AT510804B1

AT510804B1 - Highly dynamic converter

Info

Publication number: AT510804B1
Application number: ATA2024/2010A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2015-08-15
Also published as: AT510804A1

Abstract

Um die Dynamik eines Konverters zu verbessern kann man parallel zur Konverterspule, oder zumindest einem Teil davon, eine Möglichkeit zum Kurzschluss derselben vorsehen. Dies wird dadurch realisiert, dass parallel zu einer Spule oder parallel zu einem Teil der Spule oder einer von zwei miteinander gekoppelten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters, ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem mit einer Diode geschaltet ist, oder wenn die an der Spule oder dem Teil der Spule auftretende Spannung entsprechend klein ist, nur ein aktiver Schalter, ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem parallel geschaltet ist. Diese Vorrichtung kann wirkungsgradmäßig dadurch verbessert werden, dass die Diode der Serienschaltung zur Überbrückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischen Schalter überbrückt wird.In order to improve the dynamics of a converter, it is possible to provide a possibility for short-circuiting the same, or at least part of it, parallel to the converter coil. This is realized by connecting, in parallel with a coil or in parallel to a part of the coil or one of two coils coupled to each other, a series connection of an active switch, implemented as a MOSFET, IGBT or the like, to a diode the voltage occurring in the part of the coil is correspondingly small, only an active switch, designed as a MOSFET, IGBT or the like is connected in parallel. This device can be improved in terms of efficiency that the diode of the series circuit for bridging the coil or a portion of the coil is bridged with another active electronic switch.

Description

Beschreibungdescription

HOCHDYNAMISCHER KONVERTERHIGHLY DYNAMIC CONVERTER

[0001] Die Erfindung betrifft Konverter, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si), einer Diode(D-,) einem Ausgangskondensator (C0) und einer Spule oder zwei in Serie geschalteten magne¬tisch miteinander verkoppelten Spulen, einer positiven und einer negativen Eingangsklemme,an der die Eingangsspannung (Ui) angeschaltet ist, einer positiven und einer negativen Aus¬gangsklemme, zwischen denen der Ausgangskondensator (Co) geschaltet ist und an denen dieLast angeschaltet ist (Uout), wobei die positive Eingangsklemme an den positiven Anschluss desaktiven Schalters (Si) geschaltet ist, der negative Anschluss des aktiven Schalters mit der Ka¬thode der Diode (D^ und dem ersten Anschluss der Spule oder der zwei in Serie geschaltetenmagnetisch miteinander verkoppelten Spulen geschaltet ist, die Anode der Diode (D^ mit dernegativen Eingangsklemme und der negativen Ausgangsklemme verbunden ist.The invention relates to a converter, consisting of an active switch (Si), a diode (D-,) an output capacitor (C0) and a coil or two series-connected magne¬tisch coupled together coils, a positive and a negative input terminal to which the input voltage (Ui) is connected, a positive and a negative output terminal, between which the output capacitor (Co) is connected and to which the load is turned on (Uout), the positive input terminal being connected to the positive terminal of the active switch (U). Si), the negative terminal of the active switch is connected to the cathode of the diode (D) and the first terminal of the coil or of the two series-connected magnetically coupled coils, the anode of the diode (D 1) having the negative input terminal and the negative output terminal is connected.

[0002] Ändert sich die Last eines Konverters rasch, so kommt es zu einer größeren Verschie¬bung der Ausgangsspannung, da die in den Spulen gespeicherte Energie wieder an den Aus¬gang abgegeben wird und mangels Verbrauch zu einem Anstieg der Lastspannung führt. Abhil¬fe bietet ein großer Kondensator, da hier der Spannungsanstieg entsprechend gering ist. Diesführt aber zu deutlich höheren Kosten, da die Preise von Kondensatoren nicht unerheblich sindund zu einer geringeren Dynamik des Konverters, wenn die Spannung variierbar sein soll.Umgekehrt dauert es immer eine gewisse Zeit, bis bei einem stärkeren Laststrom bedarf dasStromniveau in der/n Spule/n entsprechend hochgepumpt wird.Changes the load of a converter quickly, it comes to a larger Verschie¬bung the output voltage, since the energy stored in the coils is returned to the output and leads to an increase in the load voltage for lack of consumption. Abhil¬fe offers a large capacitor, since the voltage increase is correspondingly low. However, this leads to significantly higher costs, since the prices of capacitors are not insignificant and to a lower dynamics of the converter, if the voltage should be variable. Conversely, it always takes a certain amount of time, until a stronger load current requires the current level in the coil / n is pumped up accordingly.

[0003] Im Folgenden wird nun vorgeschlagen, parallel zur Induktivität eine Serienschaltungeines strombidirektionalen Schalters mit einer Diode zu schalten. Im Normalfall ist der aktiveSchalter des strombidirektionalen Schalters gesperrt. Kommt es nun zu einem raschen Anstei¬gen der Spannung am Ausgang bzw. am überwachten Punkt der Schaltung, so wird der aktiveSchalter des Hilfskreises eingeschaltet und der Strom der Spule muss nun nicht über einenKondensator freilaufen, sondern kann sich direkt über den Hilfskreis schließen. Es wird keineEnergie aus der Spule an den Kondensatorkreis (Ausgangskreis) abgegeben. Bindet mandiesen Hilfsschalter in die Regelung ein, so erhöht sich die Dynamik, denn man kann dasStromniveau in der Spule hoch halten, wenn eine schnelle Erhöhung des Laststroms zu erwar¬ten ist. Um die Verluste an der Hilfsdiode zu verringern, kann ein weiterer aktiver Schalter ver¬wendet werden, der genauso wie der Hilfsschalter angesteuert wird und die Hilfsdiode über¬brückt.In the following it is now proposed to connect in parallel with the inductance, a series connection of a current bidirectional switch with a diode. Normally, the active switch of the current bidirectional switch is disabled. If there is now a rapid increase in the voltage at the output or at the monitored point of the circuit, then the active switch of the auxiliary circuit is switched on and the current of the coil now does not have to free a capacitor, but can close directly via the auxiliary circuit. There is no energy from the coil to the capacitor circuit (output circuit). Inserting this auxiliary switch into the control system increases the dynamics, since the current level in the coil can be kept high if a rapid increase in the load current is to be expected. In order to reduce the losses at the auxiliary diode, a further active switch can be used, which is activated just like the auxiliary switch and bridges the auxiliary diode.

[0004] Nachteilig bei diesem Konzept ist jedoch, dass die zur Spule parallel liegende Schalter¬anordnung spannungsmäßig entsprechend der an der Spule auftretenden maximalen Span¬nung ausgelegt werden muss. Dies kann vermieden werden, wenn die Spule mit einer Anzap¬fung versehen ist (oder aus zwei magnetisch gekoppelten Teilwicklungen besteht) und nun nureine Teilwicklung kurzgeschlossen wird. Es fließt dann ein entsprechend höherer Strom, dieSpannungsbelastung ist aber entsprechend kleiner und so ist es einfacher, einen Transistor mitgeringerem Spannungsabfall im eingeschalteten Fall (geringem Einschaltwiderstand) zu ver¬wenden. Bei Konvertern mit mehreren Spulen kann diese ergänzende Vorrichtung prinzipiell beijeder Spule parallel geschaltet werden, aber zwecks Verringerung des Aufwands sollte mandies nur bei jener Spule (bei jenen Spulen) tun, die direkt in die Stabilisierungskapazität für dieAusgangsspannung speisen, also z.B. bei einem Sepie Konverter parallel zur zweiten Spule.A disadvantage of this concept, however, is that the parallel to the coil switch arrangement must be interpreted in terms of voltage according to the maximum voltage occurring at the coil. This can be avoided if the coil is provided with a tap (or consists of two magnetically coupled partial windings) and now only one partial winding is short-circuited. It then flows a correspondingly higher current, but the voltage load is correspondingly smaller and so it is easier to spend a transistor with lower voltage drop in the switched case (low on-resistance). In multi-coil converters, this ancillary device can in principle be connected in parallel across each coil, but to reduce the expense, this should only be done with that coil (those coils) that feed directly into the output voltage stabilizing capacitance, e.g. in a cuttlefish converter parallel to the second coil.

[0005] Diese grundlegende Idee löst das Problem der Erhöhung der Dynamik eines Konvertersbei raschen Lastwechseln, ist aber zu allgemein formuliert, da es aus verschiedenen Gründensinnvoll sein kann eine Spule zu überbrücken. Im Folgenden werden Beispiele aus der Patentli¬teratur besprochen.This basic idea solves the problem of increasing the dynamics of a converter during rapid load changes, but is too broadly worded because, for various reasons, it may be quite useful to bridge a coil. In the following, examples from the patent literature will be discussed.

[0006] DE 102007016883 A1 (DENSO CORP.) zeigt eine Lasttreibervorrichtung, damit ist einTiefsetzsteller mit aktivem Schalter gegen Masse zum Antrieb einer Gleichstrommaschine miteinem Pl-Filter zur Unterdrückung der durch das Takten verursachten Störungen gemeint, bei der die Spule des Filters kurzgeschlossen werden kann. Dies erfolgt dann, wenn die Last dau¬ernd an die Versorgung gelegt wird, der aktive Schalter also dauernd eingeschaltet ist und nichtzur Erzeugung einer Pulsweitenmodulation dient und daher auch keine Störungen durch dieTaktung des Transistors entstehen. Die überbrückte Spule gehört dabei nicht zum Konverter,sondern zum vorgeschalteten Filter. Durch die Überbrückung wird nicht die Dynamik erhöht,sondern nur die Filterinduktivität kurzgeschlossen um die Verluste an der Spule zu vermeiden.DE 102007016883 A1 (DENSO CORP.) Shows a load driving device, by which is meant a stepper with active switch to ground for driving a DC machine with a Pl-filter for suppressing the disturbances caused by the clocking in which the coil of the filter can be short-circuited , This takes place when the load is permanently applied to the supply, ie the active switch is permanently switched on and does not serve to generate a pulse width modulation, and therefore also no disturbances arise due to the clocking of the transistor. The bridged coil does not belong to the converter, but to the upstream filter. The bridging does not increase the dynamics, but only short-circuits the filter inductance to avoid the losses on the coil.

[0007] US 2008/0100273 (URUNO et al) zeigt einen PFC, der aus einer Kopplung eines buckmit einem boost Konverter besteht, die eine gemeinsame Spule nutzen. Zusätzlich gibt es nochzwei (lose) gekoppelte Spulen und zwei Hilfsschalter, bestehend aus einer Diode und einemaktiven Schalter. Diese werden nur dann angesteuert, wenn sich der Konverter im kontinuierli¬chen Betrieb befindet. Dadurch sollen die Verluste im Konverter reduziert werden. Es geht beidieser komplizierten Schaltung auch hier nicht um die Verbesserung der Dynamik, sondern siekann als Versuch angesehen werden, den Wirkungsgrad des Gesamtkonverters zu verbessern.US 2008/0100273 (URUNO et al) shows a PFC consisting of a coupling of a buck with a boost converter using a common coil. In addition there are two (loosely) coupled coils and two auxiliary switches, consisting of a diode and an active switch. These are only activated when the converter is in continuous operation. This should reduce the losses in the converter. Again, this complicated circuit is not about improving dynamics, but it can be seen as an attempt to improve the overall converter efficiency.

[0008] DE 102006004586 A1 (HITACHI Ltd.) zeigt sanft schaltende Gleichstromwandler ineiner Leistungskorrekturanwendung. Auch hier gibt es gekoppelte Spulen und zusätzliche Seri¬enschaltungen von aktiven Schaltern und Dioden. Ziel der Erweiterung der Konverterstruktur istdie Erzielung von sanftem Schalten durch einen zusätzlichen Resonanzkreis, also die Reduzie¬rung der Schaltverluste und nicht die Erhöhung der Dynamik des Konverters.DE 102006004586 A1 (HITACHI Ltd.) shows soft-switching DC-DC converters in a power correction application. Again, there are coupled coils and additional Seri¬enschaltungen of active switches and diodes. The aim of the expansion of the converter structure is the achievement of smooth switching by means of an additional resonant circuit, ie the reduction of the switching losses and not the increase in the dynamics of the converter.

[0009] EP 0118054 A1 (BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.) zeigt eingetaktetes Speisegerät mit Gleichspannungseingang. Das vorgestellte Konzept dient zumrascheren Hochlauf. Dazu wird die Spule (z.B. eines Tiefsetzstellers) so lange mit einem Schal¬ter und einer strombegrenzenden Einheit (im einfachsten Fall ein Widerstand) überbrückt, bisder Ausgangskondensator auf den richtigen Wert aufgeladen ist. Dann erst wird der eigentlicheKonverter in Betrieb gesetzt.EP 0118054 A1 (BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.) Shows a switched-mode power supply with DC input. The presented concept serves for a faster run-up. For this purpose, the coil (for example a step-down converter) is bridged with a switch and a current-limiting unit (in the simplest case a resistor) until the output capacitor has been charged to the correct value. Only then will the actual converter be put into operation.

[0010] Aus diesen Beispielen sieht man, dass es bekannt ist, Spulen oder Teile davon zu über¬brücken, auch wenn die Dynamik nicht im Zentrum steht.It can be seen from these examples that it is known to bridge coils or parts thereof, even if the dynamics are not central.

[0011] Die Figuren erläutern die gegenständliche Erfindung.The figures illustrate the subject invention.

[0012] Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen Ausformungen eines Tiefsetzstellers.FIGS. 1 to 5 show embodiments of a step-down converter.

[0013] Fig. 1 zeigt einen typischen Tiefsetzsteller mit einem aktiven Schalter Si, einer Induktivi¬tät l_o, der Ausgangskapazität C0 und der Freilaufdiode D^ Diese kann natürlich mit Hilfe einesweiteren aktiven Schalters, der gegengleich zum Hauptschalter S! angesteuert wird, zur Ver¬besserung des Wirkungsgrades überbrückt werden.Fig. 1 shows a typical buck converter with an active switch Si, a Induktivi¬tät l_o, the output capacitance C0 and the freewheeling diode D ^ This can of course with the help of another active switch, the same as the main switch S! is controlled, be bridged for Ver¬besserung the efficiency.

[0014] Fig. 2 zeigt denselben Konverter nur zusätzlich mit einer Serienschaltung eines aktivenSchalters SK mit einer Diode DK. Durch diese zusätzliche Schaltung kann der Spulenstromfreilaufen, wenn der aktive Schalter SK eingeschaltet wird. Der Spulenstrom kommutiert dannaus dem Ausgangskreis mit dem Ausgangskondensator C0 in den neu entstehenden Pfad mitDK und SK.Fig. 2 shows the same converter only in addition to a series circuit of an active switch SK with a diode DK. By this additional circuit, the coil current can freewheel when the active switch SK is turned on. The coil current then commutates from the output circuit with the output capacitor C0 into the emerging path with DK and SK.

[0015] In Fig. 3 ist nun die Spule L0 aufgespaltet in zwei magnetisch gekoppelte TeilwicklungenNt und N2. Zusätzlich ist die Diode DK durch den weiteren aktiven Schalter Su überbrückt.Dadurch reduzieren sich die Verluste im Freilauf. Das ist besonders dann von Bedeutung, wennwieder rasch Energie an den Ausgang zu pumpen ist, da man dann von einem entsprechendhohen Strom niveau ausgehen kann.In Fig. 3, the coil L0 is now split into two magnetically coupled TeilwicklungenNt and N2. In addition, the diode DK is bridged by the further active switch Su. This reduces the losses in the freewheel. This is particularly important when again quickly energy is pumped to the output, since you can then go out of a correspondingly high level of current.

[0016] Fig. 4 zeigt nun eine Dynamikerhöhung durch Kurzschluss einer Teilwicklung ^ mitHilfe der Serienschaltung eines aktiven Schalters SK mit einer Diode DK.Fig. 4 shows a dynamic increase by shorting a partial winding ^ with the aid of the series connection of an active switch SK with a diode DK.

[0017] In Fig. 5 ist die Hilfsdiode DK weggelassen. Dies ist möglich, wenn die auftretendeSpannung an der Teilwicklung kleiner als die Spannung ist, die die Bodydiode des MOSFETsSK zum Leiten bringt oder wenn ein Schalter, der eine entsprechend große negative Spannungaufnehmen kann, eingesetzt wird. Die Diode Ü! ist in diesem Schaltbild durch einen aktivenSchalter S2 ersetzt.In Fig. 5, the auxiliary diode DK is omitted. This is possible if the occurring voltage at the partial winding is less than the voltage which causes the body diode of the MOSFETSK to conduct, or if a switch capable of accepting a correspondingly large negative voltage is used. The diode Ü! is replaced in this diagram by an active switch S2.

[0018] Der hochdynamische Konverter wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass parallel zurSpule, oder parallel zu einer der zwei in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppel¬ten Spulen eine Serienschaltung eines aktiven Schalters (SK), ausgeführt als MOSFET, IGBToder ähnlichem mit einer Diode (DK) geschaltet ist, oder nur ein stromunidirektionaler aktiverSchalter (SK), ausgeführt als MOSFET, IGBT oder ähnlichem, parallel geschaltet ist.The highly dynamic converter is inventively achieved in that parallel to the coil, or parallel to one of the two series-connected magnetically verkoppel¬ten coils a series circuit of an active switch (SK), designed as MOSFET, IGBToder the like with a diode (DK ), or only a current unidirectional active switch (SK) implemented as MOSFET, IGBT or the like is connected in parallel.

[0019] Um die Verluste zu reduzieren kann man die Diode (DK) der Serienschaltung zur Über¬brückung der Spule bzw. eines Teils der Spule mit einem weiteren aktiven elektronischenSchalter (Su) überbrücken. Weiters reduziert man die Verluste dadurch, dass die Diode desKonverters (D) durch einen aktiven Schalter (S2) ersetzt oder überbrückt wird.To reduce the losses one can bridge the diode (DK) of the series circuit for bridging the coil or a part of the coil with another active electronic switch (Su). Furthermore, the losses are reduced by replacing or bypassing the diode of the converter (D) with an active switch (S2).

Claims

1. Converter, consisting of an active switch (Si), a diode (DO an output capacitor (C0) and a coil or two series-connected magnetically coupled together coils, a positive and a negative input terminal at which the input voltage (Ui), one positive and one negative output terminal, between which the output capacitor (C0) is connected and to which the load is switched (U0ut), the positive input terminal being connected to the positive terminal of the active switch (SO, the connected negative terminal of the active switch with the cathode of the diode (DO and the first terminal of the coil or the two series-connected magnetically coupled together coils, the anode of Dio¬de (DO with the negative input terminal and the negative output terminal verbun¬ it is characterized by being parallel to the coil, or parallel to one of the two series connected a series connection of an active switch (SK), designed as MOSFET, IGBT or the like with a Dio¬de (DK) is connected, or only a stromunidirektionaler active switch (S "), designed as MOSFET, IGBT or the like, connected in parallel is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the diode (DK) of Seri¬enschaltung for bridging the coil or a portion of the coil with a further active electronic switch (Su) is bridged.

A device according to claim 1 or 2, characterized in that the diode of the converter (D) is replaced or bypassed by an active switch (S2). For this 2 sheets of drawings