AT511299B1 - Zweiquadrantenstellglied und transformatorloser koppelkonverter für stark unterschiedliche gleichspannungen - Google Patents

Zweiquadrantenstellglied und transformatorloser koppelkonverter für stark unterschiedliche gleichspannungen Download PDF

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AT511299B1 ATA438/2011A AT4382011A AT511299B1 AT 511299 B1 AT511299 B1 AT 511299B1 AT 4382011 A AT4382011 A AT 4382011A AT 511299 B1 AT511299 B1 AT 511299B1
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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. Der erste (S1) und der vierte (S4) aktive Schalter oder der zweite (S2) und dritte (S3) aktive Schalter werden jeweils gemeinsam angesteuert. Es ist kein Transformator zur Anpassung erforderlich. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet sich zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, aber auch als Topologie für ein Batterieladegerät oder als Koppelelement für einen Superkapazitätsspeicher. Der Konverter ist aus zwei bidirektionalen Halbbrücken (S1, S2, D1, D2) und (S3, S4, D3, D4), einem zusätzlichen Kondensator (C) und zwei weiteren Spulen (L1, L2) aufgebaut. Wird die erste Spule (L1) als zwei in Serie geschaltete miteinander verkoppelte Spulen oder durch eine Spule mit Anzapfung realisiert, so bekommt man eine zusätzliche (fixe) Anpassungsmöglichkeit für die Spannungsverhältnisse. Wird als Last ein induktiver Aktuator oder eine permanent erregte Gleichstrommaschine verwendet, kann die zweite Spule entfallen.

Description

Beschreibung
ZWEIQUADRANTENSTELLGLIED UND TRANSFORMATORLOSER KOPPELKONVERTERFÜR STARK UNTERSCHIEDLICHE GLEICHSPANNUNGEN
[0001] Die Erfindung betrifft einen Zweiquadrantensteller zur Ansteuerung einer permanenterregten Gleichstrommaschine oder eines induktiven Aktuators, aufgebaut aus einer erstenbidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschal¬tet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (D^ D2), weitersaufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktivenSchalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparalle¬len Diode (D3, D4), weiters bestehend aus einer Spule (L^, einem Kondensator (C), einer erstenpositiven (E^ und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipola¬ren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum An¬schluss der Maschine bzw. der Last bzw. einen Zweiquadrantensteller zur Kopplung zweierGleichspannungen (U1; U2), aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehendaus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter(S2) mit je einer antiparallelen Diode (D1; D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektiona¬len Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit ei¬nem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4),weiters bestehendaus einer ersten Spule (Li), einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer erstenpositiven (E^ und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipola¬ren Spannungsquelle (U^ und einer ersten (A^ und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum An¬schluss der zweiten Spannungsquelle bzw. der Last.
[0002] Das hier dargestellte Zweiquadrantenstellglied eignet sich besonders dann, wenn einrelativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu überbrü¬cken ist und die Ausgangsspannung nicht nur kleiner, sondern auch größer als die Eingangs¬spannung sein soll. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie trans¬formieren und eignet sich sehr gut als Motorstellglied für den Zweiquadrantenbetrieb für Fahrenund Bremsen bei einer Drehrichtung.
[0003] Zum weiteren Stand der Technik von bidirektionalen Wandlern mit Halbbrücken seiendie folgenden Dokumente betrachtet. KR 100997377 B1 (SEOUL NAT UNIVERSITY OFTECHNOLOGY CT FORINDUSTRY COLLABORATION) zeigt ein System mit einem bidirektio¬nalen DC/DC Wandler zur Kopplung einer Batterie an einen Zwischenkreis, an dem einerseitsein DC/AC Konverter zur Steuerung einer Maschine und anderseits ein unidirektionaler Wandlermit angeschlossener Batterie angeschlossen ist. Der wesentliche Unterschied im bidirektionalenKonverter ist, dass zwischen den Mittelpunkten der Halbbrücken ein Serienschwingkreis ge¬schaltet ist. Es ergibt sich damit ein anderes Betriebsverhalten als bei der gegenständlichenErfindung. US 2009/0034300 A1 zeigt mehrstufige Konverter, die aus Halbbrücken zusammen¬gesetzt sind. Die ersten zwei Halbbrücken bilden einen Gleichrichter, wobei zwischen die Mit¬telpunkte der Halbbrücken über ein Filter die Eingangsspannung gelegt wird. Ein Vollbrücken¬wandler dient anschließend als Wechselrichter, dessen Ausgangsseite an eine Wicklung einesTransformators geschaltet ist. Die zweite Wicklung dieses Transformators ist an die beidenMittelpunkte von bidirektionalen Halbbrücken gelegt, die zusammen wieder einen Gleichrichterbilden, der eine Batterie speist. Durch diese Konzeption wird ein AC/DC Konverter realisiert, derpotentialgetrennt ist und als Trenntrafo einen mit deutlich höherer als Netzfrequenz betriebenenund daher kleineren verwendet. Durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses lässt sich auchein relativ großes Spannungsniveau überbrücken. Bei der gegenständlichen Erfindung wird aufeine Potentialtrennung verzichtet, die hohe Spannungsübersetzung wird durch die interessanteTopologie erzielt.
[0004] Der hier dargestellte Koppelkonverter eignet sich besonders dann, wenn ein relativgroßer 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 Superkapa¬zitätsspeicher.
[0005] Die Zeichnungen stellen das Zweiquadrantenstellglied (Fig. 1) und den gegenständli¬chen Koppelwandler (Fig. 2), beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet, dar. Natürlich können stattden MOSFETs auch andere aktive Schalter verwendet werden. Fig. 3 stellt mögliche Lastendar, links eine Maschine und rechts eine Batterie. Fig. 4 und Fig. 5 stellen zwei weitere Ausfor¬mungen des Zweiquadrantenstellglieds mit Ersatz der Spule durch eine Serienschaltung zweiergekoppelter Wicklungen oder durch eine angezapfte Spule dar.
[0006] Die Schaltung wird nun an Fland der Fig. 2 beschrieben. (Nimmt man die Schaltungnach Fig. 1, so ist die zweite Spule in der Last, also der induktive Anteil eines Aktuators oderdie Ankerinduktivität einer Gleichstrommaschine.) Wenn die beiden Schalter S! und S4 leiten, soliegt an der ersten Spule die Spannung Ui und an der zweiten Spule Uc-U2. Der Strom in denSpulen nimmt zu. Wenn die beiden Schalter S2 und S3 leiten, so liegt an der ersten Spule dieSpannung -Uc und an der zweiten Spule -U2. Der Strom in den Spulen nimmt ab. Im stationärenZustand müssen die positiven und negativen Strom-Zeit-Flächen an den Spulen gleich großsein (die Spannung an der Spule ist im Mittel null). Daraus lässt sich nun der Zusammenhangzwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, wenn man als Tastverhältnis das Verhältnis derEinschaltzeit des ersten und vierten Schalters bezogen auf die Taktperiode des Konvertersbezeichnet, bei idealen Bauelementen zu U2 _ d2U1 ~ l-d [0007] angeben. Es sei hier besonders angemerkt, dass die erste Spule auch durch zwei inSerie geschaltete miteinander verkoppelte Spulen oder durch eine Spule mit Anzapfung ersetztwerden kann. Dadurch bekommt man eine zusätzliche (fixe) Anpassungsmöglichkeit für dieSpannungsverhältnisse. Die Kopplung muss aber sehr gut sein, damit nicht die Energie derStreuinduktivität durch aufwendige Snubber Netzwerke umgeformt werden muss.
[0008] Der Zusammenhang der Mittelwerte der Ströme durch die beiden Spulen lässt sichdurch das Strom-Zeit-Gleichgewicht an der Kapazität (der Strom muss im stationären Fall nullsein) zu f =——j ln χ_ά 1l2 [0009] berechnen. Der Energietransfer wird durch den Stromfluss durch die Spulen gesteuertoder besser noch geregelt. Als Regelverfahren eignet sich besonders die Stromregelung miteinem Zweipunktregler mit Hysterese oder das Sliding Mode Konzept. Weiters eignet sich auchdie Zustandsregelung. Ob ein klassischer PID-Regler geeignet ist, kann ohne sorgfältige Analy¬se nicht ausgesagt werden. Da die Methoden der Regelung jedoch bekannt sind, kann diesauch nicht Inhalt des Patents sein.
[0010] Angemerkt sei auch, dass wenn keine (diskrete) zweite Spule verwendet wird, diesedurch die induktive Last oder die Maschineninduktivität gebildet wird. Diese ist meist viel größerals die Konverterinduktivität, daher bleibt der Strom in ihr innerhalb einer Taktperiode des Kon¬verters nahezu konstant.
[0011] Bei der Verwendung von MOSFETs als aktive Schalter können die dem Schalter parallelliegenden Bodydioden nicht die erforderliche Qualität haben. In diesem Fall kann die Wirkungder Bodydiode vermieden werden, indem auf bekannte Weise in Serie zum Schalter eine Diode,in diesem Fall eine Schottkydiode mit kleiner Sperrspannung, in Serie - üblicherweise zumDrain - geschaltet wird. Besser ist es natürlich gleich Halbbrückenmodule zu verwenden. Hiererspart man sich zusätzlich Probleme bei der Verdrahtung durch zu große Streu Induktivitäten.
[0012] Es gibt zahlreiche spezielle Vorgaben wie z.B. Batterien schonend geladen werdenkönnen. Auch diese können in die Steuerung und Regelung der Vorrichtung eingebunden wer- den.
[0013] Das Problem, einen Zweiquadrantensteller zur Ansteuerung einer permanent erregtenGleichstrommaschine mit großem Spannungsbereich zu realisieren, wird erfindungsgemäßdadurch bewerkstelligt, dass an die positive Eingangsklemme (E^ die erste Klemme der Spule(Li) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschlusseinerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativerAnschluss an die zweite Ausgangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweitenaktiven Schalters (S3) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators(C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (Li) verbun¬den ist und an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, an dennegativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) ist einerseits die negative Eingangs¬klemme (E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (Ai) geschaltet. Das Problem, einenZweiquadrantensteller zur Kopplung zweier Gleichspannungen (ΙΙ1; U2) mit großem Span¬nungsbereich zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die positiveEingangsklemme (Ei) die erste Klemme der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss desdritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven An¬schluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an den ersten An¬schluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der zweiten Aus¬gangsklemme (A2) und dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) geschaltetist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiterAnschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (U) verbunden ist und an den positiven An¬schluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des erstenaktiven Schalters (Si) ist einerseits die negative Eingangsklemme (E2) und andererseits dieerste Ausgangsklemme (A^ geschaltet. Weiters kann es sinnvoll sein, dass zwischen der ers¬ten (E^ und zweiten (E2) Eingangsklemme ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Es ist wei¬ters praktisch die zwei Halbbrücken durch integrierte Module zu bilden. Die Ansteuerung erfolgtsinnvoll so, 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 gleichzeitigleiten. Weiters sei angeführt, dass zwischen den Ausgangsklemmen (Αλ, A2) und der eigentli¬chen Last oder dem Netz ein Filter geschaltet werden kann. Als wesentliche Erweiterung seiangeführt, dass die erste Spule durch eine Spule mit Anzapfung oder durch zwei miteinandergekoppelte Spulen (Ni, N2) ersetzt werden kann und dann die Anzapfung oder der Verbin¬dungspunkt der beiden Teilspulen mit der positiven Eingangsklemme (Ei) verbunden ist und derandere Anschluss der ersten Teilwicklung (N^ mit dem positiven Anschluss des dritten Schal¬ters (S3) und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven Anschlussdes ersten Schalters (Si) verbunden ist, oder die Anzapfung oder der Verbindungspunkt derbeiden Teilspulen (N1; N2) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) verbunden istund der andere Anschluss der ersten Teilwicklung (N^ mit der positiven Eingangsklemme (E^verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven An¬schluss des ersten Schalters (Si) verbunden ist.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Zweiquadrantensteller zur Ansteuerung einer permanent erregten Gleichstrommaschineoder eines induktiven Aktuators, aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke,bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (S^, in Serie geschaltet mit einem zweitenaktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einerzweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), inSerie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode(D3, D4), weiters bestehend aus einer Spule (L^, einem Kondensator (C), einer ersten posi¬tiven (E4) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipola¬ren Spannungsquelle (υ4) und einer ersten (A^ und zweiten (A2) Ausgangsklemme zumAnschluss der Maschine bzw. der Last, dadurch gekennzeichnet, dass an die positiveEingangsklemme (E^ die erste Klemme der Spule (L^ und der positive Anschluss des drit¬ten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven An¬schluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an die zweite Aus¬gangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) ge¬schaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist,dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (L^ verbunden ist und anden positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S4) geschaltet ist, an den negativenAnschluss des ersten aktiven Schalters (S4) ist einerseits die negative Eingangsklemme(E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (A^ geschaltet.
  2. 2. Zweiquadrantensteller zur Kopplung zweier Gleichspannungen (LL, U2), aufgebaut auseiner ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (S4),in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode(D1s D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend auseinem 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 (L^,einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (E·,) und einerzweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle(Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der zweitenSpannungsquelle bzw. der Last, dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Ein¬gangsklemme (E-,) die erste Klemme der ersten Spule (L^ und der positive Anschluss desdritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven An¬schluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an den ersten An¬schluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der zweitenAusgangsklemme (A2) und dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3)geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist,dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (L^ verbunden ist und anden positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, an den negativenAnschluss des ersten aktiven Schalters (S4) ist einerseits die negative Eingangsklemme(E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (A^ geschaltet.
  3. 3. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwi¬schen der ersten (Ei) und zweiten (E2) Eingangsklemme ein weiterer Kondensator geschal¬tet ist.
  4. 4. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diezwei Halbbrücken durch integrierte Module gebildet werden.
  5. 5. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬zeichnet, 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 Verriegelungszeitgleichzeitig leiten.
  6. 6. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬zeichnet, dass zwischen den Ausgangsklemmen (A^ A2) und der eigentlichen Last oderdem Netz ein Filter geschaltet ist.
  7. 7. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekenn¬zeichnet, dass die erste Spule durch eine Spule mit Anzapfung oder durch zwei miteinan¬der gekoppelte Spulen (Ν1; N2) ersetzt ist und die Anzapfung oder der Verbindungspunktder beiden Teilspulen mit der positiven Eingangsklemme (E^ verbunden ist und der andereAnschluss der ersten Teilwicklung (Ni) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters(S3) und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven Anschlussdes ersten Schalters (Si) verbunden ist, oder die Anzapfung oder der Verbindungspunktder beiden Teilspulen (N1; N2) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) ver¬bunden ist und der andere Anschluss der ersten Teilwicklung (Ni) mit der positiven Ein¬gangsklemme (E,) verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2)mit dem positiven Anschluss des ersten Schalters (Si) verbunden ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20090034300A1 (en) * 2007-07-24 2009-02-05 Hiroo Ito Bidirectional DC/AC inverter
KR100997377B1 (ko) * 2010-01-05 2010-11-30 서울과학기술대학교 산학협력단 양방향 비절연 ｄｃ－ｄｃ 컨버터

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