AT521287B1 - Tiefsetzsteller zur Erzeugung kleinerer Spannungen mit zusätzlichem Energiespeicher - Google Patents

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AT521287B1
AT521287B1 ATA137/2018A AT1372018A AT521287B1 AT 521287 B1 AT521287 B1 AT 521287B1 AT 1372018 A AT1372018 A AT 1372018A AT 521287 B1 AT521287 B1 AT 521287B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Ausgangsspannung an induktiven Lasten mit zusätzlichem elektrischem Zwischenspeicher, bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (S1, S2, S3), zwei Dioden (D1, D2), einem Kondensator (C1), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Uin) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (Uout) abgegriffen wird. Dabei gilt, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S 1) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung (EE) mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (C1) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (C1) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) und der Anode der zweiten Diode (D2) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3) an die Kathode der ersten Diode (D1) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (D1) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.

Description

Beschreibung
TIEFSETZSTELLER ZUR ERZEUGUNG KLEINERER SPANNUNGEN MIT ZUSÄTZLICHEM ENERGIESPEICHER
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Ausgangsspannung (UVou) für eine induktive Last (M) mit zusätzlichem kapazitivem Zwischenspeicher (C+), bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (S;, S2, Ss), zwei Dioden (D+-, D2), einem Kondensator (C+), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Un) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (U.ut) abgegriffen und einer an diese Klemmen angeschlossen induktiven Last (M).
[0002] Zweck dieses Tiefsetzers ist, bedingt durch einen zusätzlichen Energiespeicher, kurzfristig mehr Energie zur Verfügung zu stellen als die Eingangsquelle liefern kann. Dies kann z.B. für rasche Beschleunigung eines Motors oder bei stark schwankender Last von Bedeutung sein.
[0003] Aus der Patentliteratur sind weitere Konverter mit zusätzlichen Energiespeichern bekannt.
[0004] US 2017/0187283 A1 (VAIDYA VAIBHAV et all) zeigt einen Tiefsetzsteller aus zwei aktiven Schaltern, die als Halbbrücke geschaltet sind, dessen Spule mit einem weiteren Schalter überbrückt werden kann. Zusätzlich ist an den Mittelpunkt der Halbbrücke ein zusätzlicher Kondensator gegen Bezugspotential geschaltet. Die Ansteuerung der drei aktiven Schalter erfolgt über eine Steuereinheit, in die auch eine Logikschaltung zur Erfassung des Nulldurchgangs implementiert ist. Die Hauptzielrichtung ist dabei die Erfassung des Nulldurchgangs mittels mehrerer digital implementierter Konzepte um sie mittels eines CMOS-Prozesses zu realisieren. Durch den dritten Schalter kann der Strom in der Spule während des Freilaufs für eine gewisse Zeit annähernd konstant gehalten werden und sinkt nicht weiter ab.
[0005] US 20040066178 A1 (MIZOGUCHI TOMOMICH!I et all) zeigt einen Tiefsetzsteller aus zwei aktiven Schaltern, die als Halbbrücke geschaltet sind, dessen Konverterspule mit einem stromunidirektionalen Schalter in Serie mit einer Resonanzinduktivität überbrückt werden kann. Parallel zu den Schaltern der Halbbrücke sind Kondensatoren angeordnet, die ZVS (zero voltage switching) für die Halbbrücke ermöglichen. Beim Abschalten des oberen Transistors lädt sich der obere dieser Kondensatoren auf, während der untere entladen wird. Wenn die Diode des unteren Schalters einschaltet, endet dieser Vorgang. Nun kann der untere Transistor eingeschaltet werden. Der Strom in der Spule sinkt. Soll nun die Halbbrücke wieder umgeschaltet werden, so wird etwas davor der stromunidirektionale Hilfsschalter eingeschaltet und der Strom in der kleinen Resonanzspule nimmt zu. Schaltet man nun den unteren Transistor ab und ist der Strom in der Resonanzspule größer als der Spulenstrom, so werden die Kondensatoren der Halbbrücke umgeladen. Der Strom in der Resonanzspule sinkt dabei. Sind die Kondensatoren umgeladen, so kann der obere Transistor verlustfrei eingeschaltet werden. Der Strom in der Resonanzspule baut sich linear ab und wenn er null wird, hört der Strom im stromunidirektionalen Schalter auf zu fließen und dieser kann nun abgeschaltet werden. Der Strom in der Resonanzspule muss so groß werden, dass ausreichend Energie zu Verfügung steht, damit trotz des noch vorhandenen Spulenstroms durch die Konverterspule ausreichend Energie zur Umladung zur Verfügung steht. Man erkennt, dass die Schaltung umso besser funktioniert, je niedriger der Strom in der Konverterspule zum Zeitpunkt des Umschaltens der Halbbrücke ist. Der Hilfsschalter schaltet ein und aus bei Strom null (ZCS zero current switching). Es sei angemerkt, dass sich dieses Konzept auch auf andere Halbbrückenwandler anwenden lässt.
[0006] US 20100181946 A1 (OGASAWARA TERUMOTO) zeigt einen Konverter zur Versorgung eines Zwischenkreises für einen Frequenzumrichter. Dabei bilden die Schalter 103, 101 einen Tiefsetzsteller zur Versorgung des Kondensators 104 oder der als Energiespeicher vorgesehenen Batterie B1. Aus der Energie in B1 oder dem Kondensator 104 wird mittels des Hochsetzstellers, gebildet aus den Schaltern 101 und 102 der Zwischenkreiskondensator 105 versorgt. Die Eingangsspannung des Konverters muss auf jeden Fall kleiner als die Zwischenkreisspannung
sein, da sonst beim Einschalten des oberen Transistors 103 ein großer Ladestrom fließt. Vorteilhaft ist bei diesem Konzept, dass nur eine Spule benötigt wird und die Polarität der Zwischenkreisspannung gleich der der Eingangsquelle und der Batterie ist. Nachteilig ist jedoch, dass die Energie immer zweimal umgesetzt werden muss, von der Eingangsquelle zum Kondensator oder der Batterie und dann von dort zum Zwischenkreis. Auch muss die Stromrichtung umgepolt werden.
[0007] US 20170005563 A1 (AYYANAR RAJAPANDIAN) zeigt die gleiche Topologie wie die oben behandelte in US 20040066178 A1.
