AT520274B1

AT520274B1 - DC/DC Konverter mit zusätzlichem induktiv gekoppeltem spannungsbidirektionalen Schalter zur Überbrückung einer Induktivität

Info

Publication number: AT520274B1
Application number: ATA326/2017A
Authority: AT
Inventors: Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
Original assignee: Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2023-09-15
Also published as: AT520274A1

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 Wandlers durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachten Wicklungen (N1, N2) ersetzt, wobei die erste Wicklung (N1) 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

Beschreibung

DC/DC KONVERTER MIT ZUSÄTZLICHEM INDUKTIV GEKOPPELTEM SPANNUNGSBIDIREKTIONALEN SCHALTER ZUR UBERBRUCKUNG EINER INDUKTIVITAT

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schaltern, aus einer oder mehreren Dioden, aus keinem, einem oder mehreren Kondensatoren, aus mindestens einer Spule dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule des Gleichspannungswandlers durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachte Wicklungen (N1, N2) ersetzt ist, deren erste Wicklung (N1) die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung (N2) an einen spannungsbidirektionalen Schalter (S2 & S3) mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist.

[0002] 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.

[0003] Zur Patentliteratur: D1 JP 2002199704 A (SONY CORP) zeigt einen Hochsetzsteller, bei dem die Spule des Konverters durch zwei potentialgetrennte magnetisch gekoppelte Wicklungen ersetzt ist. Mit Hilfe eines bipolaren Transistors kann damit eine Spannung an die zweite Wicklung gelegt werden. Dadurch ist es ebenfalls möglich die Ausgangsspannung des Konverters zu erhöhen. Man muss dazu eine Hilfsspannungsquelle benutzen. Die Ausgangsspannung erhöht sich dann entsprechend der Größe der Hilfsspannung, dem UÜbersetzungsverhältnis, und dem Tastverhältnis von Hauptschalter d; und dem Tastverhältnis des Hilfsschalters d;. Die Ausgangsspannung ergibt sich daher (gerechnet mit idealen Bauelementen) zu

1—-d, N, d, LU + Zw. 1-d,-d, 1 H

[0004] Entsprechend erhöht sich der Strom in den Wicklungen.

[0005] Geht man von dem Schaltbild in JP 2002199704 A aus, so liegt am bipolaren Hilfstransistor (dort S2 genannt) während der Einschaltzeit des Haupttransistors (dort S1 genannt) die Differenz aus übersetzter Eingangsspannung und Hilfsspannung. Die Hilfsspannung wird sinnvollerweise kleiner als die Eingangsspannung sein. Dies führt schon bei geringer negativer Spannung zum Durchbruch des bipolaren Transistors.

[0006] D2 CH 710661 A2 (ETH ZÜRICH) zeigt einen Tiefsetzsteller (auch anwendbar bei Hochsetzer und Inverswandler), bei dem zwei antiserielle MOSFETs parallel zur Wandlerspule geschaltet sind. Dies soll dazu dienen um die Schaltirequenz beim weichen Schalten einer Halbbrücke, mit der der Wandler aufgebaut ist, annähernd konstant zu halten.

[0007] D3 JP 2005341746 A (MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD) zeigt einen Brückengleichrichter mit Zwischenkreiskondensator. In der Zuleitung befindet sich eine Spule, die mit einer zweiten Spule magnetisch gekoppelt ist, die durch einen Schalter überbrückt werden kann. Der Zweck dazu ist eine änderbare Vorschaltspule zu generieren um den Ladevorgang des Zwischenkreiskondensators zu beeinflussen und den Einschaltstromstoß zu verkleinern. Der Hauptzweck der Schaltung ist auch die Verbesserung des Leistungsfaktors der Schaltung durch die Anderung des Spulenwerts.

[0008] D4 DE 2008064640 A1 (SEW EURODRIVE GMBH & CO) dient als Anordnung zur berührungslosen Energieübertragung. Die Größe der wirksamen Induktivität wird dadurch veränderbar.

