AT522723B1 - Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U1) oder die Last und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U2) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (S1, S1H, S2, S2H) mit parallelgeschalteten Dioden (D1, D1H, D2, D2H), zwei Spulen (L1, L2) und zwei Kondensatoren (C1, C2). Durch die gegenständliche Verschaltung wird ein sehr hohes Spannungsübersetzungsverhältnis erzielt. Die Schaltung eignet sich durch die Bidirektionalität besonders zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten, in Smart Grids, aber auch zum Ansteuern von Gleichstrommaschinen.
Description
BIDIREKTIONALER HOCHTIEFSETZSTELLER
[0001] Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U+) oder die Last, und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U>) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (S;, Sıy, S2, Say) mit parallelgeschalteten Dioden (D:, Di4, D>, Day), zwei Spulen (L+, L2) und zwei Kondensatoren (C:, C>).
[0002] Fig. 1 stellt die Grundstruktur des bidirektionalen Hochtiefsetzstellers, beispielhaft mit IGBTs gezeichnet, dar. Fig. 2 zeigt die vereinfachte Schaltung (S+4, Sz4 sperren) für einen Energiefluss von der Eingangsseite (Klemmen 1, 2) zur Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) und Fig. 3 zeigt die vereinfachte Schaltung (S+, S2 sperren) für einen Energiefluss von der Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) zur Eingangsseite (Klemmen 1, 2). Fig. 4 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis vom Ausgang zum Eingang und Fig. 5 für die umgekehrte Energieflussrichtung.
[0003] Aus der Patentliteratur sind verschiedene bidirektionale Hochtiefsetzsteller bekannt, die den weiteren Stand der Technik zeigen.
[0004] In AT 408293 B werden Schaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen gezeigt, dabei werden zwei komplementär angesteuerte strombidirektionale Schalter verwendet.
[0005] TW 201414161 A zeigt einen bidirektionalen Buck-Boost Konverter mit weichem Schalten. Hier werden zwei Serienschaltungen von je zwei strombidirektionalen Schaltern verwendet. Der topologische Aufbau unterscheidet sich jedoch deutlich von der gegenständlichen Erfindung.
[0006] CN 104578773 A zeigt DC/DC Konverter für weiches Schalten, bei dem drei zusätzliche strombidirektionale Schalter, zusätzlich zu den zweien, die für den Hauptstrom benötigt werden, zum Erzielen des verlustlosen Schaltens verwendet werden. Die dahinter liegende Schaltungsstruktur ist ein Tiefsetzsteller.
[0007] US 2007279955 A1 zeigt ein brückenloses Leistungsfaktorkorrekturfilter (bridgeless PFC), das aus der Netzwechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, wobei der dem Netz entnommene Strom in Form und in Phase mit der Netzspannung ist. Die beiden aktiven strombidirektionalen Schalter sind dabei antiseriell geschaltet. Das Dokument zeigt auch weitere Lösungen zur Realisierung, aber auch diese unterscheiden sich deutlich von der gegenständlichen Erfindung.
[0008] Die Funktion der Schaltung soll für einen Energiefluss von der Eingangsseite (Klemmen 1, 2) zur Ausgangsseite (Klemmen 3, 4) beschrieben werden. Dabei werden ideale Bauteile, kontinuierlicher Betrieb, eingeschwungener Zustand und ausreichend große Kondensatoren, sodass sich die Spannung an ihnen während einer Taktperiode praktisch nicht ändert, vorausgesetzt. Die Schaltung hat dann zwei Moden:
[0009] - M1: beide aktive Schalter sind eingeschaltet, die Dioden sperren [0010] - M2: beide aktive Schalter sind ausgeschaltet, die Dioden leiten [0011] Für das Spannungszeitgleichgewicht an L: gilt
U,d = |U, — Uc11(1— d) und für die zweite Spule L2 kann man schreiben
(U, + Ue1)d = U„(1 —d). [0012] Damit ergibt sich für die Ausgangsspannung
_d(2-—d) 2 (1 — d)? 1
[0013] Die Schaltung bildet einen Hochtiefsetzsteller mit sehr starker Hochsetzfunktion (vgl. Fig. 4).
[0014] Wenn der Energietransfer von der Ausgangsseite (Klemmen 3 und 4) erfolgt, kann man das Spannungsübersetzungsverhältnis zu
d? “1ı-d? bestimmen. Fig. 5 zeigt dies graphisch.
M
[0015] Bei IGBTs wird es sinnvoll sein, nur jeweils je nach der Energieflussrichtung ein Transistorpaar zu verwenden, da Dioden geringere Flussspannungen haben als der IGBT. Bei kleineren Betriebsspannungen und bei der Verwendung von MOSFETs wird man synchrone Gleichrichtung verwenden um die Durchlassverluste zu verringern. Schaltverluste können durch Paralleischalten von kleinen Kondensatoren zu den Transistoren der Halbbrücken und der entsprechenden Ansteuerung reduziert oder nahezu beseitigt werden. Dazu benötigt man aber alle vier aktiven Schalter.
[0016] Wird hartes Schalten verwendet, so muss man nur immer beide aktive Schalter gleichzeitig ein- und ausschalten und zwar je nach der erforderlichen Energieflussrichtung entweder S-+, S2 oder Sıiy und Say.
[0017] Verwendet man Schalten bei Spannung null (ZVS) muss der Stromfluss in der Entmagnetisierungsphase der Spulen leicht umdrehen können um die parallel neben den aktiven Schaltern liegenden Entlastungskondensatoren umladen zu können, damit man wieder ohne Schaltverluste in den Mode M1 schalten kann.
[0018] Die Schaltung eignet sich durch die Bidirektionalität besonders zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten, in Smart Grids, aber auch zum Ansteuern von Gleichstrommaschinen.
[0019] Die Aufgabe einen bidirektionalen Hochtiefsetzsteller zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die erste positive Eingangsklemme (1) der erste Anschluss der ersten Spule (L+), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und die Kathode der zweiten Diode (D») geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L+) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+), die Kathode der ersten Diode (D+) und der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) die Anode der zweiten Diode (D»), die Kathode der vierten Diode (D24), der positive Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2-) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2-) die Anode der vierten Diode (D24), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C»2) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (Sm) die Anode der dritten Diode (Dm1), der negative Anschluss des ersten Kondensators (C+) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, und die positive Ausgangsklemme (4), der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C2), die Kathode der dritten Diode (DH), der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S4) und die negative Eingangsklemme (2) miteinander verbunden sind.
[0020] Zur Kompensation der Zuleitungsinduktivität wird zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet.
[0021] Aus praktischen Gründen ist es sinnvoll, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
[0022] Zur Verringerung der parasitären Induktivitäten ist es empfehlenswert, dass der erste (S;) und der dritte aktive Schalter (S11H) und die zugehörige erste (D+) und dritte Diode (S+44), und der zweite (S2) und der vierte aktive Schalter (S2-) und die zugehörige zweite (D2) und vierte Diode (San) In Form von Halbbrückenmodulen verschaltet sind.
[0023] Insbesondere bei Verwendung von IGBTs ist es zweckmäßig, dass bei Energieflussrich-
tung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste (S+) und der zweite aktive Schalter (S2) getaktet werden und der dritte (S4u) und der vierte aktive Schalter (S2H) gesperrt bleiben und ebenso, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der dritte (SH) und der vierte aktive Schalter (S2-) getaktet werden und der erste (S+) und der zweite aktive Schalter (S»2) gesperrt bleiben.
[0024] Bei Betrieb mit MOSFETs wird man um die Durchlassverluste zu verringern die Ansteuerung So gestalten, dass der erste (S+;) und der zweite aktive Schalter (S») gleichzeitig getaktet werden und der dritte (S+H4) und der vierte aktive Schalter (S2-) ebenfalls gleichzeitig jedoch invertiert getaktet werden.
[0025] Um auch die Schaltverluste gering zu halten wird man die Grundschaltung so erweitern, dass parallel zu den aktiven Schaltern (S+, Sz, Sın, SH) kleine Kondensatoren zur Schaltentlastung geschaltet sind.
[0026] Naheliegende Anwendung des bidirektionalen Hochtiefsetzstellers sind: Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten 0der als Zweiquadrantentreiberstufe für eine Gleichstrommaschine.
Claims (9)
1. Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven Eingangsklemme (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), zwischen denen die erste Spannung (U+) oder die Last und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), zwischen denen die zweite Spannung (U>2) oder die Last angeschlossen ist, vier aktiven Schaltern (S+, Sıy, S2, Say) mit parallelgeschalteten Dioden (D+, D44, D2, Don), zwei Spulen (L+, L2) und zwei Kondensatoren (C;, C2), dadurch gekennzeichnet, dass an die erste positive Eingangsklemme (1) der erste Anschluss der ersten Spule (L+4), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S») und die Kathode der zweiten Diode (D>») geschaltet sind, und an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L+) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+), die Kathode der ersten Diode (D+) und der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S>) die Anode der zweiten Diode (D»), die Kathode der vierten Diode (D24), der positive Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2-) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des vierten aktiven Schalters (S2-) die Anode der vierten Diode (D24), der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten aktiven Schalters (S+4) die Anode der dritten Diode (Dy1), der negative Anschluss des ersten Kondensators (C+) und der zweite Anschluss der zweiten Spule (L,>) geschaltet sind, und die positive Ausgangsklemme (4), der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C»), die Kathode der dritten Diode (DH1), der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) und die negative Eingangsklemme (2) miteinander verbunden sind.
2. Hochtiefsetzsteller gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet ist.
3. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
4. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S+) und der dritte aktive Schalter (S+4) und die zugehörige erste (D+4) und dritte Diode (D14-), und der zweite (S») und der vierte aktive Schalter (S24) und die zugehörige zweite (D»2) und vierte Diode (S2u) in Form von Halbbrückenmodulen verschaltet sind.
5. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste (S;) und der zweite aktive Schalter (S») getaktet werden und der dritte (S+44) und der vierte aktive Schalter (S2-) gesperrt bleiben.
6. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1,2) nur der dritte (S+4) und der vierte aktive Schalter (S2-) getaktet werden und der erste (S:) und der zweite aktive Schalter (S2) gesperrt bleiben.
7. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S+) und der zweite aktive Schalter (S>) gleichzeitig getaktet werden und der dritte (S1n) und der vierte aktive Schalter (S2n) ebenfalls gleichzeitig jedoch invertiert getaktet werden.
8. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den aktiven Schaltern (S+, S2, Sıy, Sau) kleine Kondensatoren zur Schaltentlastung geschaltet sind.
9. Hochtiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Akkumulatoren und Superkapazitäten oder als Zweiquadrantentreiberstufe für eine Gleichstrommaschine verwendet wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA245/2019A AT522723B1 (de) | 2019-07-04 | 2019-07-04 | Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT522723A1 AT522723A1 (de) | 2021-01-15 |
| AT522723B1 true AT522723B1 (de) | 2021-12-15 |
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ID=74125730
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ATA245/2019A AT522723B1 (de) | 2019-07-04 | 2019-07-04 | Bidirektionaler Hochtiefsetzsteller |
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| AT (1) | AT522723B1 (de) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT408293B (de) * | 1996-07-11 | 2001-10-25 | Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss | Schaltungen zur umformung von gleichspannungen in wechsel-, gleich- oder mischspannungen |
| US20070279955A1 (en) * | 2006-05-30 | 2007-12-06 | Delta Electronics, Inc. | Bridgeless pfc converter with low common-mode noise and high power density |
| TW201414161A (zh) * | 2012-09-19 | 2014-04-01 | Nat Univ Chin Yi Technology | 雙向升降壓軟開關式轉換器 |
| CN104578773A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-29 | 西安理工大学 | 一种用于双向dc/dc变换器的软开关电路及控制方法 |
-
2019
- 2019-07-04 AT ATA245/2019A patent/AT522723B1/de active
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| US20070279955A1 (en) * | 2006-05-30 | 2007-12-06 | Delta Electronics, Inc. | Bridgeless pfc converter with low common-mode noise and high power density |
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| AT522723A1 (de) | 2021-01-15 |
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