AT520274A1 - DC/DC Konverter mit zusätzlichem induktiv gekoppeltem spannungsbidirektionalen Schalter zur Überbrückung einer Induktivität - Google Patents

DC/DC Konverter mit zusätzlichem induktiv gekoppeltem spannungsbidirektionalen Schalter zur Überbrückung einer Induktivität Download PDF

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AT520274A1
AT520274A1 ATA326/2017A AT3262017A AT520274A1 AT 520274 A1 AT520274 A1 AT 520274A1 AT 3262017 A AT3262017 A AT 3262017A AT 520274 A1 AT520274 A1 AT 520274A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und darauf aufbauend eine Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines beliebigen Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schalter/n (S), aus einer oder mehreren Diode/n (D), aus keinem, einem oder mehreren Kondensator/en (C) und aus mindestens einer Spule (L). Um das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zusätzlich zu verändern, wird eine Spule (L) des Wanlers durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachten Wicklungen (Nl, N2) ersetzt, wobei die erste Wicklung (Nl) die ursprüngliche Spule (L) ersetzt und die zweite Wicklung (N2) an einen spannungsbidirektionaler Schalter (gebildet aus S2, S3) mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist. Dabei wird der spannungsbidirektionale Schalter (S2, S3) nur während der Zeit, in der der eine oder die mehreren aktiven Schalter des Gleichspannungswandlers gesperrt ist/sind, ein- und ausgeschaltet.

Description

Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und darauf aufbauend eine Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schalter/n, aus einer oder mehreren Diode/n, aus keinem, einem oder mehreren Kondensator/en und aus mindestens einer Spule. Um das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zusätzlich zu verändern, wird eine Spule des Konverters durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachten Wicklungen ersetzt, wobei die erste Wicklung die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung an einen spannungsbidirektionaler Schalter mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist. Dabei wird der spannungsbidirektionale Schalter nur während der Zeit, in der der eine oder die mehreren aktiven Schalter des Gleichspannungswandlers gesperrt ist/sind, ein- und ausgeschaltet.
(Fig- 1)
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DC/DC Konverter mit zusätzlichem induktiv gekoppeltem spannungsbidirektionalen
Schalter zur Überbrückung einer Induktivität • · · · · • · · ·· • · · ·· • · · ·· • · ··
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und darauf aufbauend eine Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schalter/n, aus einer oder mehreren Diode/n, aus keinem, einem oder mehreren Kondensator/en und aus mindestens einer Spule.
Das Ziel dieser Erfindung ist es, das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zu verändern. Dies geschieht durch die Verwendung eines Schalters, der induktiv gekoppelt parallel zur Induktivität geschaltet ist.
Die Erfindung wird an Hand des klassischen Buck-Boost Konverters erklärt. Der Konverter besteht aus zwei Eingangsklemmen, an denen die Eingangsspannung geschaltet wird, einem aktiven Schalter S, einer Spule L, einer Diode D und zwei Ausgangsklemmen zum Anschließen der Last. Will man eine konstante Ausgangsspannung, so wird zwischen die beiden Ausgangsklemmen ein Kondensator geschaltet, der eine Glättung durchfuhrt. Das Spannungsübersetzungsverhältnis (das Verhältnis von Ausgangsspannung U2 zur Eingangsspannung Ui) im kontinuierlichen Betrieb lässt sich mit dem Tastverhältnis di (das ist das Verhältnis von Einschaltzeit des aktiven Schalters zur Periodendauer) angeben zu M = U^ = _dy_
Ux \-dx
Erfindungsgemäß wird die Spule L induktiv durch einen spannungsbidirektionalen Schalter (man kann ihn auch als Wechselstromschalter oder AC-Schalter bezeichnen), der mittels einer weiteren Wicklung induktiv überbrückt. Dieser zusätzliche Schalter kann durch eine antiserielle Schaltung von zwei MOSFETs gebildet werden. (Bei höheren Leistungen wird man zwei IGBTs antiseriell zusammenschalten, wobei zu jedem IGBT eine antiparallele Diode geschaltet ist.) Dieser Schalter wird erst während der Ausschaltzeit des aktiven Schalters S für eine gewisse Zeit eingeschaltet. Das Einschalten erfolgt gleichzeitig für beide Schalter, die den Wechselstromschalter bilden; die Gates sind zusammengeschaltet. Die induktive Ankopplung wird dadurch erzielt, dass die normale Spule des Konverters durch zwei magnetisch gekoppelte (d.h. auf demselben Magnetkreis gewickelte) Wicklungen ersetzt wird. Dadurch kommutiert der Strom der ersten Wicklung, die wirkmäßig die Spule des
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Konverters bildet, in die zweite Wicklung und schließt sich über den spannungsbidirektionalen Schalter. Da der Einschaltwiderstand des spannungsbidirektionalen Schalters gering ist, entsteht nur eine geringe negative Spannung an der Wicklung und der Strom bleibt praktisch konstant. Die Freilaufdiode des Konverters schaltet während dieser Zeit aus. Der Strom in der gekoppelten Wicklung transformiert sich entsprechend dem WindungsVerhältnis der beiden Wicklungen. Der magnetische Fluss darf in einem magnetischen Bauteil nicht springen, da sonst eine sehr hohe Spannung induziert wird. Der magnetische Fluss ist durch die Durchflutung des Kems verursacht. Wenn nun z.B. die zweite Wicklung doppelt so viele Windungen aufweist wie die erste, so wird der Strom in der zweiten Wicklung nur den halben Wert haben da der halbe Strom bei doppelter Windungszahl dieselbe Durchflutung aufbaut und damit den gleichen Fluss erzeugt. Durch den Kurzschluss der Wicklung durch den spannungsbidirektionalen Schalters liegt praktisch an beiden Wicklungen keine Spannung und der Strom in der ersten Wicklung ist null und in der zweiten bleibt er nahezu konstant.
Mit der Schaltperiode T des Konverters, das ist der Kehrwert der Schaltfrequenz, dem Tastverhältnis des aktiven Schalters di ergibt sich für die Einschaltzeit Ti des Transistors
Tx^dxT .
Während dieser Zeit liegt eine positive Spannung an der Spule. Für die Zeit T2, an der eine negative Spannung an der Spule liegt, kann man mit dem Tastverhältnis des spannungsbidirektionalen Schalters d2
7^(1-^)7-^7 = (1-^-^)7 schreiben. Während der Einschaltzeit des spannungsbidirektionalen Schalters liegt, wie weiter oben erklärt, die Spannung null an der ersten Wicklung.
Da die Spannung an einer Spule im eingeschwungenen Zustand null sein muss, kann man die Spannungszeitflächen an der ersten Wicklung gleichsetzen dxUx=(y-dx-d2fJ2
Damit ergibt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis zu
M=^= * .
t/] 1 dx d2
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Es sei angemerkt, dass das Tastverhältnis des spannungsbidirektionalen Schalters kleiner sein muss als d2 < 1— dy .
Zeichnet man das Spannungsübersetzungsverhältnis über dem Tastverhältnis des aktiven Schalters mit dem Tastverhältnis des spannungsbidirektionalen Schalters als Parameter, so erkennt man, dass das Spannungsübersetzungsverhältnis deutlich angehoben wird (Fig. 11). Bei kleineren Tastverhältnissen kann man trotzdem eine deutliche Anhebung des Spannungsübersetzungsverhältnisses erzielen. Dies funktioniert über eine Erhöhung des Spulenstroms. Da der Strom durch einen Kondensator im eingeschwungenen Zustand im Mittel null sein muss, kann man schreiben ^LOAD^.d\ +d2)T = (Il -Iload)(1~4 ~d2)T .
Daraus lässt sich der Mittelwert des Spulenstroms in Abhängigkeit des Laststroms Iload und der beiden Tastverhältnisse angeben zu
J __ Iload (1 —c/[ — d2)
Man erkennt, dass das Stromniveau der Spule mit der Einschaltdauer des spannungsbidirektionalen Schalters zunimmt.
Man kann eine beliebige DC/DC Konverterschaltung dadurch verändern, dass man die Spule der Konverterschaltung durch eine gekoppelte Spule ersetzt, wobei die erste Wicklung der originalen Spule des Konverters entspricht und die gekoppelte zweite Wicklung mittels eines spannungsbidirektionalen Schalters kurzgeschlossen werden kann. Wenn mehrere Spulen in der Grundtopologie vorhanden sind gibt es auch mehrere Varianten. Es zeigt sich aber, dass es für die Funktionsweise egal ist, welche Spule durch die gekoppelten Wicklungen, mit dem spannungsbidirektionalen Schalter parallel zur zweiten Wicklung, ersetzt wird. Das Spannungs- und das Stromübersetzungsverhältnis wird gleichermaßen verändert.
Beispielhaft sei das so entstehende Spannungsübersetzungsverhältnis eines klassischen Hochsetzstellers (Fig. 3) υγ \-dx-d2 ’
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und eines klassischen Tiefsetzstellers (Fig. 4)
dx l—d2 angegeben.
Bei Konvertern mit mehreren Spulen wie dem Sepie, Zeta, Cuk oder dem speziellen Hochsetzsteller gibt es grundsätzlich mehrere (typisch zwei, weil maximal zwei Spulen zum Energietransfer verwendet werden) Möglichkeiten den Konverter mittels gekoppelter Wicklungen und angeschlossenem spannungsbidirektionalen Schalters zu erweitern. Dies führt z.B. für den speziellen Hochsetzsteller (Fig. 5) für beide Varianten ebenso zu dl d2
Das Verhalten ist in beiden Fällen gleich, egal welche Spule mit dem Schalter überbrückt wird. Für Zeta- (Fig. 7), Cuk- (Fig. 9) und Sepie-Konverter (Fig. 6) entsteht immer das selbe Übersetzungsverhältnis wie oben für den klassischen Buck-Boost Konverter (Fig. 2) angegeben.