U, =

[0009] Bei der gegenständlichen Erfindung wird, im Gegensatz zu D1, keine Spannung eingespeist, sondern die zweite Spule kurzgeschlossen. Dadurch verändert (vergrößert) sich das Spannungsübersetzungsverhältnis des Konverters. Der spannungsbidirektionale Schalter hat den Vorteil, dass, wenn die Sekundärwicklung überbrückt wird, nur zwei Transistorstrecken bzw. bei MOSFETs zwei Einschaltwiderstände in Serie wirken und wenn er ausgeschaltet ist wirklich gesperrt ist, da sicher eine der Dioden die Spannung aufnehmen kann. Dies gilt auch für einen

Konverter mit umgedrehter Energieflussrichtung (bidirektionalen Konverter). Durch die Verwendung der gekoppelten Spulen kann man die Sekundärseite einseitig auch auf Masse legen.

[0010] Die Erfindung wird an Hand des klassischen Buck-Boost Konverters (Fig. 2) 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 durchführt. Das Spannungsübersetzungsverhältnis (das Verhältnis von Ausgangsspannung U; zur Eingangsspannung U) im kontinuierlichen Betrieb lässt sich mit dem Tastverhältnis d, (das ist das Verhältnis von Einschaltzeit des aktiven Schalters zur Periodendauer) angeben zu

_U2__dı “UL 1-d

[0011] 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 angekoppelt ist, 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 Magnetkern gewickelte) Wicklungen ersetzt wird. Dadurch kommutiert der Strom der ersten Wicklung, die wirkmäßig die Spule des 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 Kerns 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 Schalter liegt praktisch an beiden Wicklungen keine Spannung und der Strom in der ersten Wicklung ist null und in der zweiten bleibt er nahezu konstant.

[0012] Mit der Schaltperiode T des Konverters, das ist der Kehrwert der Schaltfrequenz, dem Tastverhältnis des aktiven Schalters d+ ergibt sich für die Einschaltzeit T+ des Transistors

Ti = diT.

[0013] 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 d>

T>=(1-dJ)T-d,T=(1-d,-dT

schreiben. Während der Einschaltzeit des spannungsbidirektionalen Schalters liegt, wie weiter oben erklärt, die Spannung null an der ersten Wicklung.

[0014] Da die Spannung an einer Spule im eingeschwungenen Zustand null sein muss, kann man die Spannungszeitflächen an der ersten Wicklung gleichsetzen

d,U, = (1—d;, — d„)U,. [0015] Damit ergibt sich das Spannungsübersetzungsverhältnis zu

U d

Ur 1 — d, — d,

[0016] Es sei angemerkt, dass das Tastverhältnis des spannungsbidirektionalen Schalters kleiner sein muss als

[0017] 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

TLoan(dı + d)T = (I; — ILoaD)(1 — dy — dJT. [0018] Daraus lässt sich der Mittelwert des Spulenstroms in Abhängigkeit des Laststroms I_oAD und der beiden Tastverhältnisse angeben zu ILOAD (1—d, —d,)'

[0019] Man erkennt, dass das Stromniveau der Spule mit der Einschaltdauer des spannungsbidirektionalen Schalters zunimmt.

I. =

[0020] Man kann eine beliebige DC/DC Wandlerschaltung dadurch verändern, dass man die Spule der Wandlerschaltung 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 werden gleichermaßen verändert.

[0021] Beispielhaft sei das so entstehende Spannungsübersetzungsverhältnis eines klassischen Hochsetzstellers (Fig. 3)

U 1—-d Me Id und eines klassischen Tiefsetzstellers (Fig. 4) U» d; U, 1-d,

angegeben.

[0022] Bei Konvertern mit mehreren Spulen wie dem Sepic, 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 Schalter zu erweitern. Dies führt z.B. für den speziellen Hochsetzsteller (Fig. 5) für beide Varianten ebenso zu

M = U _ _1-d2_ .

U, 1-—d,-d,

[0023] Das Verhalten ist in beiden Fällen gleich, egal welche Spule mit dem Schalter überbrückt wird. Für Zeta- (Fig. 7), Cuk- (Fig. 9) und Sepic-Konverter (Fig. 6) entsteht immer dasselbe Ubersetzungsverhältnis wie oben für den klassischen Buck-Boost Konverter (Fig. 2) angegeben.