[0008] Zusammenfassend kann man sagen, dass zwar alle Schaltungen zusätzliche Energiespeicher enthalten, aber topologisch und auch funktionsmäßig sich von der gegenständlichen Erfindung deutlich unterscheiden.
[0009] Die Figuren zeigen die Grundschaltung des Konverters mit angeschlossener Gleichstrommaschine (Fig. 1) und mögliche Lasten (Fig. 2), die an den Konverter zwischen den Ausgangsklemmen (dort ergibt sich die Spannung U.) geschaltet werden können und eine verlustarme Realisierung einer möglichen Einschaltentlastung (Fig. 3). Weiters zeigt Fig. 4 den Konverter als Schaltnetzteil mit der Last entsprechend Fig. 2a.
[0010] Die Grundschaltung ist beispielhaft mit n-Kanal MOSFETs gezeichnet. Diese sollen die aktiven Schalter repräsentieren. Als Last ist die Ankerwicklung eines Motors beispielhaft gezeichnet. Als mögliche Lasten sind dargestellt: Fig. 2a Ausgang eines Schaltnetzteils mit LC Filter und ohmscher Last, Fig. 2b eine Gleichstrommaschine typischerweise permanent oder fremderregt, Fig. 2c Leuchtmittel beispielhaft lichtemittierende Dioden und Fig. 2d LEDs mit einer in Serie geschalteten Diode um ein rasches Abschalten zu gewährleisten, wenn diskontinuierlicher Betrieb oder Pulsbetrieb gefordert ist.
[0011] Die Konverterschaltung (Fig. 4) wird unter der Annahme einer Last gemäß Fig. 2a (Schaltnetzteil) im eingeschwungenen Zustand beschrieben. Weiters ist vorausgesetzt, dass der Kondensator C+, so groß ist, dass sich die Spannung an ihm während eines Konverterschaltzykluses praktisch nicht ändert und dass er z.B. auf Un/2 aufgeladen ist. Die Bauteile werden als ideal angesehen.
[0012] Folgende vier Zustände weist der Konverter auf:
* Mode 1: S; AS, AS3 > „echtes Treiben“
* Mode 2: S; AS, AS3 > „reduziertes Treiben“ * Mode 3: S, AS, AS3 > „reduzierter Freilauf“ + Mode 4: S; AS, AS3 > „Freilauf“
[0013] Im Mode 1 sind S+; und S, leitend und S; ist gesperrt. Damit liegt die Spannung Un weniger U2 an der Spule L+. Diese Spannung ist positiv, daher nimmt der Strom in der Spule zu.
[0014] Um aus diesem Treibzustand mit der vollen Eingangsspannung in den Freilauf zu kommen, muss zuerst der Schalter Ss eingeschaltet werden. Damit bleibt der Stromfluss gleich. Werden jedoch nun S+; und S,» ausgeschaltet, dann kann ein Freilauf über D+, Sa, D, stattfinden (Mode 4). Die Spannung an der Spule L+; ist nun die negative Ausgangsspannung U.u, der Strom nimmt daher ab.
[0015] Schaltet man nun wieder S, ein, so kommt es zu einem reduzierten Freilauf. Der Strom der Lastinduktivität (L; oder die Motorwicklung) kommutiert nun von der Diode D, in den Kondensator C+. Der Strom fließt entgegen der Spannungsrichtung und entlädt daher den Kondensator C-. Energie wird aus dem Kondensator in den Ausgang übertragen (Mode 3). Die Spannung an der Spule L+ ist nun die Kondensatorspannung reduziert um die Spannung U» (oder der Quellspannung der Maschine). Der Strom nimmt ab, wenn die Spannung negativ ist (U2>Uc+) und er nimmt zu, wenn die Spannung positiv ist (Us2/6
schaltet werden. Der Spulenstrom kommutiert damit in S+ und lädt nun wieder C, nach (Mode 2). Anschließend kann wieder in den Mode 1 gewechselt werden, indem man S,; wieder einschaltet.
[0016] Die Einschaltdauer von Mode 2 und 3 muss so gestaltet werden, dass die Spannung am Kondensator C; im eingeschwungenen Betrieb konstant bleibt.
[0017] Da die Kommutierung vom Freilauf in die Treibphase die Gefahr eines Kurzschlusses der Eingangsspannung über C+ mit sich bringt, muss in Serie zu S+ eine Einschaltentlastung vorgesehen werden, am besten eine ohne prinzipbedingte Verluste (z.B. gemäß AT 505 534 B1). Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Schaltet der aktive Schalter S+; ein, so wird der Stromanstieg durch die Spule L: begrenzt. Damit ist der Einschaltvorgang verlustarm. Schaltet S+ aus, so kommutiert der Strom in die Diode Dez: und lädt den Kondensator C:. Wenn der Strom in L£ null geworden ist, ist die Energie der Spule L: in den Kondensator Ce: übergegangen (reduziert um die Verluste durch die nicht idealen Bauelemente). Die Diode De schaltet aus und verhindert ein Rückschwingen. Ce wird nun durch Einschalten von Se: resonant über die Diode Dez» und die Spule La resonant entladen. Wenn die Spannung an C: null erreicht, wird Se abgeschaltet. Die Energie des Kondensators ist jetzt (verringert um Verluste) in Form von magnetischer Energie in der Spule La gespeichert. Der Strom wird nun in die Eingangsquelle Uin gespeist (Freilauf über Dr). Wenn der Strom null erreicht, schaltet die Diode Dr ab. Auf diese Weise kann man einen großen Teil der Energie von Le in die Quelle zurückspeisen. Natürlich kann man auch andere Einschaltentlastungen benutzen, z.B. auch solche, die die Energie von L: in Wärme umsetzen.
[0018] Um die Überspannung an den Schaltelementen, verursacht durch die Zuleitungsinduktivität, zu vermeiden, wird man zwischen die Eingangsklemmen (1,2) eine zweite Kapazität Cin (kann auch aus mehreren Kondensatoren gebildet sein) schalten.
[0019] Bei größeren Leistungen kann es auch sinnvoll sein, zur Reduktion von elektromagnetischen Störungen oder zur Reduktion der Schaltverluste Ausschaltentlastungen für die aktiven Schalter zu verwenden.
[0020] Die Aufgabe einen Tiefsetzsteller mit zusätzlichem Energiespeicher zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S;) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung (EE) mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+1) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (C+) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (C+) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) und der Anode der zweiten Diode (D>) verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D»2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) an die Kathode der ersten Diode (D+) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (D+) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.
[0021] Weiters ist es sinnvoll, dass die fakultative, aber sehr sinnvolle Einschaltentlastung (EE) durch eine Einschaltentlastung ohne prinzipbedingte Verluste realisiert ist und dass zwischen den Eingangsklemmen (1,2) ein weiterer Kondensator (Cin) geschaltet ist, um Uberspannungen zu vermeiden.

Claims (3)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Reduzierung der Ausgangsspannung (Uo.u) für eine induktive Last (M) mit zusätzlichem kapazitivem Zwischenspeicher (C+1), bestehend aus drei aktiven Schaltern mit Ansteuerung (S:, S>, Ss), zwei Dioden (D+, D»), einem Kondensator (C.), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (U) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Ausgangsspannung (U.u) abgegriffen und einer an diesen Klemmen angeschlossen induktiven Last (M), dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) direkt oder über eine Einschaltentlastungsvorrichtung (EE) mit der positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und dem positiven Anschluss des Kondensators (C+) verschaltet ist, der negative Anschluss des Kondensators (C+) mit dem negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) und der Anode der zweiten Diode (D>») verschaltet ist, die Kathode der zweiten Diode (D»2) mit dem negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S»2) und mit der positiven Ausgangsklemme (3) verschaltet ist, der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) an die Kathode der ersten Diode (D+) geschaltet ist und die Anode der ersten Diode (D+) mit der negativen Eingangsklemme (2) und der negativen Ausgangsklemme (4) verschaltet ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltentlastung durch eine Einschaltentlastung ohne prinzipbedingte Verluste realisiert ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangsklemmen (1,2) ein weiterer Kondensator (Cin) geschaltet ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATA137/2018A 2018-05-14 2018-05-14 Tiefsetzsteller zur Erzeugung kleinerer Spannungen mit zusätzlichem Energiespeicher AT521287B1 (de)

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Citations (4)

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