AT516328A1 - High-low converter with reduced duty cycle for one-quadrant operation - Google Patents

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AT516328A1 ATA701/2014A AT7012014A AT516328A1 AT 516328 A1 AT516328 A1 AT 516328A1 AT 7012014 A AT7012014 A AT 7012014A AT 516328 A1 AT516328 A1 AT 516328A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer ersten Diode D1 oder einem zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3, und einer zweiten Diode D2, einem spannungsbidirektionalen Schalter S 1, einem strombidirektionalen Schalter Sz, einem Kondensator C, einer Spule L, einem ersten und einem zweiten Anschluss, an die die Eingangsspannung U 1 geschaltet wird und einem ersten und zweiten Anschluss, an die die Last Uz geschaltet wird. Der Konverter ist ein Hochsetzsteller. Die Lastspannung kann größer oder kleiner als die Eingangsspannung gemacht werden wenn man den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3 einbezieht. Man kann aber S3 nur zum Hochlauf der Schaltung verwenden. Das Tastverhältnis von S 1 und S2 ist auf maximal 0,5 beschränkt. Das beschränkte Tastverhältnis kann besonders in Systemen mit mehreren Konvertern, die aus der gleichen Quelle betrieben werden, nützlich sein.The invention relates to a converter consisting of a first diode D1 or a second voltage bidirectional switch S3, and a second diode D2, a voltage bidirectional switch S 1, a current bidirectional switch Sz, a capacitor C, a coil L, a first and a second terminal to which the input voltage U 1 is switched and first and second terminals to which the load Uz is switched. The converter is a boost converter. The load voltage may be made larger or smaller than the input voltage by including the second voltage bidirectional switch S3. But you can only use S3 to boot up the circuit. The duty cycle of S 1 and S2 is limited to a maximum of 0.5. The limited duty cycle may be particularly useful in systems with multiple converters operating from the same source.

Description

Hoch-Tiefsetzsteller mit reduziertem Tastverhältnis für EinquadrantenbetriebHigh-low converter with reduced duty cycle for one-quadrant operation

Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer ersten Diode (Dl) oder einemzweiten spannungsbidirektionalen Schalter (S3), und einer zweiten Diode (D2), einemspannungsbidirektionalen Schalter (Sl), einem strombidirektionalen Schalter (S2), einemKondensator (C), einer Spule (L), einem ersten und einem zweiten Anschluss, an die dieEingangsspannung (Ul) geschaltet wird und einem ersten und zweiten Anschluss, an die dieLast (U2) geschaltet wird.The invention relates to a converter comprising a first diode (D1) or a second voltage bidirectional switch (S3), a second diode (D2), a voltage bidirectional switch (S1), a current bidirectional switch (S2), a capacitor (C), a coil (L), a first and a second terminal to which the input voltage (Ul) is switched, and first and second terminals to which the load (U2) is switched.

Der Konverter ist ein Einquadrantensteller und daher geeignet zur Versorgung vonGleichstrommaschinen zum Antrieb von Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren undähnlichem. Erweitert man den Konverter mit einer Spule, die an einem Anschluss desAusgangs geschaltet ist, so kann man an diesen erweiterten Konverter lichtemittierendeBauteile, Batterien oder einen Kondensator, zu dem eine beliebige Last parallel geschaltet ist,schalten. Dieser erweiterte Konverter kann dann als Steuervorrichtung für Licht, alsBatterieladegerät und als Schaltnetzteil verwendet werden.The converter is a single-quadrant and therefore suitable for supplying DC machines for driving pumps, compressors, fans and the like. By extending the converter with a coil connected to one terminal of the output, one can switch to this extended converter light emitting devices, batteries or a capacitor to which any load is connected in parallel. This advanced converter can then be used as a control device for light, as a battery charger and as a switching power supply.