[0024] Die Bilder zeigen das Grundkonzept (Fig. 1) und zeigen an einigen weiteren Beispielen (Fig 2 - Fig. 10), wie durch das vorgeschlagene Konzept der Leistungsteil des Konverters verändert wird. Beispielhaft sollen noch die Spannungsübersetzungen für einen quadratischen HochTiefsetzer (Fig. 8)

_U2_ (d)*

M=A= Ur 1—-d,-d,

und für einen Konverter mit reduziertem Tastverhältnis (Fig. 10) U,» 2d,+d,-1 U, 1-dy-dz angegeben werden. Dabei muss 2d;+d> größer als 1 und d;+d>; kleiner als 1 sein.

[0025] Fig. 1 skizziert die Grundidee. Der Block K stellt den DC/DC Konverter dar. Symbolisch sieht man verschiedene Bauteile wie einen Kondensator (C1), eine Diode (D1), einen aktiven Schalter (S1) in Form eines MOSFETs. Eine Spule (N1) ist am oberen Rand des Konverterblocks (K) gezeichnet. Der Strich parallel zu ihr zeigt den magnetischen Kern an. Außerhalb des Blocks K ist die zweite Wicklung (N2), an deren Anschlüssen der spannungsbidirektionale Schalter, bestehend aus zwei antiseriell geschalteten MOSFETs (S2, S3), geschaltet ist. Fig. 2 zeigt das Konzept angewandt auf einen Buck-Boost Konverter, Fig. 3 angewandt auf einen Boost Konverter, Fig. 4 angewandt auf einen Buck Konverter, Fig. 5 angewandt auf einen speziellen Boost Konverter, Fig. 6 angewandt auf einen Sepic Konverter, Fig. 7 angewandt auf einen Zeta Konverter, Fig. 8 angewandt auf einen quadratischen Buck-Boost Konverter, Fig. 9 angewandt auf einen Cuk Konverter, Fig. 10 angewandt auf einen Konverter mit reduziertem Tastverhältnis. Fig. 11 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis eines Buck-Boost Konverters über dem Tastverhältnis d, des aktiven Schalters des originalen Konverters mit dem Tastverhältnis d» des zusätzlichen spannungsbidirektionalen Schalters als Parameter.

[0026] Die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen sollte hoch sein, da sonst, besonders am spannungsbidirektionalen Schalter, eine große Uberspannung entsteht. Ein Spannungsbegrenzernetzwerk 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.

[0027] Um das Spannungs- oder Stromübersetzungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers (DC/DC Konverter) zusätzlich zu verändern, wird erfindungsgemäß eine Spule des Gleichspannungswandlers durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachte Wicklungen (N1, N2) ersetzt, deren erste Wicklung (N1) die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung (N2) an einen spannungsbidirektionalen Schalter (S2 & S3) mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist.

[0028] Der parallele spannungsbidirektionale Schalter (S2 & S3) 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.

[0029] 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 (N2) an Masse zu schalten.

[0030] Es kann sinnvoll sein, wirkmäßig parallel zu den elektronischen Schaltern (S1, S2 & S3) Entlastungsnetzwerke oder Spannungsbegrenzervorrichtungen zu schalten.

[0031] Dies gilt vorzugsweise für den spannungsbidirektionalen Schalter aber ebenso für den Hauptschalter. Wenn dieses Netzwerk prinzipbedingt verlustfrei ausgeführt ist (vgl. dazu z.B. AT 505802 B1) wird die Streuenergie der gekoppelten Spulen rückgewonnen und es entsteht nur eine geringe Uberspannung.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Veränderung des Spannungs- bzw. Stromübersetzungsverhältnisses eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einem oder mehreren aktiven Schaltern, aus einer oder mehreren Dioden, aus keinem, einem oder mehreren Kondensatoren, aus mindestens einer Spule, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule des Gleichspannungswandlers durch zwei auf einem Magnetkern aufgebrachte Wicklungen (N1, N2) ersetzt ist, deren erste Wicklung (N1) die ursprüngliche Spule ersetzt und die zweite Wicklung (N2) an einen spannungsbidirektionalen Schalter (S2 & S3) mit potentialfreier Ansteuerung geschaltet ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der parallele spannungsbidirektionale Schalter (S2 & S3) 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.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 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 wird.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der zweiten Wicklung (N2) an Masse geschaltet ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wirkmäBig parallel zu den elektronischen Schaltern (S1, S2 & S3) Entlastungsnetzwerke oder Spannungsbegrenzervorrichtungen geschaltet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen