AT521411A1 - Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Übersetzungsverhältnis - Google Patents

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AT521411A1 ATA185/2018A AT1852018A AT521411A1 AT 521411 A1 AT521411 A1 AT 521411A1 AT 1852018 A AT1852018 A AT 1852018A AT 521411 A1 AT521411 A1 AT 521411A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2) Klemme, zwischen denen die erste Spannung (U t) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme, zwischen denen die zweite Spannung (U2) angeschlossen vier strombidirektionalen Schaltern (S1, S1, S2, S2) einer ersten und einer zweiten Spule (L1, L2) und einem Kondensator (C1). Die Transistoren sind in Serie geschaltet und können zu je zwei Halbbrücken bestehend aus (S1) und (S1 ) bzw. (S2) und (S2 ) zusammengefasst werden. Das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis beträgt

Description

Zusammenfassung und können zu je zwei Halbbrücken bestehend aus (Sj) und (Sj ) bzw. (S, 2) und (Sj ) zusammengefasst werden. Das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis beträgt M = ^ = 2^U, (1-dY (Fig- 1)
PI 18/fh/20180622/0625 / 14
Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Übersetzungsverhältnis
Die Erfindung betrifft Konverter, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2) Klemme, zwischen denen die erste Spannung (Ui) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme zwischen denen die zweite Spannung (U2) angeschlossen ist, vier strombidirektionalen Schaltern (Sj, , S2, S2), einer ersten und einer zweiten Spule (Li, L2) und einem Kondensator (Ci).
Die Schaltung besteht aus vier strombidirektionalen Schaltern (aktive Schalter mit antiparallel liegenden passiven Schaltern; realisiert beispielhaft durch IGBTs mit antiparalleler Diode), die in Serie geschaltet sind. Eingangs- Ui und Ausgangsspannung U2 sollte durch eine Eingangs- Ct und eine Ausgangskapazität Co gepuffert werden. Die Kapazitäten können dabei aus einzelnen Kondensatoren oder aus Serien- und/oder Parallelschaltungen von Kondensatoren gebildet werden. Man benötigt weiterhin noch eine Kapazität Ci und zwei Induktivitäten Li, L2.
Die Figuren zeigen den Aufbau des Leistungsteils und das Prinzip der Ansteuerung der Transistoren. Fig. 1 zeigt den Konverter beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet und Fig. 2 beispielhaft mit IGBTs. Fig. 3 skizziert den Aufbau der Ansteuerung mit einem Vollbrückentreiber und Fig. 4 mit zwei Halbbrückentreibem.
Die Ansteuerung der aktiven Schalter wird auf den Schaltpunkt A bezogen. Es werden dabei immer gleichzeitig Sj und S2 eingeschaltet bzw. und S2. Schaltungstechnisch kann dies durch einzelne Treiber erfolgen (z.B. Optotreiber) oder durch je zwei Halbbrückentreiber (8), die jeweils invertiert (erfolgt durch einen Inverter (9)) angesteuert werden oder durch einen Vollbrückentreiber (6). Da die negative Eingangs- (2) und die negative Ausgangsklemme (4) miteinander verbunden sind, wird daher diese Verbindung meist der Bezugspunkt der Schaltung sein. Daher wird die Steuerelektronik sich auf diesen Punkt beziehen. Das Steuersignal 6 für den Leistungsteil muss daher potentialgetrennt (mittels Potentialtrennstufe (5)) den Treiberstufen zugeführt werden. Die Steuersignale für die aktiven Schalter sind giL bezogen auf A für Sj , giH bezogen auf den Verbindungspunkt zwischen Si und Sj für Si, g2L bezogen auf A für S2 und g2H bezogen auf den Verbindungspunkt zwischen S2 und S2 für S2. Die Hilfsversorgung Uh für die Treiberstufen wird durch einen potentialgetrennten DC/DC
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Wandler (7) erzeugt (z.B. aus der Versorgung für die restliche Steuerelektronik oder aus der
Eingangsspannung oder aus der Ausgangsspannung) (UIN).
Die Funktion des Konverters ist einfach dargestellt unter der Voraussetzung idealer Bauelemente, im eingeschwungenen Betrieb, bei kontinuierlichem Strom durch die Spulen und so großen Kondensatoren, dass sich die Spannung an ihnen innerhalb einer Taktperiode nicht ändert. Mit dem Tastverhältnis d (Einschaltzeit von SI und S2 bezogen auf die Taktperiode) kann man für die Induktivitäten das Spannungs-Zeit-Gleichgewicht anschreiben. Es gilt für die erste Spule Li
Uld = Ucx(l-d) U“-U'F und für L2 (V, = (CZcl
Damit ergibt sich u2=ux
Es ergibt sich daher für das Spannungsübersetzungsverhältnis
Fi
Der Konverter ist ein Hochtiefsetzsteller mit besonders großer Hochsetzwirkung. Die Schaltung ist bidirektional, d.h. sie eignet sich für einen Energietransfer von Ui nach U2 und umgekehrt. Die Zählpfeile sind für eine Energieflussrichtung von Ui nach U2 gezeichnet.
Der Konverter eignet sich als bidirektionales Netzteil, als Lade- und Entladevorrichtung für Batterien, Akkumulatoren, Superkapazitäten, als Zweiquadrantenantrieb für einen DC Motor oder induktiven Aktuator und zur Kopplung von zwei stark unterschiedlichen Gleichspannungsnetzen.
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Durch Parallelschalten von Kondensatoren zu den aktiven Schaltern kann Schalten bei
Nullspannung ermöglicht werden und so die Schaltverluste vermieden werden. Der Konverter kann im kontinuierlichen und im diskontinuierlichen Mode betrieben werden.
Die Aufgabe eine bidirektionalen Hoch-Tiefsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass an die erste positive (1) Klemme der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (5i) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (5i) der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (St) und je ein Anschluss der ersten (Li) und der zweiten (L2) Spule geschaltet sind, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S,) der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (¾) und der negative Anschluss des Kondensators (Ci) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S2) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S2) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (Ä ) die zweite positive Klemme (3) geschaltet ist und an die Verbindung von erster (2) und zweiter (4) negativer Klemme der zweite Anschluss der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss des Kondensators (C1) geschaltet sind.
Dabei ist sinnvoll, dass zwischen der ersten positiven (1) und der ersten negativen (2) Klemme und zwischen der zweiten positiven (3) und der zweiten negativen (4) Klemme je ein Kondensator (Ci, Co) geschaltet ist.
Zur Verringerung parasitärer Induktivtäten ist es vorteilhaft, dass der erste (Si) und der zweite strombidirektionale Schalter (5,), ebenso wie der dritte (¾) und der vierte strombidirektionale Schalter (S2) als Halbbrückenmodul ausgefuhrt sind.
Eine Vereinfachung der Ansteuerung wird dadurch erzielt, dass die vier strombidirektionalen Schalter (Si, , S2, S2) durch zwei Halbbrückentreiber (8) oder einen Vollbrückentreiber (6) angesteuert sind.
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Um es zu ermöglichen, dass die Transistoren bei Spannung null geschaltet werde, ist es sinnvoll dass, parallel zu den vier strombidirektionalen Schaltern (5i, , S2, S2) je ein
Kondensator geschaltet ist.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    1. Konverter, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer ersten negativen (2)
    Klemme, zwischen denen die erste Spannung (Ui) und einer zweiten positiven (3) und einer zweiten negativen (4) Klemme zwischen denen die zweite Spannung (U2) angeschlossen ist, vier strombidirektionalen Schaltern (5i, , S2, S2 ), einer ersten und einer zweiten Spule (Lb L2) und einem Kondensator (C,) dadurch gekennzeichnet, dass an die erste positive (1) Klemme der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (Ni) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (5i) der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (Sj) und je ein Anschluss der ersten (L|) und der zweiten (L2) Spule geschaltet sind, an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S\ ) der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S2) und der negative Anschluss des Kondensators (Ci) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S2) der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S2 ) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S2) die zweite positive Klemme (3) geschaltet ist und an die Verbindung von erster (2) und zweiter (4) negativer Klemme der zweite Anschluss der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss des Kondensators (C0 geschaltet sind.
  2. 2. Konverter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten positiven (1) und der ersten negativen (2) Klemme und zwischen der zweiten positiven (3) und der zweiten negativen (4) Klemme je ein Kondensator (Cj, Co) geschaltet ist.
  3. 3. Konverter gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Si) und der zweite strombidirektionale Schalter (), ebenso wie der dritte (S2) und der vierte strombidirektionale Schalter (S2) als Halbbrückenmodul ausgefuhrt sind.
  4. 4. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die vier strombidirektionalen Schalter (5b ή , S2, S2) durch zwei Halbbrückentreiber (8) oder einen Vollbrückentreiber (6) angesteuert sind.
    PI 18/fh/20180622/0625
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  5. 5. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den vier strombidirektionalen Schaltern (5b , S2, S2 ) je ein Kondensator zur Ermöglichung des Schaltens bei Spannung null geschaltet sind.
    PI 18/fhZ20180622/0625
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1689069A2 (de) * 2005-02-08 2006-08-09 Linear Technology Corporation Frequenzvariable Stromregelung für geschaltete Hoch- Tiefsetzsteller
US20070085519A1 (en) * 2005-10-14 2007-04-19 Monolithic Power Systems, Inc. Switching regulator with automatic multi mode conversion
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