AT522311B1 - Hoch-Tiefsetzsteller mit großer Spannungsübersetzung - Google Patents

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AT522311B1
AT522311B1 ATA242/2019A AT2422019A AT522311B1 AT 522311 B1 AT522311 B1 AT 522311B1 AT 2422019 A AT2422019 A AT 2422019A AT 522311 B1 AT522311 B1 AT 522311B1
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Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
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Fachhochschule Technikum Wien
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U1) und einer ersten positiven (3) und einer zweiten negativen Ausgangsklemme ( 4), zwischen denen die zweite Spannung (U2) oder die Last angeschlossen ist, einem ersten (S1), einem zweiten (S2) und einem dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (D1), einer zweiten (D2), einer dritten (D3) und einer vierten (D4) Diode, drei Kondensatoren (C1, C2, C3) und drei Spulen (L1, L2, L3). Durch die spezielle Verschaltung entsteht ein sehr hohes Spannungsübersetzungsverhältnis. Der Konverter eignet sich auch als Ansteuerschaltung für eine Gleichstrommaschine, aber auch zur Versorgung von Leuchtmitteln und ähnlichem.

Description

Beschreibung
HOCH-TIEFSETZSTELLER MIT GROßER SPANNUNGSÜBERSETZUNG
[0001] Die Erfindung betrifft einen Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U) und einer ersten positiven (3) und einer zweiten negativen Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U) oder die Last angeschlossen ist, einem ersten (S+), einem zweiten (S2) und einem dritten (S3) aktiven Schalter, einer ersten (D+), einer zweiten (D>), einer dritten (Ds) und einer vierten (D4) Diode, drei Kondensatoren (C+, C2, Cs) und drei Spulen (L4, L2, L3).
[0002] Der Konverter (Fig. 1) besteht aus zwei Stufen. Die erste Stufe ist ein invertierender BuckBoost Konverter, die zweite Stufe ist eine Schaltung, die im kontinuierlichen Betrieb eine negative Eingangsspannung mit dem Faktor
1 d,(1 — d;) in eine positive verwandelt. Dabei ist der Faktor d» das Tastverhältnis bezogen auf den Schalter
S2. Bezeichnet man mit d; das Tastverhältnis von S+, so ergibt sich eine Spannungsübersetzung vom Ausgang zum Eingang von
U,» _ dr 1 Ur (1-d;) d,(1-dz,) i
[0003] Man erkennt, dass die zweite Stufe deren Eingangsspannung mindestens vervierfacht. Die Herleitung dieser Formel ist einfach. Der erste Teil ist die klassische Formel eines BuckBoost Konverters, den zweiten Teil kann man aus dem Spannungs-Zeit Gleichgewicht der Spannungen an den Spulen im eingeschwungenen Zustand im kontinuierlichen Betrieb bestimmen. Für die zweite Spule L; gilt
U,d, = |Uc1 - Uc21C1 - d,).
[0004] Die Spannung Uc: ist das Ergebnis der ersten Stufe. Aus der obigen Formel kann man Uc2 bestimmen. Für L3 ergibt sich
|-U, + Ue2|d, = Ue2(1—d,).
[0005] Der zweite Teil des Konverters kann nicht unabhängig betrieben werden, weil man keinen Soft-start realisieren kann. Der erste Teil des Konverters ermöglicht das definierte Hochfahren der Schaltung.
[0006] Die Figuren stellen zuerst den Konverter (Fig. 1) und den Hochfahrvorgang dar (Fig. 2). Fig. 3 und Fig. 4 zeigen das Spannungsübersetzungsverhältnis der zweiten Stufe in Abhängigkeit des Tastverhältnis d» und des gesamten Konverters in Abhängigkeit des Tastverhältnisses d: bei einem konstanten Tastverhältnis der zweiten Stufe d» von 50%.
[0007] Der Konverter Fig. 1, beispielhaft mit selbstsperrendem n-Kanal MOSFETs gezeichnet, besteht aus einem invertierenden Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus S;, L1, D+, Ci, und der invertierenden hochsetzenden Stufe, bestehend aus S>, Sa, D2, Da, Da, C2, Ca. Natürlich kann man die Schaltung auch mit IGBTs (für größere Leistungen) oder anderen aktiven Schaltern realisieren. Neuerdings sind besonders aktive Schalter auf GaN und SiC Technologie interessant.
[0008] Fig. 2 zeigt beispielhaft den Hochlaufvorgang einer solchen Schaltung. Das Tastverhältnis d+ steigt innerhalb von 15 ms von 0 auf 50%, das Tastverhältnis der zweiten Stufe ist fix auf ca. 50% gestellt. Je langsamer man diesen Hochlauf durchführt, umso geringer ist das Uberschwingen. Das Bild zeigt von oben nach unten die Ausgangspannung der Schaltung, die Eingangsspannung und die Spannung an C+:, also die Ausgangsspannung des invertierenden Buck-Boost Konverters, die gleichzeitig die Eingangsspannung der zweiten Stufe ist.
[0009] Als Lasten eignen sich neben diversen ohmschen Verbrauchern auch Gleichstrommaschinen im Einquadrantenbetrieb.
[0010] Die Aufgabe einen Hoch-Tiefsetzsteller mit großer Spannungsübersetzung zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die erste Eingangsklemme (1) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) geschaltet ist und an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+;) der erste Anschluss der ersten Spule (L;) und die Kathode der ersten Diode (D+) geschaltet ist, und an die Anode der ersten Diode (D+;) der negative Anschluss des ersten Kondensators (C+) und der erste Anschluss der zweite Spule (L2) geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L>) der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S>), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und der negative Anschluss des dritten Schalters (Ss) geschalten sind, und an den positiven Anschluss des zweiten Kondensators (C2) die Kathode der zweiten Diode (D2) und ein Anschluss der dritten Spule (L3) geschaltet sind, und an den positiven Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) die Kathode der dritten Diode (Ds) geschaltet ist und an die Anode der dritten Diode (Ds) der zweite Anschluss der dritten Spule (L3) und die Anode der vierten Diode (D«) geschaltet sind, und an die Kathode der vierten Diode (Da) der positive Anschluss des dritten Kondensators (C3) und die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und die negative Ausgangsklemme (4), der negative Anschluss des dritten Kondensators (Cs), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S>), der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+), der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) und die negative Eingangsklemme (2) verbunden sind.
[0011] Dabei ist es sinnvoll, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (C;) geschaltet ist und der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) abwechseln ein- und ausgeschaltet werden (push-pull Betrieb).
[0012] Sinnvoll ist es weiters, dass der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) mit konstantem Tastverhältnis getaktet werden und die Regelung oder Steuerung der Schaltung über das Tastverhältnis des ersten aktiven Schalters erfolgt.
[0013] Als Last kann neben anderen Verbrauchern, wie Versorgung von Elektronikbaugruppen, Leuchtmitteln, auch eine Gleichstrommaschine angeschlossen werden.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Hoch-Tiefsetzsteller bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U+) und einer ersten positiven (3) und einer zweiten negativen Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U) oder die Last angeschlossen ist, einem ersten (S+;), einem zweiten (S2) und einem dritten (Ss) aktiven Schalter, einer ersten (D+), einer zweiten (D>»), einer dritten (Ds) und einer vierten (Da) Diode, drei Kondensatoren (C1, C2, Cs) und drei Spulen (L4, L,, L3), dadurch gekennzeichnet, dass an die erste Eingangsklemme (1) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) geschaltet ist und an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+;) der erste Anschluss der ersten Spule (L+) und die Kathode der ersten Diode (D+) geschaltet ist, und an die Anode der ersten Diode (D+) der negative Anschluss des ersten Kondensators (C+) und der erste Anschluss der zweite Spule (L>) geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S»), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C») und der negative Anschluss des dritten Schalters (Ss) geschalten sind, und an den positiven Anschluss des zweiten Kondensators (C2) die Kathode der zweiten Diode (D2) und ein Anschluss der dritten Spule (L3) geschaltet sind, und an den positiven Anschluss des dritten aktiven Schalters (Ss) die Kathode der dritten Diode (Ds) geschaltet ist und an die Anode der dritten Diode (D3) der zweite Anschluss der dritten Spule (L3) und die Anode der vierten Diode (Da) geschaltet sind, und an die Kathode der vierten Diode (D«) der positive Anschluss des dritten Kondensators (Cs) und die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und die negative Ausgangsklemme (4), der negative Anschluss des dritten Kondensators (C3), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S»), der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+), der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) und die negative Eingangsklemme (2) verbunden sind.
2. Hoch-Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (C+) geschaltet ist.
3. Hoch-Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) abwechseln ein- und ausgeschaltet werden.
4. Hoch-Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) mit konstantem Tastverhältnis getaktet werden und die Regelung oder Steuerung der Schaltung über das Tastverhältnis des ersten aktiven Schalters erfolgt.
5. Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Last eine Gleichstrommaschine angeschlossen ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATA242/2019A 2019-07-02 2019-07-02 Hoch-Tiefsetzsteller mit großer Spannungsübersetzung AT522311B1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110089917A1 (en) * 2009-10-20 2011-04-21 Ke-Horng Chen Inductive conversion device and energy control method
US20140117867A1 (en) * 2011-06-10 2014-05-01 Koninklijke Philips N.V. Driver device and driving method for driving a load, in particular an led unit
AT517341B1 (de) * 2015-06-15 2017-01-15 Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix Transformatorloser Hochsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis

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AT517341B1 (de) * 2015-06-15 2017-01-15 Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix Transformatorloser Hochsetzsteller mit hohem Spannungsübersetzungsverhältnis

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