AT522725A1 - Motor driver - Google Patents

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AT522725A1
AT522725A1 ATA253/2019A AT2532019A AT522725A1 AT 522725 A1 AT522725 A1 AT 522725A1 AT 2532019 A AT2532019 A AT 2532019A AT 522725 A1 AT522725 A1 AT 522725A1
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Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
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Fachhochschule Technikum Wien
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    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motortreiberstufe, bestehend aus drei strombidirektionalen Schaltern (V1, V2, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (S1, S2, S3) und je einer antiparallelen Diode (D1, D2, D3), einem ersten (C 1) und einem zweiten Kondensator (C2), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist. Die Schaltung ermöglicht Zweiquadrantenbetrieb und hat ein sehr hohes Gleichspannungsübersetzungsverhalten.The invention relates to a motor driver stage, consisting of three current-bidirectional switches (V1, V2, V3), each consisting of an active switch (S1, S2, S3) and an anti-parallel diode (D1, D2, D3), a first (C 1 ) and a second capacitor (C2), a coil (L), a positive (1) and a negative input terminal (2) to which the input voltage is connected, a positive (3) and a negative output terminal (4) to which the machine (M) is switched on. The circuit enables two-quadrant operation and has a very high DC voltage ratio.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motortreiberstufe, bestehend aus drei strombidirektionalen Schaltern (Vi, V2, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (S,, S2, S3) und je einer antiparallelen Diode (Dj, D,, D3), einem ersten (Ci) und einem zweiten Kondensator (C-), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme The invention relates to a motor driver stage, consisting of three current-bidirectional switches (Vi, V2, V3), each consisting of an active switch (S ,, S2, S3) and an anti-parallel diode (Dj, D ,, D3), a first ( Ci) and a second capacitor (C-), a coil (L), a positive (1) and a negative input terminal (2) to which the input voltage is connected, a positive (3) and a negative output terminal

(4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist. (4) to which the machine (M) is connected.

Die hier dargestellte Motortreiberstufe eignet sich für alle Arten von Gleichstrommaschinen The motor driver stage shown here is suitable for all types of DC machines

besonders dann, wenn die Eingangsspannung stark hochgesetzt werden muss. especially when the input voltage has to be increased significantly.

Die Bilder zeigen das Grundkonzept der Motortreiberstufe (Fig. 1) wobei der erste aktive Schalter (Si) gegenüber Bezugspunkt der Versorgungsspannung (U) angesteuert wird. In Fig. 2 ist der erste aktive Schalter (S;) als high-side switch ausgeführt und an die positive Klemme (1) der Eingangsspannung (U) geschaltet. Fig. 3 zeigt vereinfacht nur die notwendigen Bauteile für das Treiben des Motors und Fig. 4 für den Bremsbetrieb. Fig. 5 zeigt eine mechanische Erweiterung für Vierquadrantenbetrieb. Die Schaltungen sind beispielhaft mit IGBTs gezeichnet. Bei kleinerer Leistung oder bei niedrigeren Spannungen ‚werden MOSFETSs eingesetzt. Die Treiberstufe eignet sich natürlich auch für andere schaltende Bauelemente und auch für Bauelemente mit neuerer Technologie wie GaN oder SiC. The pictures show the basic concept of the motor driver stage (Fig. 1), whereby the first active switch (Si) is activated with respect to the reference point of the supply voltage (U). In Fig. 2, the first active switch (S;) is designed as a high-side switch and connected to the positive terminal (1) of the input voltage (U). FIG. 3 shows, in simplified form, only the necessary components for driving the motor and FIG. 4 shows the braking operation. Fig. 5 shows a mechanical extension for four-quadrant operation. The circuits are drawn with IGBTs as an example. With lower power or lower voltages, MOSFETS are used. The driver stage is of course also suitable for other switching components and also for components with newer technology such as GaN or SiC.

Die Funktionsweise soll zunächst für die Treibphase erklärt werden. Der Energiefluss erfolgt von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) und von dort in die Maschine (M). Dazu genügt es grundsätzlich nur den ersten aktiven Schalter (S1;) zu takten. Wird dieser ausgeschaltet, so können der Spulenstrom und der Maschinenstrom in die zum zweiten (S,) und dritten aktiven Schalter (S;) parallel liegenden Dioden (D-,, D;3) The functionality should first be explained for the driving phase. The energy flows from the input terminals (1, 2) to the output terminals (3, 4) and from there to the machine (M). In principle, it is sufficient to only clock the first active switch (S1;). If this is switched off, the coil current and the machine current can flow into the diodes (D- ,, D; 3) lying parallel to the second (S,) and third active switch (S;)

kommutieren. commute.

Die Drehzahl der Maschine lässt sich mit der Spannungskonstante Ce, mit idealen Bauelementen, bei eingeschwungenem Betrieb, im kontinuierlichen Betrieb aus der Spannung an den induktiven Bauteilen berechnen. Diese müssen im Mittel null sein. Als Tastverhältnis d wird das Verhältnis von Einschaltzeit des ersten aktiven Schalters in Bezug auf die Taktperiode definiert. Die Spannung an den Kondensatoren wird in Bezug auf eine The speed of the machine can be calculated with the voltage constant Ce, with ideal components, in steady-state operation, in continuous operation from the voltage on the inductive components. These must be zero on average. The ratio of the switch-on time of the first active switch in relation to the clock period is defined as the duty cycle d. The voltage across the capacitors is relative to a

Taktperiode als konstant angenommen. Die stationäre Drehzahl no ergibt sich zu Clock period assumed to be constant. The stationary speed no results from

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9 = ——— U, . 9 CE 1-d 9 = ——— U,. 9 CE 1-d

Betrachtet man die Quellenspannung der Maschine, diese ist über die Spannungskonstante Cx direkt proportional zur Drehzahl, so erkennt man, dass die Spannung von null (Tastverhältnis null) auf das Sechsfache der Eingangsspannung bei einem Tastverhältnis von 75% gesteigert If you consider the source voltage of the machine, which is directly proportional to the speed via the voltage constant Cx, you can see that the voltage increases from zero (duty cycle zero) to six times the input voltage with a duty cycle of 75%

werden kann. can be.

Für den Bremsbetrieb in Fig. 4, dargestellt für die Abwandlung der Motortreiberstufe nach Fig. 2, kann der aktive Schalter (Si) immer gesperrt bleiben, der zweite (S,) und der dritte aktive Schalter (S3) werden gleichzeitig getaktet. Der Energiefluss kehrt so um, die For the braking operation in Fig. 4, shown for the modification of the motor driver stage according to Fig. 2, the active switch (Si) can always remain blocked, the second (S,) and the third active switch (S3) are clocked simultaneously. The flow of energy reverses that

Gleichstrommaschine geht in den generatorischen Betrieb. DC machine goes into generator mode.

Verwendet man MOSFETSs mit geringem Einschaltwiderstand, so ist der Spannungsabfall geringer als der der antiparallel liegenden Diode. Daher wird man, auch wenn es grundsätzlich nicht nötig ist, im Treibbetrieb (Motorbetrieb) nach Abschalten des ersten aktiven Schalters den zweiten (S;) und den dritten aktiven Schalter (S3) einschalten, um so die antiparallel liegenden Dioden zu überbrücken und die Durchlassverluste zu verringern. Ebenso wird man beim Bremsbetrieb nach Abschalten des zweiten (S2) und dritten aktiven Schalters (S3), den ersten aktiven Schalter (S;) einschalten und so die antiparallel liegende If you use MOSFETS with a low switch-on resistance, the voltage drop is lower than that of the anti-parallel diode. Therefore, even if it is not necessary in principle, in driving mode (motor mode) after switching off the first active switch, the second (S;) and the third active switch (S3) will be switched on in order to bridge the anti-parallel diodes and the conduction losses to reduce. Likewise, when braking, after the second (S2) and third active switch (S3) have been switched off, the first active switch (S;) will be switched on and thus the anti-parallel one

Diode Di) überbrücken. Bridge the diode Di).

Die Kondensatoren (Ci, C,) werden bei hohen Schaltfrequenzen relativ klein und können statt mit Elektrolytkondensatoren auch durch reine Folien- oder Keramikkondensatoren gebildet The capacitors (Ci, C,) become relatively small at high switching frequencies and can also be formed by pure film or ceramic capacitors instead of electrolytic capacitors

werden. will.

Die dargestellten Konverter können, wenn man den Motor mit Hilfe eines Wendeschützes umpolen kann, auch als Vierquadrantensteller verwendet werden. Dies zeigt Fig. 5. Die Maschine (M) ist in die Diagonale einer aus vier Schaltern bestehenden Brücke gelegt. Sind die Kontakte (Rı) und (R>,) geschlossen, so erhält man Rechtslauf. Für Linkslauf müssen (L1) und (L,) geschlossen sein. Natürlich könnte man an Stelle der Kontakte eines Wendeschützes If you can reverse the polarity of the motor with the help of a reversing contactor, the converters shown can also be used as four-quadrant controllers. This is shown in Fig. 5. The machine (M) is placed in the diagonal of a bridge consisting of four switches. If the contacts (Rı) and (R>,) are closed, clockwise rotation is obtained. For counter-clockwise rotation (L1) and (L,) must be closed. Of course, you could use a reversing contactor instead of the contacts

auch Halbleiterschalter verwenden. also use semiconductor switches.

Die Aufgabe eine Motortreiberstufe mit hoher Spannungsübersetzungsfunktion zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S,) der negative Anschluss des ersten Kondensators (Ci) und The object of realizing a motor driver stage with a high voltage step-up function is achieved according to the invention by connecting the negative connection of the first capacitor (Ci) and. To the positive connection of the second current-bidirectional switch (S,)

der erste Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des the first connection of the coil (L) are connected, and to the negative connection of the

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strombidirektionalen Schalters (S>) oder an die negative Eingangsklemme (2) geschaltet ist. bidirectional switch (S>) or to the negative input terminal (2).

Um die Zuleitungsinduktivität zu kompensieren wird zwischen der ersten (1) und der zweiten To compensate for the lead inductance, between the first (1) and the second

Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cj) geschaltet. Input terminal (2) a capacitor (Cj) connected.

Um die parasitären Induktivitäten klein zu halten, kann man die Serienschaltung des ersten (Vı) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (V,) oder die Serienschaltung des ersten (Vı) und des dritten strombidirektionalen Schalters (V3) in Form von Halbbrückenmodulen To keep the parasitic inductances small, the series connection of the first (Vı) and the second current-bidirectional switch (V,) or the series connection of the first (Vı) and the third current-bidirectional switch (V3) can be used in the form of half-bridge modules

verschalten. interconnect.

Bei großen Leistungen und relativ niedrigen Frequenzen wird man die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren At high powers and relatively low frequencies, the capacitors are replaced by electrolytic capacitors with parallel film or ceramic capacitors

realisieren. realize.

Bei kleinen Leistungen und relativ hohen Frequenzen wird man die Kondensatoren durch At low powers and relatively high frequencies, the capacitors will be used

Folien- oder Keramikkondensatoren realisieren. Realize foil or ceramic capacitors.

Bei Verwendung von aktiven Schaltern die eine höhere Flussspannung aufweisen als die parallel liegenden Dioden wird man bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur den ersten aktiven Schalter (Si) takten und den zweiten (S,) und den dritten aktiven Schalter (S3) gesperrt halten bzw. bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) getaktet werden und der erste aktive When using active switches that have a higher forward voltage than the diodes lying in parallel, only the first active switch (Si) and the second (S,) will be clocked in the direction of energy flow from the input terminals (1, 2) to the output terminals (3, 4). ) and keep the third active switch (S3) locked or, in the case of energy flow from the output terminals (3, 4) to the input terminals (1, 2), only the second (S2) and third active switch (S3) are clocked and the first active

Schalter (S1) gesperrt bleiben. Switch (S1) remain locked.

Bei aktiven Schaltern, die im eingeschaltetem Zustand ein ohmsches Verhalten aufweisen und With active switches that have an ohmic behavior when switched on and

einen geringeren Spannungsabfall erzeugen als die parallel liegenden Dioden, wird man den produce a lower voltage drop than the parallel diodes, one will use the

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Schalter (S) invertiert takten. Clock switch (S) inverted.

Um die Treiberstufe auch als Vierquadrantentreiber zu verwenden, wird der Motor (M) nicht direkt an die Ausgangsklemmen (3, 4) angeschlossen, sondern über die Kontakte eines In order to also use the driver stage as a four-quadrant driver, the motor (M) is not connected directly to the output terminals (3, 4), but via the contacts of a

Wendeschützes. Reversing contactors.