Die Bilder zeigen das Grundkonzept und zeigen an einigen weiteren Beispielen, auf wie durch das vorgeschlagene Konzept der Leistungsteil des Konverters verändert wird. Beispielhaft sollen noch die Spannungsübersetzungen für einen quadratischen Hoch-Tiefsetzer (Fig. 8)
U, l-d,-d2 und für einen Konverter mit reduziertem Tastverhältnis (Fig. 10)
U2 _2dl+d2-l
L·/1 1 0/2 angegeben werden. Dabei muss 2d\+d? größer als 1 und ίΖι+ί/2 kleiner als 1 sein muss!
Fig. 1 skizziert die Grundidee. Der Block K stellt den DC/DC Konverter dar. Symbolisch sieht man verschiedene Bauteile wie einen Kondensator, eine Diode, einen aktiven Schalter in Form eines MOSFETs. Eine Spule ist am oberen Rand des Konverterblocks K gezeichnet. Der Strich parallel zu ihr zeigt den magnetischen Kem an. Außerhalb des Blocks K ist die zweite Wicklung, an deren Anschlüssen der spannungsbidirektionale Schalter, bestehend aus
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Fig. 11 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis eines Buck-Boost Konverters über dem Tastverhältnis dj des aktiven Schalters des originalen Konverters mit dem Tastverhältnis d2 des zusätzlichen spannungsbidirektionalen Schalters als Parameter. (Anmerkung: die Figuren werden bei Weiterverfolgung durch schönere ersetzt.)
Die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen sollte hoch sein, da sonst, besonders am spannungsbidirektionalen Schalter, eine große Überspannung entsteht. Ein Spannungsbegrenzemetzwerk oder ein Snubber sollte parallel zum spannungsbidirektionalen Schalter geschaltet werden. Insbesondere bei höheren Leistungen wird man dazu ein Netzwerk oder prinzipbedingt verlustarmes Entlastungsnetzwerk mit Energierückgewinnung verwenden.
Um das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zusätzlich zu verändern, wird verfahrensgemäß eine Spule des Konverters durch zwei verkoppelte Wicklungen ersetzt, wobei die erste Wicklung die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung an einen spannungsbidirektionaler Schalter geschaltet ist.
Um das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zusätzlich zu verändern, wird vorrichtungssgemäß eine Spule des Konverters durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachten Wicklungen ersetzt, wobei die erste Wicklung die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung an einen spannungsbidirektionaler Schalter mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist.
Der parallele spannungsbidirektionale Schalter wird aus zwei antiseriell geschalteten MOSFETs oder aus zwei antiseriellen strombidirektionalen Schaltern oder aus einem elektronischen Schalter, der in die Diagonale einer B2-Diodenbrücke geschaltet ist, gebildet.
Dabei wird der spannungsbidirektionale Schalter nur während der Zeit, in der der eine oder die mehreren aktiven Schalter des Gleichspannungswandlers gesperrt ist/sind, ein- und ausgeschaltet. Es ist sinnvoll eine Seite der zweiten Wicklung an Masse zu schalten.
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Es kann sinnvoll sein, wirkmäßig parallel zu den elektronischen Schaltern
Entlastungsnetzwerke oder Spannungsbegrenzervorrichtungen zu schalten.
Dies gilt vorzugsweise für den spannungsbidirektionalen Schalter. Wenn dieses Netzwerk prinzipbedingt verlustfrei ausgefuhrt ist (vgl. dazu z.B. AT 505802 Bl) wird die Streuenergie der gekoppelten Spulen rückgewonnen und es entsteht nur eine geringe Überspannung.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schalter/n, aus einer oder mehreren Diode/n, aus keinem, einem oder mehreren Kondensator/en, aus mindestens einer Spule dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule des Konverters durch zwei vekoppelte Wicklungen ersetzt wird, wobei die erste Wicklung die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung an einen spannungsbidirektionaler Schalter geschaltet ist.
  2. 2. Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schalter/n, aus einer oder mehreren Diode/n, aus keinem, einem oder mehreren Kondensator/en, aus mindestens einer Spule dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule des Konverters durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachten Wicklungen ersetzt wird, wobei die erste Wicklung die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung an einen spannungsbidirektionaler Schalter mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist.
  3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der parallele spannungsbidirektionale Schalter aus zwei antiseriell geschalteten MOSFETs oder aus zwei antiseriellen strombidirektionalen Schaltern oder aus einem elektronischen Schalter, der in die Diagonale einer B2 Diodenbrücke geschaltet ist, gebildet ist.
  4. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der spannungsbidirektionale Schalter nur während der Zeit, in der der eine oder die mehreren aktiven Schalter des Gleichspannungswandlers gesperrt ist/sind, ein- und ausgeschaltet wird.
  5. 5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite der zweiten Wicklung an Masse geschaltet ist.
  6. 6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass wirkmäßig parallel zu den elektronischen Schaltern Entlastungsnetzwerke oder Spannungsbegrenzervorrichtungen geschaltet sind.
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