Die Abbildungen zeigen den prinzipiellen Aufbau und Anwendungsbeispiele des Konverters.Der spannungsbidirektionale Schalter Sl und der strombidirektionale Schalter S2 sindfunktionsmäßig angedeutet. Die Realisierung des spannungsbidirektionalen Schalters kannz.B. durch einen rückwärtssperrenden Transistor (IGBT) oder eine Serienschaltung einerDiode mit einem MOSFET geschehen. Der strombidirektionale Schalter kann z.B. durcheinen MOSFET oder einen IGBT mit parallelgeschalteter Diode realisiert werden. Da aber derBereich der Bauteile derzeit stark im Fluss ist, kommt es bei den Schaltern auf das Prinzip an,nicht auf die verwendete Technologie. Fig.l stellt den Konverter dar, Fig. 2 die Erweiterungfür Sanftanlauf, Fig. 3 stellt die Anwendung als Motortreiber, wobei in Fig. 4 der Motor durchsein Ersatzschaltbild dargestellt ist, dar, Fig. 5 zeigt die Anwendung als Treiber fürlichtemittierende Bauteile, beispielhaft als lichtemittierende Dioden gezeichnet, Fig. 6 dieAnwendung als Batterieladegerät und Fig. 7 als Schaltnetzteil.The figures show the basic structure and application examples of the converter. The voltage bidirectional switch Sl and the current bidirectional switch S2 are indicated in terms of function. The realization of the voltage bidirectional switch can e.g. by a reverse blocking transistor (IGBT) or a series connection of a diode with a MOSFET. The current-bidirectional switch may e.g. be realized by a MOSFET or a parallel-connected diode IGBT. But since the area of the components is currently very much in flux, the switches are based on the principle, not on the technology used. Fig. 2 shows the converter for soft start, Fig. 3 shows the application as a motor driver, in Fig. 4 the motor is represented by an equivalent circuit diagram. Fig. 5 shows the application as a driver for light emitting devices, by way of example Fig. 6 shows the application as a battery charger and Fig. 7 as a switching power supply.

Die Funktion des Konverters soll als Stellglied für einen permanent erregtenGleichstrommotor erläutert werden. Dazu dient die Fig. 4. Der Motor ist durch seinErsatzschaltbild, der Serienschaltung aus Wicklungswiderstand RM, WicklungsinduktivitätLM und drehzahlabhängiger Quellspannung Uq, dargestellt.The function of the converter is to be explained as an actuator for a permanently excited DC motor. The motor is represented by its replacement circuit diagram, the series connection of winding resistance RM, winding inductance LM and speed-dependent source voltage Uq.

Die Funktion wird für ideale Bauteile (d.h. keine Verlustwiderstände, ideales Schalten) imeingeschwungenen Zustand bei stromkontinuierlichem Betrieb besprochen. Weiters seien dieZeitkonstanten von Maschine und Konverter groß gegenüber der Schaltperiode (Inverse derThe function is discussed for ideal components (i.e., no loss resistances, ideal switching) in the steady state during continuous current operation. Furthermore, let the time constants of the machine and converter be large compared to the switching period (inverse of

Schaltfrequenz). Damit kann die Spannung an der Kapazität und die Quellspannung derMaschine als konstant angesetzt werden.Switching frequency). Thus, the voltage across the capacity and the source voltage of the machine can be set as constant.

Die beiden Schalter, der strombidirektionale S2 und der spannungsbidirektionale Sl, werdengleichzeitig ein- und ausgeschaltet.The two switches, the current bidirectional S2 and the voltage bidirectional Sl, are switched on and off at the same time.

Werden die Schalter (SI, S2) eingeschaltet, so sperren sowohl die erste Dl und die zweiteDiode D2. An der Konverterspule L liegt dann die positive Spannung des Kondensators C undan der Maschineninduktivität LM die negative Quellspannung Uq. Der Strom in derKonverterspule L steigt, in der Maschine sinkt er. Energie wird aus demKonverterkondensator C entnommen.When the switches (SI, S2) are turned on, both the first Dl and the second diode D2 are turned off. At the converter coil L is then the positive voltage of the capacitor C and the Maschineninduktivität LM, the negative source voltage Uq. The current in the inverter coil L rises, in the machine it sinks. Energy is taken from the converter capacitor C.

Werden die Schalter (SI, S2) ausgeschaltet, so leiten sowohl die erste Dl und die zweiteDiode D2. An der Konverterspule L liegt dann die (negative) Differenz ausEingangsspannung und Spannung am Kondensator C und an der Maschineninduktivität LMdie (positive) Differenz aus Spannung am Kondensator C und Quellspannung Uq. Der Stromin der Konverterspule L sinkt, in der Maschine steigt er. Energie wird demKonverterkondensator C zugefuhrt. Im eingeschwungenen Zustand ist der Mittelwert derSpannungen an den Induktivitäten null.When the switches (SI, S2) are turned off, both the first Dl and the second diode D2 conduct. At the converter coil L is then the (negative) difference between the input voltage and voltage at the capacitor C and at the Maschineninduktivität LMdie (positive) difference of voltage across the capacitor C and source voltage Uq. The current in the converter coil L drops, in the machine it rises. Energy is supplied to the converter capacitor C. In the steady state, the mean value of the voltages at the inductors is zero.

Damit lässt sich der Zusammenhang zwischen Quellspannung Uq, Eingangsspannung Ul undTastverhältnis d (Einschaltzeit der Schalter zur Schaltperiode) zuThus, the relationship between source voltage Uq, input voltage Ul and duty cycle d (on-time of the switches to the switching period) is allowed

bestimmen. Man erkennt den quadratischen Term im Zähler. Weiters erkennt man, dass dasTastverhältnis kleiner als 0,5 sein muss, sonst würde sich die Spannungsrichtung umkehren.Dies ist aber bedingt durch die Dioden nicht möglich. Weiters kann man aus der Formelentnehmen, dass der Konverter ein Hoch-Tiefsetzsteller ist, also die Quellspannung (oder beider Erweiterung zu Batterieladegerät, Schaltnetzteil oder Lichtsteuerstufe dieAusgangsspannung) größer oder kleiner als die Eingangsspannung gemacht werden kann.determine. One recognizes the quadratic term in the counter. Furthermore, it can be seen that the sampling ratio must be less than 0.5, otherwise the voltage direction would reverse. However, this is not possible due to the diodes. Furthermore, one can deduce from the formula that the converter is a high-down converter, so the source voltage (or both extension to battery charger, switching power supply or light control stage, the output voltage) can be made larger or smaller than the input voltage.

Das beschränkte Tastverhältnis kann besonders in Systemen mit mehreren Konvertern, dieaus der gleichen Quelle betrieben werden, sehr praktisch sein. Bei zwei Konvertern wird mandiese so synchronisieren, dass der Einschaltzeitpunkt zwischen den Konvertern um die halbeTaktperiode versetzt ist.The limited duty cycle may be very convenient, especially in systems with multiple converters operating from the same source. For two converters, this will be synchronized so that the switch-on time between the converters is offset by half the clock period.

Wird die Eingangsspannung angelegt, so wird der Kondensator C geladen (und schwingtmaximal auf den doppelten Wert der Eingangsspannung auf). Wenn das störend oder derWhen the input voltage is applied, capacitor C is charged (and maximizes to twice the input voltage). If that's annoying or that

Anlaufvorgang für Last problematisch ist, kann man einen weiteren spannungsbidirektionalenSchalter S3 in Serie zum Eingang des Konverters schalten. Durch diesen Schalter wird dieDiode Dl ersetzt.Start-up procedure for load is problematic, you can switch another voltage bidirectional switch S3 in series with the input of the converter. This switch replaces the diode D1.

Die Aufgabe, einen Hoch-Tiefsetzsteller für Einquadrantenbetrieb mit beschränktemTastverhältnis zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischenden Anschlüssen für die Eingangsspannung Ul die Serienschaltung aus erster Diode Dl oderzweitem spannungsbidirektionalen Schalter S3, der Spule L und der strombidirektionaleSchalter S2 geschaltet ist, parallel zur Spule L die Serienschaltung von zweiter Diode D2 undspannungsbidirektionalem Schalter S1 geschaltet ist, wobei der spannungsbidirektionaleSchalter S1 an die erste Diode Dl bzw. an den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter S3geschaltet ist, und an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Diode D2 undspannungsbidirektionalem Schalter S1 der erste Anschluss des Kondensators C geschaltet istund der zweite Anschluss des Kondensators C sowohl mit dem zweiten Anschluss für dieEingangsspannung Ul wie mit dem zweiten Anschluss für die Last U2 verbunden ist undparallel zum strombidirektionalen Schalter S2 die Anschlüsse für die Last U2 liegen und dassals Last die Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine oder die Serienschaltung einer Spulemit einem Kondensator, zu dem parallel ein beliebiger weiterer Verbraucher geschaltet ist,oder die Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie oder die Serienschaltung einer Spulemit einer lichtemittierenden Vorrichtung geschaltet ist.The object of realizing a high-step-down converter for single-cycle operation with a limited duty cycle is achieved according to the invention by connecting in parallel with the coil between the input voltage Ul terminals the series connection of the first diode D1 or the second voltage bidirectional switch S3, the coil L and the current bidirectional switch S2 L is the series circuit of the second diode D2 and voltage bidirectional switch S1 is connected, wherein the voltage bidirectional switch S1 is connected to the first diode Dl and to the second voltage bidirectional switch S3, and connected to the connection point between the second diode D2 and voltage bidirectional switch S1 of the first terminal of the capacitor C. and the second terminal of the capacitor C is connected both to the second terminal for the input voltage Ul and to the second terminal for the load U2, and parallel to the current bidirectional switch S2 Terminals for the load U2 are and thatlast the armature winding of a DC machine or the series connection of a coil with a capacitor to which any other consumer is connected in parallel, or the series connection of a coil with a battery or the series connection of a coil is connected to a light-emitting device.

Dabei werden der spannungsbidirektionale Schalter S1 und der strombidirektionale SchalterS2 gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Der zweite spannungsbidirektionale Schalter S3, wenner statt der ersten Diode Dl vorhanden ist, kann im stationären Betrieb immer eingeschaltetbleiben. Aus schaltungstechnischen Gründen ist es sinnvoll, dass parallel zu den Anschlüssenfür die Eingangsspannung Ul ein weiterer Kondensator geschaltet ist.At this time, the voltage bidirectional switch S1 and the current bidirectional switch S2 are simultaneously turned on and off. The second voltage bidirectional switch S3, if it is present instead of the first diode Dl, can always remain switched on in stationary operation. For reasons of circuit technology, it makes sense that another capacitor is connected in parallel to the terminals for the input voltage U1.

Claims (5)

Patentansprüche 1. Konverter, bestehend aus einer ersten Diode (Dl) oder einem zweitenspannungsbidirektionalen Schalter (S3), und einer zweiten Diode (D2), einemspannungsbidirektionalen Schalter (Sl), einem strombidirektionalen Schalter (S2),einem Kondensator (C), einer Spule (L), einem ersten und einem zweiten Anschluss,an die die Eingangsspannung (Ul) geschaltet wird und einem ersten und zweitenAnschluss, an die die Last (U2) geschaltet wird dadurch gekennzeichnet, dasszwischen den Anschlüssen für die Eingangsspannung (Ul) die Serienschaltung auserster Diode (Dl) oder zweitem spannungshidirektionalen Schalter (S3), der Spule (L)und der strombidirektionale Schalter (S2) geschaltet ist, parallel zur Spule (L) dieSerienschaltung von zweiter Diode (D2) und spannungsbidirektionalem Schalter (Sl)geschaltet ist, wobei der spannungsbidirektionale Schalter (Sl) an die erste Diode(Dl) bzw. an den zweiten spannungsbidirektionalen Schalter (S3) geschaltet ist, undan den Verbindungspunkt zwischen zweiter Diode (D2) undspannungsbidirektionalem Schalter (Sl) der erste Anschluss des Kondensators (C)geschaltet ist und der zweite Anschluss des Kondensators (C) sowohl mit dem zweitenAnschluss für die Eingangsspannung (Ul) wie mit dem zweiten Anschluss für die Last(U2) verbunden ist und parallel zum strombidirektionalen Schalter (S2) dieAnschlüsse für die Last (U2) liegen.1. Converter, consisting of a first diode (Dl) or a second voltage bidirectional switch (S3), and a second diode (D2), a voltage bidirectional switch (Sl), a current bidirectional switch (S2), a capacitor (C), a coil (L), a first and a second terminal to which the input voltage (Ul) is switched and a first and second terminal to which the load (U2) is switched, characterized in that between the terminals for the input voltage (Ul), the series connection auserster Diode (Dl) or second voltage hidirektionalen switch (S3), the coil (L) and the current bidirectional switch (S2) is connected, parallel to the coil (L), the series circuit of the second diode (D2) and voltage bidirectional switch (Sl) is connected the voltage bidirectional switch (S1) is connected to the first diode (D1) or to the second voltage bidirectional switch (S3) and to the connection point between The second terminal of the capacitor (C) is connected both to the second terminal for the input voltage (U1) and to the second terminal for the load (U2) of the second diode (D2) and voltage bidirectional switch (S1) ) and parallel to the current-bidirectional switch (S2) are the terminals for the load (U2). 2. Konverter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Last dieAnkerwicklung einer Gleichstrommaschine oder die Serienschaltung einer Spule miteinem Kondensator, zu dem parallel ein beliebiger weiterer Verbraucher geschaltet ist,oder die Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie oder die Serienschaltung einerSpule mit einer lichtemittierenden Vorrichtung geschaltet ist.2. A converter according to claim 1, characterized in that connected as load the Anwickwicklung a DC machine or the series connection of a coil with a capacitor to which any other consumer is connected in parallel, or the series connection of a coil with a battery or the series connection of a coil with a light-emitting device is. 3. Konverter gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass derspannungsbidirektionale Schalter (Sl) und der strombidirektionale Schalter (S2)gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage-bidirectional switch (Sl) and the current-bidirectional switch (S2) are switched on and off simultaneously. 4. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,dass der zweite spannungsbidirektionale Schalter (S3), wenn er statt der ersten Diode(Dl) vorhanden ist, im stationären Betrieb immer eingeschaltet ist.4. Converter according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the second voltage bidirectional switch (S3), if it is present instead of the first diode (Dl), is always switched on in steady-state operation. 5. Konverter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,dass parallel zu den Anschlüssen für die Eingangsspannung (Ul) ein weitererKondensator geschaltet ist.5. A converter according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in parallel to the terminals for the input voltage (Ul), a further capacitor is connected.
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