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Claims (10)

1. Motortreiberstufe aus drei strombidirektionalen Schaltern (Vı, Vo, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (Si, S2, S3) und je einer antiparallelen Diode (D1, D-,, D3), einem ersten (Ci) und einem zweiten Kondensator (C»), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S,) der negative Anschluss des ersten Kondensators (C,) und der erste Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S>) die negative Ausgangsklemme (4) und der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C,) geschaltet sind, und an den positiven Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalter (S3) der positive Anschluss des ersten Kondensators (C,) und die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C,) und der zweite Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (Si) an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist oder an die positive Eingangsklemme (1) positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1)geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (Si) an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S;) (2) geschaltet ist, der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3z) mit der negativen Eingangsklemme (2) verbunden ist. 1. Motor driver stage from three current-bidirectional switches (Vı, Vo, V3), each consisting of an active switch (Si, S2, S3) and an anti-parallel diode (D1, D- ,, D3), a first (Ci) and one second capacitor (C »), a coil (L), a positive (1) and a negative input terminal (2) to which the input voltage is connected, a positive (3) and a negative output terminal (4) to which the machine (M) is characterized in that the negative connection of the first capacitor (C,) and the first connection of the coil (L) are connected to the positive connection of the second current-bidirectional switch (S,), and to the negative connection of the second current-bidirectional switch (S>) the negative output terminal (4) and the negative connection of the second capacitor (C,) are connected, and to the positive connection of the third current-bidirectional switch (S3) the positive connection of the first capacitor (C,) and the positive Au output terminal (3), and the positive connection of the second capacitor (C,) and the second connection of the coil (L) are connected to the negative connection of the third current-bidirectional switch (S3), and the positive connection of the first current-bidirectional switch ( Si) is connected to the negative connection of the third current-bidirectional switch (S3), the positive connection of the second active switch (S2) is connected to the positive input terminal (1) or to the positive input terminal (1) positive connection of the first active switch (S1) is switched, the negative connection of the first current-bidirectional switch (Si) is connected to the positive connection of the second current-bidirectional switch (S;) (2), the negative connection of the third current-bidirectional switch (S3z) is connected to the negative input terminal (2) . 2. Motortreiberstufe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cj) geschaltet ist. 2. Motor driver stage according to claim 1, characterized in that a capacitor (Cj) is connected between the first (1) and the second input terminal (2). 3. Motortreiberstufe gemäß Anspruch loder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (Vi) und zweiten strombidirektionalen Schalters (V») in Form von Halbbrückenmodulen verschaltet ist. 3. Motor driver stage according to claim loder 2, characterized in that the series connection of the first (Vi) and second current-bidirectional switch (V ») is connected in the form of half-bridge modules. 4. Motortreiberstufe gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (Vi) und dritten strombidirektionalen Schalters (V3) in 4. Motor driver stage according to claim 1 or 2, characterized in that the series connection of the first (Vi) and third current-bidirectional switch (V3) in Form von Halbbrückenmodulen verschaltet ist. Is connected in the form of half-bridge modules. Motortreiber/fh/20190705/0708/0709 /14 Motor driver / fh / 20190705/0708/0709/14 5. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind. 5. Motor driver stage according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capacitors are realized by electrolytic capacitors with parallel film or ceramic capacitors. 6. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind. 6. Motor driver stage according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capacitors are realized by film or ceramic capacitors. 7. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste aktive Schalter (S;) getaktet wird und der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) gesperrt bleiben. 7. Motor driver stage according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the direction of energy flow from the input terminals (1, 2) to the output terminals (3, 4) only the first active switch (S;) is clocked and the second (S2) and the third active switch (S3) remain blocked. 8. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite (S‚) und der dritte aktive Schalter (S;) getaktet werden und der erste aktive Schalter (S;) gesperrt bleibt. 8. Motor driver stage according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the direction of energy flow from the output terminals (3, 4) to the input terminals (1, 2) only the second (S ') and the third active switch (S;) are clocked and the first active switch (S;) remains blocked. 9. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (S,) und der dritte aktive Schalter (S3) gleichzeitig getaktet werden und der erste aktive Schalter (S;) invertiert getaktet wird. 9. Motor driver stage according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second (S,) and the third active switch (S3) are clocked simultaneously and the first active switch (S;) is clocked inverted. 10. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (M) nicht direkt an die Ausgangsklemmen (3, 4) 10. Motor driver stage according to one of claims 1 to 9, characterized in that the motor (M) is not directly connected to the output terminals (3, 4) angeschlossen ist, sondern über die Kontakte eines Wendeschützes. is connected, but via the contacts of a reversing contactor. Motortreiber/fh/20190705/0708/0709 /14 Motor driver / fh / 20190705/0708/0709/14
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