AT504737B1

AT504737B1 - METHOD AND DEVICES FOR THE CONVERSION OF VOLTAGES

Info

Publication number: AT504737B1
Application number: AT19222006A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2011-03-15
Also published as: AT504737A1

Abstract

Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung mit einem elektronischen stromunidirektionalen Schalter, einer Induktivität und einer oder zwei Kapazitäten bzw. zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung, mit zwei elektronischen stromunidirektionalen Schaltern, zwei Induktivitäten und zwei Kapazitäten. Das System eignet sich besonders für die Gewinnung einer Versorgungsspannung aus einer Eingangswechselspannung, wobei die Gleich- oder Wechselspannung (U) an die Serienschaltung von elektronischem stromunidirektionalem Schalter (S1), Induktivität (L1) und Kapazität (C1) geschaltet und die Spannung (U1) an der Kapazität (C1) abgegriffen wird. Weiters kann eine, auf eine Spannung aufgeladene erste Kapazität (C1) an die Serienschaltung von elektronischem stromunidirektionalem Schalter (S2), Induktivität (L2) und zweiter Kapazität (C2) geschaltet werden. Die Spannung (U2) wird an der zweiten Kapazität (C2), die auch variabel gestaltet werden kann, abgegriffen.Devices for generating a DC voltage from a DC or AC voltage with an electronic Stromunidirektionalen switch, an inductance and one or two capacitances or for generating a DC voltage from a DC or AC voltage, with two electronic Stromunidirektionalen switches, two inductors and two capacitors. The system is particularly suitable for obtaining a supply voltage from an input AC voltage, wherein the DC or AC voltage (U) connected to the series circuit of electronic Stromunidirektionalem switch (S1), inductance (L1) and capacitance (C1) and the voltage (U1) at the capacity (C1) is tapped. Furthermore, a first capacitor (C1) charged to a voltage can be connected to the series connection of electronic current unidirectional switch (S2), inductance (L2) and second capacitance (C2). The voltage (U2) is tapped at the second capacitance (C2), which can also be made variable.

Description

österreichisches Patentamt AT504 737 B1 2011-03-15Austrian Patent Office AT504 737 B1 2011-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung mit einem elektronischen stromunidirektionalen Schalter, einer Induktivität und einer oder zwei Kapazitäten bzw. zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung, mit zwei elektronischen stromunidirektionalen Schaltern, zwei Induktivitäten und zwei Kapazitäten.Description: The invention relates to devices for generating a DC voltage from a DC or AC voltage with an electronic current unidirectional switch, an inductor and one or two capacitors or for generating a DC voltage from a DC or AC voltage, with two electronic Stromunidirektionalen switches, two inductors and two capacitors.

[0002] Manchmal stellt sich das Problem, relativ kleine Leistungen zur Versorgung von Geräten und elektronischen Schaltungen aus einer relativ hohen Spannung zu gewinnen. Dazu bieten sich, wenn als Eingangsspannung die Netzspannung verwendet wird, kleine Netztransformatoren zur Spannungsanpassung mit anschließendem Drosselwandler an. Eine weitere Möglichkeit, die auch bei hohen Gleichspannungen geeignet ist, ist die Anwendung eines Sperrwandlers mit hohem Übersetzungsverhältnis des Sperrwandlertrafos. In der Praxis ergibt sich dabei ein Problem mit der Isolierfestigkeit und es ist ein relativ aufwendiges und großes Wickelgut zu fertigen. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung werden nun eine Gerätefamilie zur Umwandlung von hohen Spannungen ohne aufwendigen Trafo vorgeschlagen.Sometimes, the problem arises to gain relatively small power to power devices and electronic circuits from a relatively high voltage. For this purpose, if the mains voltage is used as input voltage, small mains transformers for voltage adjustment with subsequent choke converter are available. Another possibility, which is also suitable for high DC voltages, is the application of a flyback converter with high transmission ratio of the flyback converter transformer. In practice, this results in a problem with the insulation and it is a relatively complex and large winding material to manufacture. In the context of the subject invention, a family of devices for the conversion of high voltages without complicated transformer are now proposed.

[0003] Das System eignet sich besonders für die Gewinnung einer Versorgungsspannung aus einer Eingangswechselspannung. Im Folgenden wird der Stand der Technik an Hand der Entgegenhaltungen dargestellt. Ziel der gegenständlichen Erfindung ist eine Energieumwandlung mit einem Konverter, den man als resonanten geschalteten Kapazitäts Konverter oder auf Englisch Resonant Switched-Capacitor Converter bezeichnen kann. Dies wird durch keine der angeführten Dokumente vorweggenommen.The system is particularly suitable for obtaining a supply voltage from an input AC voltage. In the following the state of the art will be described with reference to the citations. The aim of the subject invention is an energy conversion with a converter, which can be referred to as a resonant switched capacitance converter or in English Resonant Switched-Capacitor Converter. This is not anticipated by any of the cited documents.

[0004] Die deutsche Offenlegungsschrift DE 3612524 A1 (HITACHI MEDICAL CORP), im weiteren D1 bezeichnet, beschreibt eine Energieversorgungseinrichtung mit einer Gleichspannungswechselspannungswechselrichterstufe und einem Spannungsaufwärtstransformator zum Einschwingen der Ausgangsspannung mit minimaler Verzögerung und ohne Spannungsstoß am Anfang der Energieversorgung der Last, wobei ein Lastspannungsstoß aufgrund der Streuinduktivität und der Streukapazität eines Hochspannungsaufwärtstransformators gleichfalls vermindert ist. Bei der zugrunde liegenden Topologie handelt es sich strukturmäßig um einen normalen Buck Konverter und nicht um eine Struktur, wie sie in der gegenständlichen Erfindung verwendet und in Fig. 1 dargestellt ist. Vergleicht man die Fig. 1 von D1 mit der Fig. 1 der gegenständlichen Erfindung, so kann als gravierender Unterschied das Fehlen der Diode in D1 angesehen werden. Dadurch kann der Strom seine Richtung ändern und zurück zur Quelle fließen, der Kondensator wird damit wieder entladen. Fig. 1 in D1 ist auch gar nicht Gegenstand der Patentansprüche. In Anspruch 1 von D1 wird ein Buckkonverter beschrieben, dargestellt in Fig. 8D1 (dieser unterscheidet sich klar). In Anspruch 2 wird eine Vollbrücke beschrieben, bei der die Energie über einen Transformator mit anschließender Gleichrichtung an eine Last übertragen wird. Auch hier unterscheidet sich die Schaltung deutlich. Anspruch 3 (D1) verwendet einen Gegentaktwechselrichter gemäß Fig. 13, auch diese Schaltung unterscheidet sich deutlich. Anspruch 4 (D1) legt fest, dass es sich bei der Last um eine Röntgenröhre handelt. Alle weiteren Ansprüche legen jetzt die weitere Ausformung des Röntgengeräts fest. Zentral bei dem Dokument D1 ist eigentlich der Wechselrichter der den Trafo speist. Bei der gegenständlichen Erfindung wird jedoch zuerst ein Kondensator mit einem stromunidirektionalen Schalter resonant geladen. Wird als Eingangsspannung eine Wechselspannung verwendet, und wird je nach der Orientierung des stromunidirektionalen Schalters in der positiven oder negativen Halbschwingung der Schalter eingeschaltet und ist dabei die Eigenfrequenz des Resonanzkreises klein gegenüber der Netzfrequenz, so lädt sich der Kondensator ungefähr auf den doppelten Wert der Spannung am Eingang zum Schaltzeitpunkt auf. Bei einer sich sinusförmig ändernden Spannung hängt daher die Kondensatorspannung vom Schaltzeitpunkt des stromunidirektionalen Schalters ab.The German patent application DE 3612524 A1 (HITACHI MEDICAL CORP), denoted in the following D1, describes a power supply device with a DC voltage inverter stage and a voltage step-up transformer for settling the output voltage with minimum delay and no surge at the beginning of the power supply of the load, wherein a load voltage surge due the stray inductance and the stray capacitance of a high voltage step-up transformer is also reduced. The underlying topology is structurally a normal buck converter and not a structure as used in the subject invention and illustrated in FIG. Comparing Fig. 1 of D1 with Fig. 1 of the subject invention, so can be regarded as a serious difference, the absence of the diode in D1. This allows the current to change direction and flow back to the source, discharging the capacitor again. Fig. 1 in D1 is also not the subject of the claims. Claim 1 of D1 describes a Buck converter, shown in Fig. 8D1 (this differs clearly). In claim 2, a full bridge is described, in which the energy is transmitted via a transformer with subsequent rectification to a load. Again, the circuit differs significantly. Claim 3 (D1) uses a push-pull inverter according to FIG. 13, this circuit also differs significantly. Claim 4 (D1) states that the load is an X-ray tube. All other claims now specify the further formation of the X-ray machine. Central to the document D1 is actually the inverter that feeds the transformer. However, in the subject invention, first, a capacitor is resonantly charged with a current unidirectional switch. If an alternating voltage is used as input voltage, and depending on the orientation of the current unidirectional switch in the positive or negative half of the switch is turned on and is the natural frequency of the resonant circuit small compared to the mains frequency, the capacitor charges to about twice the value of the voltage at Input at the switching time. With a sinusoidally changing voltage, therefore, the capacitor voltage depends on the switching time of the current unidirectional switch.

[0005] JP 08-047245 A (ISHIKA WAJIMA HARIMA HEAVYIND CO LTD), im Weiteren D2 bezeichnet, ist eine Schaltung zur Begrenzung des Ladestroms (in-rush current) eines Konden- 1/8 österreichisches Patentamt AT504 737B1 2011-03-15 sators. Dazu wird ein Widerstand in Serie geschaltet, der dann nach der Aufladung mit einem Kontakt überbrückt wird. Die in Serie liegende Induktivität bildet zusammen mit dem Kondensator ein Filter. Eine spezielle Energieumformung wie bei der gegenständlichen Erfindung wird damit nicht erzielt. Auch unterscheidet sich die Schaltungsstruktur. Der Unterschied zwischen Fig. 1 von D2 mit der Fig. 1 der gegenständlichen Erfindung ist, dass ein Widerstand parallel zum Schalter geschaltet ist. Taktet man nun diesen Schalter, so kann man durch abwechselndes Überbrücken und Wirksam werden lassen des Widerstandes einen steuerbaren Widerstand erzielen, um den Ladestrom bei Anlegen der Spannung zu begrenzen.[0005] JP 08-047245 A (ISHIKA WAJIMA HARIMA HEAVYIND CO. LTD.), Hereinafter referred to as D2, is a circuit for limiting the charging current (in-rush current) of a capacitor of a capacitor AT504 737B1 2011-03-15 crystallizer. For this purpose, a resistor is connected in series, which is then bridged after charging with a contact. The series-connected inductor forms a filter together with the capacitor. A special energy transformation as in the subject invention is thus not achieved. Also, the circuit structure is different. The difference between Fig. 1 of D2 with Fig. 1 of the subject invention is that a resistor is connected in parallel with the switch. If one now clocks this switch, one can achieve a controllable resistance by alternately bridging and making the resistor active, in order to limit the charging current when the voltage is applied.

[0006] EP 0054703 A1 (SIEMENS), im Weiteren D3 bezeichnet, stellt eine Schaltungsanordnung für ein piezoelektrisches Stellglied dar. Diese Stellglieder benötigen sehr hohe Spannungen, um eine mechanische Verformung zu erzielen. Bei dem hier dargestellten System wird die Blindenergie der Kapazität des Stellglieds auf ein weiteres kapazitives Element umgeladen, wobei die Umladung über eine Induktivität erfolgt. Besonders vorteilhaft ist dieses System, wenn zwei im Gegentakt betriebene piezoelektrische Körper im Einsatz sind. Auch hier geht es nicht um die Umwandlung der Spannung, sondern um die Rückgewinnung der im piezoelektrischen Körper bzw. seiner Halterung gespeicherten elektrischen Energie. In Anspruch 2 der gegenständlichen Erfindung wird eine geladene erste Kapazität mit Hilfe eines stromunidirektio-nalen Schalters und einer Spule an einen zweiten Kondensator geschaltet. Ist die Spannung an der ersten Kapazität höher als an der zweiten, so wird ein Schwingvorgang von der Dauer einer Halbschwingung einsetzen. In D3 entspricht dem ersten Kondensator ein piezoelektrischer Körper, also kein Kondensator, es muss aber angemerkt werden, dass das Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Körpers eine parallel liegende Kapazität besitzt.EP 0054703 A1 (SIEMENS), hereinafter referred to as D3, represents a circuit arrangement for a piezoelectric actuator. These actuators require very high voltages in order to achieve a mechanical deformation. In the system shown here, the reactive energy of the capacity of the actuator is reloaded to another capacitive element, wherein the transhipment takes place via an inductance. This system is particularly advantageous when two push-pull piezoelectric bodies are in use. Again, it is not about the conversion of the voltage, but the recovery of stored in the piezoelectric body or its holder electrical energy. In claim 2 of the subject invention, a charged first capacitance is connected by means of a stromunidirektio-nal switch and a coil to a second capacitor. If the voltage at the first capacitor is higher than at the second one, then a vibration process of the duration of one half-wave will start. In D3, the first capacitor is a piezoelectric body, not a capacitor, but it should be noted that the equivalent circuit of the piezoelectric body has a parallel capacitance.

[0007] JP 09-306732 A (TOJOTA MOTOR CORP), im Weiteren D4 bezeichnet, stellt ein weiteres Stellglied für einen Aktuator dar. Ziel ist eine Spannungsüberhöhung, um den Aktuator rasch zu betätigen. Der Aktuator ist in diesem Fall ein Solenoid. Eine höhere Spannung führt daher zu einem rascheren Stromanstieg und so zu einem schnelleren Aufbau der Kraft des Aktuators. Die Spannung am Kondensator wird dabei rasch abgebaut. Es handelt sich dabei nicht um die Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung wie bei der gegenständlichen Erfindung, sondern um das rasche Aufbringen von zusätzlicher Energie auf das Solenoid. Die Vorrichtung, die in D4 behandelt wird, dient dazu, das Schalten eines Solenoids zu beschleunigen. Dazu wird zum forcierten Einschalten ein geladener Kondensator parallel zur Last geschaltet. Im stationären Zustand wird die Last über die Diode D versorgt. Der Kondensator C1 wird über den Schalter SW3 resonant geladen (Bezeichnungen entsprechend Fig. 1 von D4). Hier gibt es eine Parallele zur gegenständlichen Erfindung.JP 09-306732 A (TOJOTA MOTOR CORP), hereinafter referred to as D4, represents another actuator for an actuator. The aim is an increase in voltage in order to actuate the actuator quickly. The actuator in this case is a solenoid. A higher voltage therefore leads to a faster current increase and thus to a faster build-up of the force of the actuator. The voltage across the capacitor is reduced rapidly. It is not the generation of a DC voltage from a DC or AC voltage as in the subject invention, but the rapid application of additional energy to the solenoid. The device treated in D4 serves to accelerate the switching of a solenoid. For this purpose, a charged capacitor is switched parallel to the load for forced switching on. In the stationary state, the load is supplied via the diode D. The capacitor C1 is resonantly charged via the switch SW3 (designations corresponding to FIG. 1 of D4). Here there is a parallel to the subject invention.

[0008] WO 02/35692 A1 (KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.), im Weiteren D5 bezeichnet, stellt insbesondere einen bidirektionalen Sperrwandler dar. Aber auch alle anderen drei Grundstrukturen der Drosselwandler sind angeführt. In bekannter Weise werden die Schalter durch strombidirektionale Schalter ersetzt, wobei als Besonderheit die Schalterkapazität gezeichnet wird, die aber im Weiteren nicht mehr speziell benötigt wird. Das eigentlich Besondere ist, dass der primäre Schalter so gesteuert wird, dass seine Einschaltzeit an die Eingangsspannung angepasst wird (mit einer hyperbolischen Funktion). Auch hier unterscheidet sich die Schaltungsstruktur grundlegend, da keine Freilaufkreise wie bei den normalen Drosselwandlern oder beim Sperrwandler notwendig sind. Die Vorrichtung in D5 verwendet strombidirektionale Schalter und keine stromunidirektionalen wie in der gegenständlichen Erfindung. Das Ziel ist dort ein bidirektionaler Sperrwandler.[0008] WO 02/35692 A1 (KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.), hereinafter referred to as D5, represents in particular a bidirectional flyback converter. But all other three basic structures of the inductance converters are also cited. In a known manner, the switches are replaced by current-bidirectional switches, with the switch capacitance being drawn as a special feature, but which is no longer specifically required in the following. The really special feature is that the primary switch is controlled so that its on-time is adjusted to the input voltage (with a hyperbolic function). Here, too, the circuit structure differs fundamentally, since no free-wheeling circuits are necessary as in the normal throttle converters or the flyback converter. The device in D5 uses current-bidirectional switches rather than current-unidirectional ones as in the subject invention. The goal is a bidirectional flyback converter.

[0009] EP 0 532 263 A1 (MOTOROLA INC), im Weiteren D6 bezeichnet, beschreibt einen klassischen Boost Konverter mit Soft-Start Vorrichtung, synchroner Gleichrichtung und Pulsweitensteuerung. Was hier patentiert wurde erscheint unklar, da nichts den damaligen Stand der Technik überschreitet. In Bezug auf die gegenständliche Erfindung ist aber jedenfalls anzumerken, dass sich die Schaltungsstruktur grundlegend unterscheidet. Auch die Vorrichtung D6 verwendet strombidirektionale Schalter und keine stromunidirektionalen wie in der gegenständlichen Erfindung. Die Schaltungen, die in D6 behandelt werden, sind bidirektionale Hochsetzsteller. 2/8EP 0 532 263 A1 (MOTOROLA INC), hereinafter referred to as D6, describes a classic boost converter with soft start device, synchronous rectification and pulse width control. What was patented here seems unclear, since nothing exceeds the current state of the art. In any case, with regard to the subject invention, it should be noted that the circuit structure is fundamentally different. Device D6 also uses current-bidirectional switches rather than current-unidirectional ones as in the subject invention. The circuits treated in D6 are bidirectional boost converters. 2.8

österreichisches Patentamt AT504 737B1 2011-03-15 [0010] DE 23 55 919 A1 (SIEMENS), im Weiteren auch D7 bezeichnet, behandelt einen Stromrichter, an dessen Wechselspannungsausgang ein Bandpassfilter angeschlossen ist. Das Filter ist auf die Nennfrequenz des Stromrichters abgestimmt. Wird nun eine Last angeschlossen, die neben einem ohmschen Teil auch einen induktiven besitzt, so verstimmt sich das Filter und ändert so die Dämpfung für die einzelnen Flarmonischen, der Klirrfaktor der Ausgangsspannung steigt. Als Abhilfe werden zu- und abschaltbare Kondensatoren parallel zur Last geschaltet, um die Verstimmung zu kompensieren. Die Veränderung der Kapazität dient zur Veränderung der Frequenz, nicht aber zur Veränderung einer Ausgangsgleichspannung. Dokument D7 behandelt einen Stromrichter, an dessen Wechselspannungsausgang ein Bandpassfilter angeschlossen ist. Die wirksame Kapazität wird mittels Triacs in ihrer Größe verändert. Bei der gegenständlichen Erfindung handelt es sich aber um eine Kapazität bzw. um zu- und abschaltbare Kondensatoren für einen DC Wandler, daher sind hier keine Wechselspannungsschalter erforderlich wie in D7.[0010] DE 23 55 919 A1 (SIEMENS), also referred to below as D7, deals with a power converter to whose AC output a bandpass filter is connected. The filter is tuned to the rated frequency of the converter. Now, if a load is connected, which also has an inductive in addition to an ohmic part, the filter detunes and thus changes the attenuation for the individual Flarmonischen, the harmonic distortion of the output voltage increases. As a remedy, capacitors which can be switched on and off are connected in parallel with the load in order to compensate for the detuning. The change in the capacity is used to change the frequency, but not to change a DC output voltage. Document D7 covers a power converter with a band-pass filter connected to its AC output. The effective capacity is changed by triacs in size. In the subject invention but it is a capacity or to be switched on and off capacitors for a DC converter, therefore, here no AC switches are required as in D7.

[0011] Das Problem der Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Gleich- oder Wechselspannung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gleich- oder Wechselspannung (U) an die Serienschaltung von elektronischem stromunidirektionalem Schalter (S1), Induktivität (L1) und Kapazität (C1) geschaltet wird und die Spannung (U1) an der Kapazität (C1) abgegriffen wird. Weiters kann eine auf eine Spannung aufgeladene erste Kapazität (C1) an die Serienschaltung von elektronischem stromunidirektionalem Schalter (S2), Induktivität (L2) und zweiter Kapazität (C2) geschaltet werden und die Spannung (U2) wird an der zweiten Kapazität (C2), die auch variabel gestaltet werden kann, abgegriffen. Schließlich lassen sich beide Methoden auch kombinieren. Ein erster Kondensator (C1) wird von der Eingangsspannungsquelle geladen und diese Ladung wird anschließend umgeformt. Der oder die stromunidirektionalen Schalter (S1, S2) werden entweder durch eine Serienschaltung eines elektronischen Schalters, realisiert durch einen MOSFET, Bipolartransistor oder IGBT, in Serie mit einer Diode, oder durch einen Thyristor, IGCT oder MCT, realisiert. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Diodenbrücke, in deren Diagonale ein aktiver Schalter beispielhaft ein MOSFET geschaltet ist, zu verwenden. Nun lassen sich positive und negative Halbschwingungen der Eingangsspannung nutzen.The problem of generating a DC voltage from a DC or AC voltage is inventively achieved in that the DC or AC voltage (U) to the series circuit of electronic stromunidirektionalem switch (S1), inductance (L1) and capacitance (C1) connected is and the voltage (U1) at the capacitance (C1) is tapped. Furthermore, a voltage charged to a first capacitor (C1) to the series circuit of electronic Stromunidirektionalem switch (S2), inductance (L2) and second capacitance (C2) are switched and the voltage (U2) is at the second capacitor (C2), which can also be made variable, tapped. Finally, both methods can be combined. A first capacitor (C1) is charged by the input voltage source and this charge is then reformed. The one or more current unidirectional switches (S1, S2) are realized either by a series connection of an electronic switch realized by a MOSFET, bipolar transistor or IGBT, in series with a diode, or by a thyristor, IGCT or MCT. It is also possible to use a diode bridge whose diagonal is an active switch, for example, a MOSFET connected. Now you can use positive and negative half-waves of the input voltage.

[0012] Die Grundvorgänge der im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Energieumsetzung sollen im Folgenden beschrieben werden. Wird ein Kondensator C1 der Größe C, der auf U1 aufgeladen ist, über einen elektronischen Schalter (realisiert z.B. mit einem MOSFET) in Serie mit einer Diode an einen Kondensator C2 mit dem Wert nC, wobei n größer oder gleich 1 ist und der Kondensator C2, der auf U2 geladen ist, wobei gilt U2 ist mU1 und m ist kleiner als 1, geschaltet, so entsteht eine sinusförmige Stromhalbwelle gemäßThe basic operations of the energy conversion used in the context of this invention will be described below. Is a capacitor C1 of size C, which is charged to U1, via an electronic switch (realized for example with a MOSFET) in series with a diode to a capacitor C2 with the value nC, where n is greater than or equal to 1 and the capacitor C2 , which is loaded on U2, where U2 is mU1 and m is less than 1, switched, resulting in a sinusoidal current half-wave according to

[0013] Nach dieser Halbschwingung hat sich der Kondensator C2 um 1 -m 1 + n weiter aufgeladen und der Kondensator C2 um äucl =2(m-l)I/,— 1 + Λ entladen. Wird eine Gleichspannungsquelle LI1 mit der Spannung U über einen elektronischen Schalter (realisiert z.B. mit einem MOSFET) in Serie mit einer Diode an einen Kondensator C mit dem Wert nC, wobei n größer oder gleich 1 ist und der Kondensator C auf U0, wobei gilt U0 ist mU und m ist kleiner als 1, geschaltet, so entsteht eine sinusförmige Stromhalbwelle gemäß 3/8After this half-wave, the capacitor C2 has further charged by 1 -m 1 + n and the capacitor C2 by äucl = 2 (m-l) I /, - 1 + Λ discharged. Is a DC voltage source LI1 with the voltage U via an electronic switch (realized eg with a MOSFET) in series with a diode to a capacitor C with the value nC, where n is greater than or equal to 1 and the capacitor C to U0, where U0 applies is mU and m is less than 1, switched, this results in a sinusoidal current half-wave according to 3/8

österreichisches Patentamt AT504 737B1 2011-03-15 i = t/(l-m)Austrian Patent Office AT504 737B1 2011-03-15 i = t / (l-m)

-·—/ Q<t<jtJn-LC . n LC- · - / Q <t <jtJn-LC. LC

[0014] Nach dieser Halbschwingung hat sich der Konensator C um &uc=2U(l-m) weiter aufgeladen.After this half-oscillation, the capacitor C has further charged by &lE; = 2U (1-m).

[0015] Um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität zu vermeiden, ist es empfehlenswert, einen Kondensator parallel zum Eingang des Konverters zu schalten.In order to avoid the influence of Zuleitungsinduktivität, it is recommended to connect a capacitor in parallel with the input of the converter.

[0016] Man erkennt aus der obigen Herleitung auch die möglichen Eingriffe zur Steuerung oder Regelung der entstehenden Gleichspannung. Wenn als Eingangsspannung eine Wechselspannung verwendet wird, ist es sinnvoll, den Einschaltzeitpunkt des stromunidirektionalen Schalters je nach erforderlicher Spannung phasenverschoben zum Nulldurchgang der Eingangsspannung zu variieren. Das Regler- oder Stellsystem wird als Stellgröße den zeitlichen Abstand zum Eingangsspannungsnulldurchgang verwenden. Wenn die Spannungsumformung durch Umladung zweier Kapazitäten erfolgt, wird das Regler- oder Stellsystem als Stellgröße die Größe der Kapazität verändern. Das kann durch Zu- oder Wegschalten von parallel angeordneten Kondensatoren geschehen. Zur Feinabstimmung kann ein Gleichspannungswandler nachgeschaltet werden. Dieser kann als Längsregler oder als kleines Schaltnetzteil realisiert werden.It can be seen from the above derivation, the possible interventions to control or regulation of the resulting DC voltage. If an alternating voltage is used as the input voltage, it makes sense to vary the switch-on time of the current-unidirectional switch in a phase-shifted manner to the zero crossing of the input voltage, depending on the required voltage. The controller or positioning system will use the time difference from the input voltage zero crossing as a manipulated variable. If the voltage transformation takes place by transposing two capacitances, the controller or positioning system will change the size of the capacitance as a manipulated variable. This can be done by connecting or disconnecting parallel capacitors. For fine tuning, a DC-DC converter can be connected downstream. This can be realized as a series regulator or as a small switching power supply.

[0017] Die Figur 1 zeigt Ausformungen der Grundschaltung. Figur 2 zeigt die Kaskadierung von zwei Umformerstufen und Fig. 3 die Variation des Kondensators bei einem dreistufigen Konverter. Figur 4 stellt eine weitere mögliche Realisierung des stromunidirktionalen Schalters dar. Die Schaltungen sind beispielhaft mit MOSFETs dargestellt.FIG. 1 shows embodiments of the basic circuit. FIG. 2 shows the cascading of two converter stages, and FIG. 3 shows the variation of the capacitor in a three-stage converter. Figure 4 illustrates another possible implementation of the current unidirectional switch. The circuits are exemplified with MOSFETs.

[0018] Figur 1.a stellt das Grundprinzip dar. An die Eingangsspannung U wird die Serienschaltung einer Diode und eines aktiven Schalters (diese beiden Bauelemente bilden zusammen den stromunidirektionalen Schalter S1) sowie weiters einer Spule L1 und eines Kondensators C1 geschaltet. Die Ausgangsspannung U1 wird am Kondensator C1 abgegriffen. Die Ausführungen in Fig. 2.b und Fig. 2. c stellen beispielhaft andere Anordnungen innerhalb der Serienschaltung dar. Es sei speziell angemerkt, dass die Bauelemente Diode und aktiver Schalter, die zusammen den stromunidirektionalen Schalter S1 bilden, nicht unmittelbar aneinander angeschlossen sein müssen. Figur 2 zeigt die Kaskadierung zweier Umsetzer, wobei die erste Stufe durch eine Spannungsquelle U, die zweite Stufe durch den Kondensator C1 der Stufe versorgt wird. Die Anordnung in Fig. 2.b ist so getroffen, dass die beiden aktiven Schalter durch eine Transistorhalbbrücke gebildet werden. Figur 3 zeigt einen dreistufigen Konverter. Der zweite Kondensator ist aus der Parallelschaltung von Serienschaltungen von strombidirektionalen Schaltern in Serie mit Kondensatoren gebildet. Eine Stufung der Kondensatoren mit den Werten C, 2C, 4C usw. ermöglicht eine Realisierung von ganzzahligen Vielfachen von C. Der Schalter in Serie zum Kondensator mit dem kleinsten Wert sollte dann entfallen. Die strombidirektionalen Schalter werden aus MOSFETs mit parallel liegender (nicht gezeichneter) Bodydiode gebildet. Figur 4 zeigt die Realisierung eines stromunidirektionalen Schalters mit Hilfe einer Diodenbrückenschaltung und eines zwischen Plus-und Minusklemme der Diodenbrücke geschalteten aktiven Schalters.Figure 1.a illustrates the basic principle. To the input voltage U, the series connection of a diode and an active switch (these two components together form the current unidirectional switch S1) and further a coil L1 and a capacitor C1 is connected. The output voltage U1 is tapped on the capacitor C1. The embodiments in FIGS. 2.b and 2.c represent, by way of example, other arrangements within the series connection. It should be noted in particular that the components diode and active switch, which together form the current-unidirectional switch S1, need not be directly connected to one another , FIG. 2 shows the cascading of two converters, wherein the first stage is supplied by a voltage source U, and the second stage by the capacitor C1 of the stage. The arrangement in FIG. 2.b is made such that the two active switches are formed by a transistor half-bridge. FIG. 3 shows a three-stage converter. The second capacitor is formed of the parallel connection of series circuits of current-bidirectional switches in series with capacitors. A grading of the capacitors with the values C, 2C, 4C, etc. allows realization of integer multiples of C. The switch in series with the capacitor with the smallest value should then be omitted. The strombidirektionalen switches are formed of MOSFETs with parallel (not shown) body diode. FIG. 4 shows the realization of a current-unidirectional switch with the aid of a diode bridge circuit and an active switch connected between positive and negative terminal of the diode bridge.

[0019] Es sei noch angemerkt, dass die hier dargestellten Umsetzerstufen auch mehrfach kaskadiert werden können. 4/8It should also be noted that the converter stages shown here can also be cascaded several times. 4.8

Claims

Austrian Patent Office AT504 737B1 2011-03-15 REFERENCE IDENTIFICATION U Voltage source, input voltage U1, U2 DC voltage, output voltage S1, S2 Current unidirectional switch L1, L2 Inductance, coil C1, C2 Capacitance, capacitor Claims 1. A device for generating a DC voltage (U1) from a DC or AC voltage (U) with an electronic stromunidirektionalen switch, a coil (L1) and a capacitor (C1) characterized in that the DC or AC voltage (U) to the series connection of electronic stromunidirektionalem switch (S1), coil (L1 ) and capacitor (C1) is switched and the voltage (U1) on the capacitor (C1) is tapped off and the current unidirectional switch (S1) either by a series circuit of an electronic switch, realized by a MOSFET, bipolar transistor or IGBT in series with a diode, or by a thyristor, IGCT or MCT, or further by an active Sch age as MOSFET or IGBT, which is connected in the diagonal of a diode bridge is realized.

2. A device for generating a DC voltage (U2) by means of an electronic stromunidirektionalen switch (S2), a coil (L2) and two capacitors (C1, C2) characterized in that a charged to a voltage first capacitor (C1) to the series circuit is switched by electronic Stromunidirektionalem switch (S2), coil (L2) and second capacitor (C2) and the voltage (U2) is tapped on the second capacitor (C2) and the current unidirectional switch (S2) realized either by a series circuit of an electronic switch by a MOSFET, bipolar transistor or IGBT in series with a diode, or by a thyristor, IGCT or MCT, or further by an active switch such as MOSFET or IGBT connected in the diagonal of a diode bridge.

3. Device according to claim 2, characterized in that the second capacitor (C2) is realized by parallel connection of series circuits of capacitors with electronic switches.

4. A device for generating a DC voltage (U2) from a DC or AC voltage (U), with two electronic stromunidirektionalen switches (S1, S2), two coils (L1, L2) and two capacitors (C1, C2) characterized in that the DC or AC voltage (U) is connected to the series connection of a first electronic current-unidirectional switch (S1), a first coil (L1) and a first capacitor (C1) and to the first capacitor (C1) a second series connection of a second electronic current-unidirectional switch (S1) S2), a second coil (L2) and a second capacitor (C2) is switched and the voltage (U2) is tapped on the second capacitor (C2) and the stromunidirektionalen switch (S1, S2) realized either by a series circuit of an electronic switch by a MOSFET, bipolar transistor or IGBT in series with a diode, or by a thyristor, IGCT or MCT, or further by an active switch Latter as MOSFET or IGBT, which is connected in the diagonal of a diode bridge can be realized.

5. Apparatus according to claim 1 or 4, characterized in that parallel to the DC or AC voltage (U), a capacitor is connected.

6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that parallel to the capacitor used as a voltage tap (C1 or C2), a DC / DC converter is connected. 5/8 Austrian Patent Office AT504 737 B1 2011-03-15

7. Control or regulation of the DC voltage (U1) in devices according to claim 1 to 6, when the voltage to be reshaped (U) is an AC voltage, wherein in a known manner in a control, the target size is compared with the actual size and the resulting control difference a controller is supplied and this acts on an actuator, or in a control is acted directly on the actuator, characterized in that the first current unidirectional switch (S1) is the actuator and the switch-on of the first current unidirectional switch (S1) to the zero crossing of the voltage to be reshaped (U ) is out of phase.

8. Control or regulation of the DC voltage (U2) in devices according to claim 3 or 4, wherein in a known manner in a control, the target size is compared with the actual size and the resulting control difference is fed to a controller, which then via an actuator in the process engages, or in a controller is directly intervene in that the capacity at which the voltage generated is tapped, the actuator is and the capacity is changed.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the required control and / or control circuit is realized with a microcontroller. For this 2 sheets drawings 6/8