtung auch als Powerfactorcor- rector. Wird als Last eine Gleichstrommaschine verwendet, so kann man diese im Zweiquadran- tenbetrieb an einem beliebigen Wechselnetz betreiben.

Im Falle idealer Bauelemente lässt sich der Zusammenhang zwischen dem mittleren Ausgangs- strom und der Eingangsspannung U, mit d als Tastverhältnis des Ansteuersignals eines strom- bidirektionalen Schalters (der zweite strombidirektionale Schalter wird mit -dem invertierten Puts angesteuert), im eingeschwungenen Zustand mit dem Lastwiderstand R gemäss
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darstellen, dabei wird der aktive Schalter S1 (der zum Bezugspunkt geschaltete, fig. 1) als Haupt- und der andere als komplementärer Schalter aufgefasst. entsprechend dem gewünschten

Ausgangsstrom lässt sich damit ein Steuergesetz für das dann erforderliche Tastverhältnis berech- nen. Bei einem Tastverhältnis von d=0. 5 ergibt sich ein mittlerer Ausgangsstrom von 0.

Für d < 0.5 ist er negativ und kann maximal den Wert Eingangsspannung durch Lastwiderstand erreichen, für d > 0.5 ist er positiv und kann grösser als die Eingangsspannung durch den Lastwiderstand werden.

Man erkennt so leicht die Möglichkeit der Schaltung, positive und negative Ströme (und daher auch Wechselströme) aus einer unipolaren Eingangsspannung zu gewinnen. Durch Regelung des Tastverhältnisses d kann der Strom unabhängig von U1 und R in gewissem Rahmen eingeprägt werden. Die Spannung am Kondensator kann dabei grösser oder kleiner als die Eingangsspannung werden.

Man erkennt den Vorteil der gegenständlichen Schaltungen beim Vierquadrantenbetrieb. Es sind nur zwei strombidirektionale Schalter erforderlich. Bei üblichen Vierquadrantenschaltungen mit zwei strombidirektionalen Schaltern ist eine Anzapfung der Eingangsgleichspannung, z. B. mit einem kapazitiven Spannungsteiler, erforderlich. Dabei reduziert sich die für beide Stromrichtungen zur Verfügung stehende Spannung auf die Hälfte. Das ist hier nicht der Fall. Für eine Stromrich- tung steht sogar mehr Spannung als die Betriebsspannung zur Verfügung.

Werden die Stromquellen an sehr hochohmigen Lasten betrieben, so steigt die erforderliche Spannung an den Ausgangsklemmen, wie es bei jeder Stromquelle natürlich ist, betragsmässig sehr an. Hier muss dann über die Steuer und Regelschaltung eine Begrenzung vorgenommen werden. Eine Gefahr für die Stromquellen stellt der Lastabwurf da, da dann der Strom in der Aus- gangsinduktivität unterbrochen wird. Für diesen Fall muss eine Überspannungsschutzbeschaltung bei den Halbleiterbauelementen vorgesehen werden.

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 Spulen (bis auf den Nulldurchgang) immer stromdurchflossen sind und sich daher die Systemord- nung aus regelungstechnischer Sicht nicht ändert. Die gegenständlichen Schaltungen sind immer als Systeme 3. Ordnung beschreibbar. Diese fixe Ordnungszahl erleichtert den Reglerentwurf, da keine Strukturumschaltungen erforderlich sind. Die üblichen Lautsprechermodelle, an denen Ver- stärker geprüft werden, sind meist erster oder zweiter Ordnung und führen daher zu keiner oder zu einer Erhöhung der Ordnung um eins. Wird z.

B. die Ankerwicklung einer permanenterregten Gleichstrommaschine an den Ausgang geschaltet, dann erhöht sich die Ordnung bei starr gekop- pelter Arbeitsmaschine um eins (verursacht durch das Trägheitsmoment der rotierenden Massen).

Schliesst sich noch ein Mehrmassensystem als mechanische Last an, so steigt natürlich die Sys- temordnung 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 Induktivitäten 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 nSoft-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 einen Strom (/2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schal- tem (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters (S1, S2) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie einem Kondensator (C) und zweier Induktivitäten (L1, L2) ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der Induktivität L1 mit dem Eingang (Eingangsklemme) der Schaltung (1) verbunden ist und der andere Anschluss in Serie mit einem Kondensator C geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit einem Anschluss der zweiten Induktivität L2 verbunden ist, deren zweiter Anschluss mit dem Ausgang (Ausgangsklemme) der Schaltung (3) verbunden ist, und dass ein bidirektionaler Schalter (S2, D2) immer den Kondensator C in Serie mit der Induktivität (L1 )

überbrückt und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S1, D1) immer von dem Knoten, wo der Kondensator C mit der Induktivität (L1) zusammengeschaltet ist, zum Bezugspunkt der Schaltung

(Masseklemme von Ein- und Ausgang) (2, 4) geschaltet ist, wobei für die Betriebsrichtung gilt, dass zwischen den Anschlüssen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt, und zwischen den An- schlüssen 3 und 4 die Last, in der der Strom eingeprägt werden soll, geschaltet wird. Bei umge- kehrter Betriebsrichtung liegt die Eingangsspannung zwischen den Klemmen 3 und 4 und die pulsierende unipolare Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 1 und 2. Die Schaltung ent- nimmt dann aus der zwischen den Anschlüssen 3 und 4 liegenden Spannung einen über die An- steuerung vorgebbaren Strom.

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 zwei Spulen (Induktivitäten) L1, L2, je einem Kondensator (Kapazität) C, je zwei strombidirektionalen Schaltern, bestehend aus einer Diode und einem aktiven Schalter (S1 parallel D1 und S2 parallel D2). L1, C und L2 sind in Serie geschaltet und dienen der Energie- speicherung. Der Schalter S1 wird mit konstanter oder veränderlicher Frequenz mit dem Tastver- hältnis entsprechend dem Steuergesetz angesteuert. Der Schalter S2 wird mit der gleichen kon- stanten oder veränderlichen Frequenz wie Schalter S1 angesteuert, aber mit dem invertierten Signal.

Wünscht man einen konstanten mittleren Ausgangsstrom, so wird das Tastverhältnis ent- sprechend gewählt. Ändert sich die Eingangsspannung, so muss das Tastverhältnis entsprechend verändert werden. Will man eine veränderliche Ausgangsspannung, so muss das Tastverhältnis entsprechend dem Steuergesetz der Wandlerstruktur verändert werden. Betrachtet man die Figu- ren 1 und 2, so sieht man, dass die Schaltungstopologie je nach vorhandener Eingangsgleichspan- nung eine unterschiedliche Polung der bidirektionalen Schalter benötigt. Der Spannungspfeil der Ausgangsspannung zeigt in unterschiedliche Richtung.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Wandlerschaltung zur Umformung von Gleichspannungen (unipolare Spannung) (U1) in einen Strom (/2) mit Hilfe von zwei komplementär angesteuerten strombidirektionalen
Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters S1, S2) wie Bipolartran- sistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT(h) mit einem passiven Schalter (Diode) (D1, D2)), sowie eines Kondensators (C) und zweier Induktivitäten (L1, L2) dadurch gekennzeich- net, dass ein Anschluss der Induktivität L1 mit dem Eingang der Schaltung (1) verbunden ist und der andere Anschluss der Induktivität L1 in Serie mit einem Kondensator C geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit einem Anschluss der Induktivität L2 verbunden ist, deren zweiter Anschluss mit dem Ausgang der Schaltung (3) verbunden ist und dass ein bidirekti- onaler Schalter (S2, D2)

immer den Kondensator C in Serie mit der Induktivität (L1) über- brückt und der jeweils andere bidirektionale Schalter (S1, D1) immer von dem Knoten, wo der Kondensator C mit der Induktivität (L1) zusammengeschaltet ist, zum Bezugsanschluss der Schaltung (2,4) geführt wird, wobei für die Betriebsrichtung gilt, dass zwischen den An- schlüssen 1 und 2 die Eingangsgleichspannung liegt, an den Anschlüssen 3 und 4 die
Last, durch die der gewünschte Strom fliessen soll, geschaltet ist.

Claims

2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Eingang und Ausgang der Schaltung vertauscht werden, wobei an die Klemmen (3,4), an denen die Last ange- schlossen 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. Wandlerschaltung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung 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, er- gebenden Steuergesetzes zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schalters (S1) zu Taktperiode des Schalters (S1) bei gleichzeitiger komplementärer Ansteuerung des Schalters (S2)), Eingangsspannung (nun zwischen 3 und 4), erwünschter Ausgangs- spannung (nun zwischen 1 und 2) und den Bauteilwerten ergibt und einer überlagerten Regelung, die zur Kompensation des Fehlers der Steuerung dient, beziehungsweise auch eine Stromaufnahme proportional dem Mittelwert der Eingangsspannung ermöglicht, <Desc/Clms Page number 4> erfolgt,

wobei die Berechnung des Tastverhältnisses durch eine diskret aufgebaute Schal- tung (gemischt analog-digital) oder durch einen Mikrocontroller oder Signalprozessor erfol- gen kann.

4. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung 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, er- gebenden Steuergesetzes zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schalters (S1) zu Taktperiode des Schalters (S1), bei gleichzeitiger komplementärer Ansteuerung des Schalters (S2)), Eingangsspannung (nun zwischen 1 und 2), erwünschtem Ausgangs- strom (Last zwischen 3 und 4) und den Bauteilwerten ergibt und einer überlagerten Rege- lung, 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.

5. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Last Laut- --sprecher, Aktuatoren, Wicklungsstränge von-Drehfeldmaschinen oder Gleichstrommaschi- nen geschaltet sind.

6. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangsspannung ein Kondensator geschaltet ist.

7. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die strom- bidirektionalen Schalter mit soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste versehen sind.

8. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die strom- bidirektionalen Schalter mit Überspannungsbegrenzungsmassnahmen versehen sind.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN