AT510647B1 - Transformatorloser koppelkonverter für gleichspannungen - Google Patents

Abstract

Der hier dargestellte Koppelkonverter eignet sich besonders dann, wenn ein relativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu überbrücken ist. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet sich auch als Topologie für ein Batterieladegerät oder als Koppelelement für einen Superkapazitätsspeicher. Der Konverter ist aus zwei bidirektionalen Halbbrücken, einem zusätzlichen Kondensator und zwei weiterer Spulen aufgebaut.

Description

österreichisches Patentamt AT510 647 B1 2012-08-15

Beschreibung

TRANSFORMATORLOSER KOPPELKONVERTER FÜR GLEICHSPANNUNGEN

[0001] Die Erfindung betrifft Zweiquadrantensteller zur Kopplung zweier Gleichspannungen (Ui, U2), aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2), mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4), mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4),weiters bestehend aus einer ersten Spule (Li), einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Uί) und einer ersten (A^ und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der zweiten Spannungsquelle bzw. der Last.

[0002] Der hier dargestellte Koppelkonverter eignet sich besonders dann, wenn ein relativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu überbrücken ist. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet sich auch als Topologie für ein Batterieladegerät oder als Koppelelement für einen Superkapazitätsspeicher.

[0003] Aus der Patentliteratur kann als Stand der Technik folgendes angegeben werden: In US 5057990 A ist ein einphasiger Wechselrichter dargestellt, der auch als DC/DC Konverter arbeiten kann. In die Schaltung ist weiters ein PFC zur möglichen Aufnahme von sinusförmigem Strom aus dem Netz integriert. Die Schaltung hat eine interessante Symmetrierschaltung für den kapazitiven Teil des Wechselrichters. Die Schaltungsstruktur in US 2004/0141345 A1 hat fast die gleichen Bauelemente wie die gegenständliche Erfindung, diese sind aber anders verschaltet. Der Energietransfer erfolgt mit Hilfe eines Resonanzkreises. Dadurch werden die Schaltverluste reduziert. Ein stabiler Transfer ist aber nur bei einer Ausgangsspannung von etwa doppelt so großem Wert wie die Eingangsspannung zu erzielen. Sonst muss durch geschickte Ansteuerung an annähernd stabiler Energietransfer erzeugt werden.

[0004] Die Anmeldung JP 2009-112182 A zeigt einen Zweiquadranten DC/DC Wandler mit zwei Hilfsschaltern und einem Resonanzkreis. Dadurch wird die Entlastung der Hauptschalter des Konverters erzielt. Die Entlastung ist grundsätzlich elegant gelöst, benötigt aber zwei Hilfsschalter mit potentialfreier Ansteuerung.

[0005] US 5132888 zeigt einen Vierquadrantensteller mit Nullspannungsschaltern an der Primärseite eines Trafos und einer M2 Gleichrichterschaltung an der Sekundärseite des Trafos. Alle die hier angeführten Schaltungen haben etwa die gleichen Bauteile, unterscheiden sich aber sowohl in Topologie als auch Funktion deutlich von der gegenständlichen Erfindung.

[0006] Die Zeichnung stellt den gegenständlichen Koppelwandler, beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet dar. Natürlich können statt den MOSFETs auch andere aktive Schalter verwendet werden.

[0007] Die Schaltung wird nun an Hand der Figur beschrieben. Wenn die beiden Schalter Si und S4 leiten, so liegt an der ersten Spule die Spannung UrUc und an der zweiten Spule Uc-U2. Der Strom in den Spulen nimmt zu. Wenn die beiden Schalter S2 und S3 leiten, so liegt an der ersten Spule die Spannung -Uc und an der zweiten Spule -U2. Der Strom in den Spulen nimmt ab. Im stationären Zustand müssen die positiven und negativen Strom-Zeit-Flächen an den Spulen gleich groß sein (die Spannung an der Spule ist im Mittel null). Daraus lässt sich nun der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, wenn man als Tastverhältnis das Verhältnis der Einschaltzeit des ersten und vierten Schalters bezogen auf die Taktperiode des Konverters bezeichnet, bei idealen Bauelementen zu 1 /4 österreichisches Patentamt AT510 647 B1 2012-08-15 U i angeben. Der Zusammenhang der Mittelwerte der Ströme durch die beiden Spulen lässt sich durch das Strom-Zeit-Gleichgewicht an der Kapazität (der Strom muss im stationären Fall null sein) zu berechnen. Der Energietransfer wird durch den Stromfluss durch die Spulen gesteuert oder besser noch geregelt. Als Regelverfahren eignet sich besonders die Stromregelung mit einem Zweipunktregler mit Hysterese oder das Sliding Mode Konzept. Weiters eignet sich auch die Zustandsregelung. Ob ein klassischer PID-Regler geeignet ist, kann ohne sorgfältige Analyse nicht ausgesagt werden. Da die Methoden der Regelung jedoch bekannt sind, kann dies auch nicht Inhalt des Patents sein.

[0008] Bei der Verwendung von MOSFETs als aktive Schalter können die dem Schalter parallel liegenden Bodydioden nicht die erforderliche Qualität haben. In diesem Fall kann die Wirkung der Bodydiode vermieden werden, indem auf bekannte Weise in Serie zum Schalter eine Diode, in diesem Fall eine Schottkydiode mit kleiner Sperrspannung, in Serie - üblicherweise zum Drain - geschaltet wird.

[0009] Bei der Verwendung von Solargeneratoren oder Brennstoffzellen als Eingangsspannung ist oft die Ermittlung des optimalen Leistungspunktes erforderlich. Dazu gibt es eine große Anzahl von „Maximum Power Point" Algorithmen, die der Steuer bzw. Regelung der Vorrichtung überlagert werden können. Ebenso gibt es zahlreiche spezielle Vorgaben, wie z.B. Batterien schonend geladen werden können. Auch diese können in die Steuerung und Regelung der Vorrichtung eingebunden werden.

[0010] Das Problem, zwei recht unterschiedliche Gleichspannungen miteinander zu koppeln, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die positive Eingangsklemme (Ei) die erste Klemme der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an die zweite Eingangsklemme (E2) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der ersten Spule (L^ verbunden ist und diese gleichzeitig an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S^ geschaltet ist, und an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) der erste Anschluss der zweiten Spule (L2), deren zweiter Anschluss an die erste Ausgangsklemme (A^ geschaltet ist und der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2), dessen negativer Anschluss einerseits mit der negativen Eingangsklemme (E2) und andererseits mit der zweiten Ausgangsklemme (A2) verbunden ist, geschaltet ist, wobei die zwei Halbbrücken durch integrierte Module gebildet werden können, wobei die Steuerung so erfolgt, dass jeweils der erste (S^ und der vierte (S4) aktive Schalter bzw. der zweite (S2) und der dritte (S3) aktive Schalter, mit Ausnahme einer kurzen Verriegelungszeit gleichzeitig leiten, zwischen den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen Batterien (Akkumulatoren), Brennstoffzellen, Superkapazitäten, Solarzellen oder ähnliche als Spannung wirkende Quellen geschaltet sind, die Regelung des Spulenstromes durch einen Zweipunktregler mit Hysterese, durch Sliding Mode Control, Zustandsregler oder sonst ein Regelverfahren erfolgt, die Vorgabe des Sollwerts entsprechend eines Algorithmuses zur Bestimmung des Punktes der maximalen Leistung und/oder zur optimalen Ladung von Batterien oder sonst wie vorgegeben wird; weiters kann bei Verwendung von MOSFETs als aktive Schalter in Serie zu den aktiven Schaltern (Si, S2, S3, S4) Dioden geschaltet werden und erst diese Serienschaltung durch die antiparallelen Dioden (Di, D2, D3, D4) überbrückt werden. 2/4

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT510 647B1 2012-08-15 Patentansprüche 1. Zweiquadrantensteller zur Kopplung zweier Gleichspannungen (Ui, U2), aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2), mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4), mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4),weiters bestehend aus einer ersten Spule iU), einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (E^ und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (U-|) und einer ersten (A^ und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der zweiten Spannungsquelle bzw. der Last dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (Ei) die erste Klemme der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an die zweite Eingangsklemme (E2) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der ersten Spule (Li) verbunden ist und diese gleichzeitig an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, und an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S4) der erste Anschluss der zweiten Spule (L2), deren zweiter Anschluss an die erste Ausgangsklemme (A-i) geschaltet ist und der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2), dessen negativer Anschluss einerseits mit der negativen Eingangsklemme (E2) und andererseits mit der zweiten Ausgangsklemme (A2) verbunden ist, geschaltet ist.
2. 2. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (E^ und zweiten (E2) Eingangsklemme und zwischen der ersten (A^ und zweiten (A2) Eingangsklemme je ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
3. 3. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Halbbrücken durch integrierte Module gebildet werden.
4. 4. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der erste (Si) und der vierte (S4) aktive Schalter bzw. der zweite (S2) und der dritte (S3) aktive Schalter mit Ausnahme einer kurzen Verriegelungszeit gleichzeitig leiten.
5. 5. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen Batterien (Akkumulatoren), Brennstoffzellen, Superkapazitäten, Solarzellen oder ähnliche als Spannung wirkende Quellen geschaltet sind.
6. 6. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Spulenstromes durch einen Zweipunktregler mit Hysterese, durch Sliding Mode Control, Zustandsregler erfolgt und die Vorgabe des Sollwerts entsprechend eines Algorithmuses zur Bestimmung des Punktes der maximalen Leistung und/oder zur optimalen Ladung von Batterien erfolgt.
7. 7. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu den aktiven Schaltern (Si, S2, S3, S4) Dioden geschaltet sind und erst diese Serienschaltung durch die antiparallelen Dioden (D!, D2, D3, D4) überbrückt werden. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4