AT500922B1 - Spezielle halbbrückenwandler zur umformung von gleichspannungen - Google Patents

Description

2 AT 500 922 B1

Die Erfindung betrifft Wandler zur Umwandlung unidirektionaler Spannungen mit Hilfe von neuen Halbbrückenwandlerstrukturen. Die Halbbrücke aus strombidirektionalen Schaltern besteht aus zwei aktiven Schaltern (IGBT, MOSFET, BJT oder ähnlichen) mit parallel geschalteten passiven Schaltern (Dioden). Mit Halbbrücken lassen sich eine Reihe von DC/DC Wandlerstrukturen konstruieren. Dies ist hinlänglich bekannt. Im Rahmen dieser Erfindung wird nun vorgeschlagen, zwischen den Eingangsklemmen des DC/DC Konverters und den Klemmen der Eingangsquelle jeweils eine Wicklung, die mit der anderen magnetisch gekoppelt ist, zu schalten, wobei die beiden Wicklungsenden über einen Kondensator verbunden sind. Man kann diese Vorschaltung als ein Entkopplungsfilter betrachten, um die Einkopplung von Störungen in die Quelle zu vermeiden. Es ergeben sich aber dadurch noch weitere Möglichkeiten. Es ist nun möglich, beide aktiven Schalter gleichzeitig einzuschalten und so einen weiteren Zustand im Ablauf des Ansteuerablaufs einzuführen. Beim Normalbetrieb eines Halbbrückenwandlers leitet entweder der eine oder der andere strombidirektionale Schalter (im sogenannten nichtlücken-den Betrieb) oder es sperren beide strombidirektionalen Schalter (im sogenannten lückenden Betrieb); wenn beide strombidirektionale Schalter leiten, kommt es in diesem Fall zum Brückenkurzschluss, der leicht zur Zerstörung des Konvertersystems führen kann. Dieser Brückenkurzschluss kann nun in den erweiterten Konverterschaltungen genutzt werden, um einen Strom in die Eingangsspulen einzuprägen und durch den zusätzlichen Schaltzustand die Dynamik des Konverters zu verbessern. Es ergibt sich aber noch ein interessanter Effekt. Beim normalen hartgeschalteten Halbbrückenwandler muss bei der Kommutierung zwischen den strombidirektionalen Schaltern zuerst der eine abgeschaltet werden, bevor der andere eingeschaltet werden kann. Es treten bei der Kommutierung (von der Schaltzeit abhängig) beträchtliche Schaltverluste auf. Diese werden nun in den neuen Schaltungen deutlich reduziert, sodass es auch ohne Nutzung des sich ergebenden Freiheitsgrades in der Ansteuerung sinnvoll ist, beim Umschalten zwischen den strombidirektionalen Schaltern zur Verringerung der Schaltverluste einen kurzen Brückenkurzschluss einzufügen. Die neuen Schaltungen lassen sich auch durch das Vorschalten eines Zweiweggleichrichters als Power Factor Corrector verwenden.

Eine prinzipiell mögliche Erweiterung, die bei höheren Leistungen sinnvoll ist, ist die Verwendung von zwei getrennten Spulen (LF1 und LF2), da dann keine Kopplung zwischen den Eingangsspulen erforderlich ist. Man benötigt dann noch einen weiteren Kondensator (CF2), den man zwischen die Wicklungsanfänge schaltet, um für die Spulen immer einen Strompfad zur Verfügung zu haben. US 6 590 791 B1 (ZHON et al.) stellt einen Gegentakt Durchflusswandler bestehend aus drei magnetisch gekoppelten Wicklungen (Transformator) dar. Die beiden Primärwicklungen werden abwechselnd an die Eingangsspannung geschaltet, ein Kondensator unterstützt die Entmagnetisierung der Streuinduktivität des Transformators. Eine Filterwirkung zur Vermeidung der Rückwirkung der Störungen, verursacht durch die steilen Schaltflanken der aktiven Schalter, wird dabei nicht erzielt.

Entscheidend bei der gegenständlichen Erfindung ist die Verwendung der Halbbrücke, die, wie wohlbekannt, zur synchronen Gleichrichtung dient und damit zur Reduktion der Durchlassverluste führt und hier gleichzeitig durch Einschalten beider aktiven Schalter (Brückenkurzschluss) zu einer raschen Erhöhung der magnetischen Energie in den gekoppelten Spulen führt. Weiters lassen sich durch einen kurzen Brückenkurzschluss die Schaltverluste verringern. RU 2 015 611 C1 (IMPULS RES PRODN COOP) stellt eine interessante Schaltung dar, bei der die Primärseiten zweier Sperrwandlertransformatoren mit zwei Kondensatoren zu einer Brücke geschaltet sind. An die eine Diagonale wird die Eingangsgleichspannung gelegt, an die andere ein aktiver Schalter. Die Parallelschaltung der beiden Ausgangskreise der Sperrwandler liegt an der Last. Dabei kommt es aber nicht zur Nutzung eines Halbbrückenwandlers. EP 0 726 696 A2 (GENERAL ELECTRIC COMPANY) zeigt eine Halbbrückenschaltung für einen Power Factor Corrector. Zum Unterschied zur gegensätzlichen Erfindung lassen sich aber 3 AT 500 922 B1 nicht beide aktiven Schalter gleichzeitig einschalten, da es dann zu einem Brückenkurzschluss kommt.

Die in den Ansprüchen 1 bis 4 verwendete Filteranordnung stellt die Minimalkonfiguration dar. Die in den Ansprüchen 5 bis 8 verwendete Filterstruktur ist durch den zusätzlich symmetrischen Aufbau vorteilhaft und ermöglicht eine bessere Unterdrückung von Störungen, die durch den Konverter verursacht werden und die auf die Eingangsquelle zurückwirken. Es kommt so zu geringerer Netzrückwirkung. Weitere Filter könnten nur dann zwischen Eingangsspannung und den in dieser Erfindung verwendeten Filterstrukturen geschaltet werden, wenn diese aus der Sicht der gegenständlichen Schaltungen sehr niederimpedant sind. Daher stellen die beiden hier verwendeten Filterstrukturen die einzig sinnvollen Varianten in bezug auf die hier verwendete Methode der Gleichspannungsumformung dar.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen die grundlegenden Ausformungen der Erfindung. Die Figuren 4 bis 6 zeigen die Erweiterung auf höhere Leistungen. Die Schaltungen sind beispielhaft mit IGBTs gezeichnet. Jeder andere aktive Schalter kann natürlich ebenso verwendet werden. Sinnvoll ist die Verwendung von Halbbrückenmodulen.

Figur 1 zeigt das Grundkonzept angewandt auf einen Buck Konverter. An die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) ist der Wicklungsanfang der ersten Wicklung (LF1) und an die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) ist das Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet, der Kondensator (CF1) ist zwischen die Wicklungsenden der beiden Wicklungen (LF1, LF2) geschaltet und die beiden Wicklungen (LF1, LF2) sind miteinander magnetisch verkoppelt. Die Halbbrücke ist zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und dem Wicklungsanfang der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme und dem Wicklungsanfang der Wicklung (LF2) verbunden ist, geschaltet.

In Fig. 2 ist an die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) der Wicklungsanfang der ersten Wicklung (LF1) und an die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) ist das Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet, der Kondensator (CF1) ist zwischen die Wicklungsenden der beiden Wicklungen (LF1, LF2) geschaltet und die beiden Wicklungen (LF1, LF2) sind miteinander magnetisch verkoppelt. Die Halbbrücke ist zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung geschaltet und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung, dem Wicklungsanfang der Wicklung (LF2) und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet.

In Fig. 3 ist an die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) der Wicklungsanfang der ersten Wicklung (LF1) und an die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) ist das Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet, der Kondensator (CF1) ist zwischen die Wicklungsenden der beiden Wicklungen (LF1, LF2) geschaltet und die beiden Wicklungen (LF1, LF2) sind miteinander magnetisch verkoppelt. Die Halbbrücke ist zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit dem Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2), deren Wicklungsanfang mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet.

Figur 4 zeigt das Grundkonzept für größere Leistungen angewandt auf einen Buck Konverter. Die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung ist mit einem Anschluss der zweiten Spule (LF1) und einem Anschluss des dritten Kondensators (CF2) und die negative Anschluss-

Claims (10)

1. 4 AT 500 922 B1 klemme für die Eingangsspannung ist mit einem Anschluss der dritten Spule (LF2) und einem Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) verbunden. Der andere Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) ist mit dem anderen Anschluss der zweiten Spule (LF1) und der andere Anschluss des dritten Kondensators (CF2) ist mit dem anderen Anschluss der dritten Spule (LF2) verbunden. Die Halbbrücke ist zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) und dem dritten Kondensator (CF2) geschaltet. An den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C) verbunden ist, angeschlossen. Der andere Anschluss des Kondensators (C) ist mit der negativen Ausgangsklemme und dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) mit dem dritten Kondensator (CF2) verbunden. In Fig. 5 ist die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung mit einem Anschluss der zweiten Spule (LF1) und einem Anschluss des dritten Kondensators (CF2) und die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung ist mit einem Anschluss der dritten Spule (LF2) und einem Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) verbunden. Der andere Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) ist mit dem anderen Anschluss der zweiten Spule (LF1) und der andere Anschluss des dritten Kondensators (CF2) ist mit dem anderen Anschluss der dritten Spule (LF2) verbunden. Die Halbbrücke ist zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung geschaltet. An den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung, dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) und dem dritten Kondensator (CF2) und dem Kondensator (C) verbunden ist, geschaltet. Der anderer Anschluss des Kondensators (C) ist mit der negativen Ausgangsklemme verbunden. In Fig. 6 ist die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung mit einem Anschluss der zweiten Spule (LF1) und einem Anschluss des dritten Kondensators (CF2) und die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung ist mit einem Anschluss der dritten Spule (LF2) und einem Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) verbunden. Der andere Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) ist mit dem anderen Anschluss der zweiten Spule (LF1) und der andere Anschluss des dritten Kondensators (CF2) ist mit dem anderen Anschluss der dritten Spule (LF2) verbunden. Die Halbbrücke ist zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet. An den Mittelpunkt der Halbbrücke ist ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit dem Verbindungspunkt des zweiten Kondensators (CF1) der dritten Spule (LF2), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet. Patentansprüche: 1. Halbbrückenwandler zur Umwandlung einer unidirektionalen Spannung (U1) in eine andere unidirektionale Spannung (U2), bestehend aus einer Halbbrücke, gebildet durch zwei strombidirektionale Schalter aus den aktiven Schaltern (S1, S2) und den sie jeweils überbrückenden Dioden (D1, D2), einer Spule (L), einem Kondensator (C), zwei Wicklungen (LF1, LF2) und einem zweiten Kondensator (CF1) dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) der Wicklungsanfang der ersten Wicklung (LF1) und an die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung (U1) das Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet ist, der zweite Kondensator (CF1) zwischen die Wicklungsenden der beiden Wicklungen (LF1, LF2) geschaltet ist und die beiden Wicklungen (LF1, LF2) miteinander magnetisch verkoppelt sind.
2. 2. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke 5 AT 500 922 B1 zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und dem Wicklungsanfang der zweiten Wicklung (LF2) geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme und dem Wicklungsanfang der Wicklung (LF2) verbunden ist, geschaltet ist.
3. 3. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung, dem Wicklungsanfang der Wicklung (LF2) und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet ist.
4. 4. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke zwischen dem Wicklungsende der ersten Wicklung (LF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit dem Wicklungsende der zweiten Wicklung (LF2), deren Wicklungsanfang mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet ist.
5. 5. Halbbrückenwandler zur Umwandlung einer unidirektionalen Spannung (U1) in eine andere unidirektionale Spannung (U2), bestehend aus einer Halbbrücke gebildet durch zwei strombidirektionale Schalter, bestehend aus den aktiven Schaltern (S1, S2) und den sie jeweils überbrückenden Dioden (D1, D2), einer Spule (L), einem Kondensator (C), einer zweiten und dritten Spule (LF1, LF2) und einem zweiten und dritten Kondensator (CF1, CF2) dadurch gekennzeichnet, dass die positive Anschlussklemme für die Eingangsspannung mit einem Anschluss der zweiten Spule (LF1) und einem Anschluss des dritten Kondensators (CF2) und die negative Anschlussklemme für die Eingangsspannung mit einem Anschluss der dritten Spule (LF2) und einem Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) verbunden ist und der andere Anschluss des zweiten Kondensators (CF1) mit dem anderen Anschluss der zweiten Spule (LF1) und der andere Anschluss des dritten Kondensators (CF2) mit dem anderen Anschluss der dritten Spule (LF2) verbunden ist.
6. 6. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) und dem dritten Kondensator (CF2) geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme und dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) mit dem dritten Kondensator (CF2) verbunden ist, geschaltet ist.
7. 7. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme der Schaltung, dem Verbindungspunkt der dritten Spule (LF2) und dem dritten Kondensator (CF2) und dem Kondensator (C) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit der negativen Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet ist.
8. 8. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule (LF1) und dem zweiten Kondensator (CF1) und der negativen Ausgangsklemme der Schaltung und dem Kondensator (C), des- 6 AT 500 922 B1 sen anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet ist und an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein Anschluss der Spule (L), deren anderer Anschluss mit dem Verbindungspunkt des zweiten Kondensators (CF1) der dritten Spule (LF2), deren anderer Anschluss mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, geschaltet ist.
9. 9. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten der aktiven Schalter ein Zeitintervall, während dem beide aktiven Schalter leiten, auftritt.
10. 10. Halbbrückenwandler gemäss Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung aus einem Wechselnetz mit nachgeschaltetem Gleichrichter erzeugt wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen