AT511540A1 - Mehrstufenkonverter - Google Patents

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AT511540A1 ATA694/2011A AT6942011A AT511540A1 AT 511540 A1 AT511540 A1 AT 511540A1 AT 6942011 A AT6942011 A AT 6942011A AT 511540 A1 AT511540 A1 AT 511540A1
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/618—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series and in parallel with the load as final control devices

Abstract

Die Grundstruktur des Konverters besteht aus drei aktiven Schaltern (z.B. MOSFETs) und drei passiven Schaltern (Dioden), einem Kondensator und einer Spule. Die Last wird parallel der ersten Diode angeschaltet und kann z.B. eine permanent erregte Gleichstrommaschine, eine Spule mit nachgeschalteter Batterie (Akkumulator), oder ein Filter mit angeschlossenem Lautsprecher sein. Der erste aktive Schalter zusammen mit der ersten Diode bildet einen Tiefsetzsteller. Der zweite aktive Schalter zusammen mit der zweiten Diode, der Spule und dem Kondensator bildet einen abgewandelten Hochsetzsteller mit reduzierter Spannungsbelastung am Kondensator. Ist nun eine höhere Spannung an den Ausgangsklemmen der Schaltung parallel zur ersten Diode erforderlich, so wird die Taktung über den dritten Schalter erfolgen. Dieser legt nun die Summenspannung aus Eingangsspannung und Kondensatorspannung an die Ausgangsklemmen. Ist nur geringe Spannung an der Last erforderlich, so erfolgt die Energiewandlung über den ersten Schalter, ist höhere Spannung erforderlich, so erfolgt die Taktung mit dem dritten Schalter, der die durch den abgewandelten Hochsetzsteller transformierte Eingangsspannung an die Ausgangsklemmen legt. Die Konverterschaltung ist auch mehrphasig aufbaubar.

Description

Mehrstufenkonvertcr
Die Erfindung betrifft Konverter bestehend aus einem ersten (Sl), zweiten (S2) und dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (Dl), einer zweiten (D2) und einer dritten (D3) Diode, einem Kondensator (C), einer Spule (L) oder einer Spule mit Anzapfung, also bestehend aus zwei Teil Wicklungen, oder zwei in Serie geschaltete magnetisch mit einander verkoppelte Spulen (N1, N2), einer ersten positiven (El) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer ersten positiven (Al) und einer zweiten negativen (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last.
Je höher die Schaltspannung an einem schaltenden Bauteil, umso größer sind die Schaltverluste, so nicht durch irgendwelche soft switching Methoden die Schaltverluste reduziert werden. Dies erfordert aber immer recht aufwendige Schaltungsmaßnahmen und schränkt auch immer zeitlich die Ansteuerung ein. Ein etwas anderes Konzept bieten die so genannten Mehrlevelkonverter. Hier wird an die Last entweder null, eine erste oder eine zweite Betriebsspannung gelegt, je nach dem was erforderlich ist. Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird ein spezieller Konverter dargestellt, dessen zweite Spannung in der Größe variabel ist. Er ist einsetzbar zum Antrieb von Gleichstrommaschinen oder als Ladegerät. Als Eingangsspannung kann z.B. auch eine stark schwankende Quelle wie z.B. ein Solargenerator oder ein Windgenerator dienen. Durch den Konverter kann nun die Spannung am Eingang an die erforderliche Spannung am Ausgang besser angepasst werden. Weiters soll hier schon angeführt werden, dass die Schaltung auch mehrphasig aufgebaut werden kann und daher auch Vierquadrantensteller für Gleichstrommaschinen oder Aktuatoren und Ansteuervorrichtungen für mehrphasige Lasten wie Synchron- oder Asynchronmaschinen realisiert werden können.
Die Grundstniktur des Konverters besteht aus drei aktiven Schaltern (z.B. MOSFETs) und drei passiven Schaltern (Dioden), einem Kondensator und einer Spule. Die Last wird parallel der ersten Diode angeschaltet und kann z.B. eine permanent erregte Gleichstrommaischine, eine Spule mit nachgeschalteter Batterie (Akkumulator), oder ein Filter mit angeschlossenem Lautsprecher sein. Der erste aktive Schalter zusammen mit der ersten Diode bildet einen Tiefsetzsteller. Der zweite aktive Schalter zusammen mit der zweiten Diode, der Spule und dem Kondensator bildet einen abgewandelten Hochsetzsteller mit reduzierter Spannungsbelastung am Kondensator. Ist nun eine höhere Spannung an den Ausgangsklemmen der Schaltung parallel zur ersten Diode erforderlich, so wird die Taktung über den dritten Schalter erfolgen. Dieser legt nun die Summenspannung aus 1 P91/20110516/fh ·· Φ· ···· ·« 4 * • · · · · t · · Φ· • · · · ··· « · I · § • · · · · ♦ « ·»·* t • * * · · · · · » ·· ·· ··♦ ·· t ···
Eingangsspannung und Kondensatorspannung an die Ausgangsklemmen. Ist nur geringe Spannung an der Last erforderlich, so erfolgt die Energiewandlung über den ersten Schalter, ist höhere Spannung erforderlich, so erfolgt die Taktung mit dem dritten Schalter, der die durch den abgewandelten Hochsetzsteller transformierte Eingangsspannung an die Ausgangsklemmen legt. Zur Entkopplung ist die dritte Diode erforderlich. Wenn diese Zusatzverluste stören, kann diese Diode mit einem weiteren aktiven Schalter überbrückt werden. Zumindest sollte eine Diode mit geringer Flussspannung etwa eine Schottkydiode verwendet werden. Weiters ist es möglich, die Hochsetzung der Eingangsspannung zu verändern, indem die Spule durch zwei miteinander gekoppelte Spulen oder einer Spule mit Anzapfung ersetzt wird. Dabei wird entweder, bei sonst gleich bleibender Schaltungsanordnung, der zweite Schalter oder die zweite Diode oder der Kondensator an die Anzapfung der Spule oder den Verbindungspunkt der zwei gekoppelten Spulen geschaltet. Parallel zu den Eingangsklemmen kann ein Kondensator geschaltet werden. Ebenfalls sei hier angemerkt, dass die passiven Schalter durch aktive Schalter überbrückt werden können. Dies ermöglicht zusätzliche Bidirektionalität und bringt bei niedrigen Spannungen, bei denen die MOSFETs einen deutlich geringeren Durchlassspannungsabfall als Dioden haben, einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Erfindung ist auch in Form von Zeichnungen dargestellt Fig. 1 stellt die Grundstruktur des Konverters dar. Fig. 2 stellt Abwandlungen der Hochsetzstufe dar und Fig. 3 zeigt die Erweiterung auf eine Konverterschaltung mit drei Ausgängen dar. Die Schaltungen sind beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet. Selbstverständlich sind auch andere aktive Schalter verwendbar.
Bezeichnet man das Tastverhältnis des ersten Schalters mit dl, des zweiten Schalters mit d2 und des dritten Schalters mit d3, so ergibt sich im kontinuierlichen Betrieb, idealisiert für den Mittelwert der Ausgangsspannung bei Taktung des ersten Transistors Ü3 =drUlt bei Taktung des dritten Schalters Ü2=di-{üi+Uc).
Bei Taktung des zweiten Schalters wird die Spannung am Kondensator verändert.
Bei der Grundstruktur mit nur einer Spule ergibt sich 2 P91/20110516/fh
Bei der Verwendung einer Spule mit Anzapfung bzw. zwei zusammengeschalteten magnetisch miteinander gekoppelten Spulen spielt das Windungverhältnis mit Bei Anschluss des Kondensators an den Zusammenschluss der beiden gekoppelten Spulen ergibt sich
Ur=- JVj___; N,+N2 1 u, bei Anschluss des positiven Anschlusses des zweiten Schalters an den Zusammenschluss der beiden gekoppelten Spulen ergibt sich
Uc-Z -N, 1 -d, U„ und bei Anschluss der zweiten Diode an den Zusammenschluss der beiden gekoppelten Spulen ergibt sich wie beim Kondensator ur N, + N2 \-d2 u,.
Die Aufgabe einer Last eine steuerbare, optimal angepasste Spannung zuzuführen wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der Spule (L) geschaltet ist, an den zweiten Anschluss der Spule (L) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet, oder dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3) und ein Anschluss der zweiten Spule (N2) geschaltet ist, an den ersten Anschluss der ersten Spule (NI) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme 3 P91/20110516/fh (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet und an den Verbindungspunkt der miteinander verkoppelten Spulen (NI, N2) ist der erste Anschluss des Kondensators (C) geschaltet oder dass, an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der zwei verkoppelten Spulen (NI ,N2) geschaltet ist, an den Verbindungspunkt der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (NI, N2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist und an den dritten Anschluss der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (N1,N2) der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet oder dass, an die positive Eingangsklermne (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der zwei verkoppelten Spulen (N1,N2) geschaltet ist, an den Verbindungspunkt der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (NI, N2) der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist und an den dritten Anschluss der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (NI ,N2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet und mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet. Weiters kann die dritte Diode (D3) durch einen weiteren aktiven Schalter überbrückt wird. Weiters kann die Konverterschaltung auch so ausgeführt werden, dass die Dioden durch aktive Schalter überbrückt werden, wobei auch Halbbrückemnodule zum Einsatz kommen können. Weiters sei angemerkt dass besonders bei Anwendungen als Solarkonverter und bei 4 P91/20110516/fli anderen alternativen Energiequellen parallel zu den Eingangsklemmen (El, E2) ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet werden. Die Spannung am Kondensator (C) wird entsprechend den Erfordernissen mit einer Steuervorrichtung gestellt oder geregelt. Spezielle Regeltechnische Probleme gibt es dabei keine. Alle bekannten sinnvollen Methoden und Verfahren lassen sich anwenden. Der Schaltungsteil, bestehend aus erstem (Sl) und zweitem (S2) Schalter, erster (Dl) und dritter (D3) Diode und positiver Ausgangsklemme (Al) kann vervielfacht werden und somit ein Vierquadrantensteller oder Zweiphasenkonverter (bei Verdoppelung) realisiert oder bei Verdrei- oder höherer Vervielfachung eine Mehrphasenlast angeschlossen werden kann. Natürlich kann auch der ganze Konverter vervielfacht werden und so mehrphasige Lasten angeschlossen werden. 5 P91/20110516/¾

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1. Konverter bestehend aus einem ersten (Sl), zweiten (S2) und dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (Dl), einer zweiten (D2) und einer dritten (D3) Diode, einem Kondensator (C), einer Spule (L), einer ersten positiven (El) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer ersten positiven (Al) und einer zweiten negativen (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der Spule (L) geschaltet ist, an den zweiten Anschluss da- Spule (L) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet.
  2. 2. Konverter bestehend aus einem ersten (Sl), zweiten (S2) und dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (Dl), einer zweiten (D2) und einer dritten (D3) Diode, einem Kondensator (C), einer Spule mit Anzapfung, also bestehend aus zwei Teilwickhmgen, oder zwei in Serie geschaltete magnetisch mit einander verkoppelte Spulen (NI, N2), einer ersten positiven (El) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer ersten positiven (Al) und einer zweiten negativen (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3) und ein Anschluss der zweiten Spule (N2) geschaltet ist, an den ersten Anschluss der ersten Spule (NI) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive 6 P91/20110516/fh
    • · · · * ·· ·»* ·· · • * · · « • *«· * · · · • · · * ««ft# « • ft# Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet und an den Verbindungspunkt der miteinander verkoppelten Spulen (NI, N2) ist der erste Anschluss des Kondensators (C) geschaltet.
  3. 3. Konverter bestehend aus einem ersten (Sl), zweiten (S2) und dritten (S3) aktiven Schalter, ein«· ersten (Dl), ein«·zweiten (D2) und einer dritten (D3) Diode, einem Kondensator (C), einer Spule mit Anzapfung, also bestehend aus zwei Teil wicklungen, oder zwei in Serie geschaltete magnetisch mit einander verkoppelte Spulen (NI, N2), einer ersten positiven (El) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer ersten positiven (Al) und einer zweiten negativen (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der zwei verkoppelten Spulen (N1,N2) geschaltet ist, an den Verbindungspunkt der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (NI, N2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist und an den dritten Anschluss der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (N1,N2) der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet; mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiv«i Schalters (S3) geschaltet.
  4. 4. Konverter bestehend aus einem ersten (Sl), zweiten (S2) und dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (Dl), einer zweiten (D2) und einer dritten (D3) Diode, einem Kondensator (C), einer Spule mit Anzapfung, also bestehend aus zwei Teilwicldungen, oder zwei in Serie geschaltete magnetisch mit einander verkoppelte Spulen (NI, N2), einer ersten positiven (El) und einer zweiten negativen (E2) 7 P91/20110516/fh Eingangsklemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer ersten positiven (Al) und einer zweiten negativen (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (El) die Anode der dritten Diode (D3), ein Anschluss des Kondensators (C) und ein Anschluss der zwei verkoppelten Spulen (N1,N2) geschaltet ist, an den Verbindungspunkt der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (NI, N2) der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist und an den dritten Anschluss der zwei miteinander verkoppelten Wicklungen (N1,N2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl), an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist die Kathode der ersten Diode (Dl), der negative Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und die positive Ausgangsklemme (Al) geschaltet und mit der negativen Ausgangsklemme (A2) ist die Anode der ersten Diode (Dl), die negative Eingangsklemme (E2) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden, weiters ist an die Kathode der zweiten Diode (D2) der zweite Anschluss des Kondensators (C) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) geschaltet.
  5. 5. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1,2,3, oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Diode (D3) durch einen weiteren aktiven Schalter überbrückt wird.
  6. 6. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden durch aktive Schalter überbrückt werden, wobei auch Halbbrückenmodule zum Einsatz kommen können.
  7. 7. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Eingangsklemmen (El, E2) ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet sind.
  8. 8. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Kondensator (C) entsprechend den Erfordernissen gestellt oder geregelt wird.
  9. 9. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil, bestehend aus erstem (Sl) und zweitem (S2) Schalter, erster (Dl) und dritter (D3) Diode und positiver Ausgangsklemme (Al) vervielfacht werden und somit ein Vierquadrantensteller oder Zweiphasenkonverter (bei Verdoppelung) 8 P91/20110516/fli oder bei Verdrei- oder höherer Vervielfachung eine Mehrphasenlast angeschlossen werden kann. P91/20110516/fh
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