AT523404B1 - Quadratischer Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller - Google Patents
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Abstract
Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (U1) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) geschaltet ist, vier strombidirektionalen Schaltern, jeweils bestehend aus einem aktiven Schalter (S11, S12, S21, S22) mit antiparallel liegender Diode, mit je zugehöriger Treiberstufe, einer ersten (L1) und einer zweiten Spule (L2) und einem ersten (C1) und einem zweiten Kondensator (C2). Der Konverter ist besonders geeignet für Solar-, Batterie-, Brennstoffzellenanwendungen, zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und zur Anwendung in Gleichspannungsmikronetzen. Von besonderer Bedeutung ist der jeweils konstante Eingangsstrom der Schaltung und das sehr variable Spannungsübersetzungsverhältnis.
Description
QUADRATISCHER BIDIREKTIONALER HOCH-TIEFSETZSTELLER
[0001] Die Erfindung betrifft einen quadratischen Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (U+) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) geschaltet ist, vier strombidirektionalen Schaltern, jeweils bestehend aus einem aktiven Schalter mit antiparallel liegender Diode (S+1, S12, Sz1, Sz2), mit je zugehöriger Treiberstufe, einer ersten (L+) und einer zweiten Spule (L2) und einem ersten (C+) und einem zweiten Kondensator (C2), wobei der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+1) mit der ersten positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S11) mit dem positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S42) und an den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, wobei weiters der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) mit der ersten positiven Ausgangsklemme (3) verbunden ist, der negative Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) mit dem positiven Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S21) und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist.
[0002] Hoch-Tiefsetzsteller ermöglichen eine größere oder kleinere Spannung als die Eingangsspannung an die Last zu legen. Nachteilig ist aber, dass der Strom in die Schaltung pulsförmig ist. Dies ist natürlich nicht immer erwünscht und erfordert ein zusätzliches Eingangsfilter. Bei der hier vorgestellten Konverterstruktur ist das nicht der Fall, es fließt ein nahezu konstanter Strom in den Konverter. Die Quelle wird daher gleichmäßig belastet. Diese gleichmäßige Belastung ist besonders wichtig bei Solargeneratoren, Brennstoffzellen aber auch bei Batterien.
ANMERKUNGEN ZU STAND DER TECHNIK.
[0003] Elsayad, N. et al: „Design and Implementation of a New Transformerless Bidirectional DCDC Converter with Wide Conversion Ratios", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 66, pp. 7067-7077, Sept. 2019 zeigt eine Reihe von bidirektionalen Gleichstromkonvertern und auch eine bidirektionale Struktur eines Hoch-Tiefsetzstellers, welche einen konstanten Eingangsstrom an beiden Ports aufweist. Der Kondensator in der Mitte bildet einen Spannungszwischenkreis zwischen einer Hochsetzer- und einer Tiefsetzerstruktur. Auch die anderen Schaltungen unterscheiden sich topologisch klar von der gegenständlichen Erfindung und haben auch keinen kontinuierlichen Strom an beiden Ports.
[0004] US 10651739 B1 (NEXTracker Inc.) zeigt einen Wandler zur Umformung einer Gleichspannung, konkret eines Solargenerators, bestehend aus zwei Halbbrücken. Kein Pol des Eingangs ist mit einem Pol des Ausgangs verbunden. Die Schaltung unterscheidet sich deutlich von der gegenständlichen Erfindung.
[0005] EP 1998428 A1 (MITSUBISHI ELECTRIC CORP) zeigt einen nichtinvertierenden HochTiefsetzsteller mit zwei Halbbrücken. Die Topologie unterscheidet sich von der gegenständlichen Erfindung. Weiters ist der Strom sowohl auf der Eingangs- wie auf der Ausgangsseite pulsierend unabhängig von der Energieflussrichtung.
[0006] WO 2006092217 A1 (DAIMLER CHRYSLER AG) zeigt einen Halbbrücken Hoch-Tiefsetzsteller mit pulsierendem Eingangsstrom.
[0007] Fig. 1 stellt die Struktur des Konverters da. Der Konverter besteht aus zwei Halbbrücken aus je zwei aktiven Schaltern mit antiparallelen Dioden, deren untere Transistoren zusammengeschaltet sind. Jede Halbbrücke ist mit einem Kondensator (C-, C2) überbrückt. An die Mittelpunkte der Halbbrücken ist jeweils eine Spule (L+, L2) gegen Masse geschaltet. Die beiden Halbbrücken „schweben" über der Masse. Die Halbbrückentreiberstufen müssen daher potentialgetrennt angesteuert werden, können aber von der selben (potentialgetrennten) Hilfsversorgung betrieben werden.
[0008] Die Funktion lässt sich für den eingeschwungenen Zustand, bei kontinuierlichem Betrieb und mit idealen Bauelementen leicht erklären. Es wird der Energiefluss von U+ zu U» betrachtet. Schaltet man S+1: ein, so liegt an der Spule L+ die Eingangsspannung U+4. Der Strom in der Spule L1 steigt an. Schaltet man S+11 aus, so schaltet die antiparallele Diode von S+12 ein und kann dann durch Einschalten von S+2 überbrückt werden (synchrone Gleichrichtung). An der Spule L; liegt nun die negative Spannung an C: plus der Eingangsspannung U: an. Der Strom in der Spule sinkt. Das Gleichgewicht der Spannungs-Zeit Flächen ergibt
U,d, = |-Uc +UI(1— di). [0009] Die Spannung an C+, ist hochgesetzt.
[0010] Schaltet man S>:; ein, so liegt an der Spule L» die Summe aus negativer Eingangsspannung U+ und der Spannung an C>. Schaltet man S21 aus, so kommutiert der Strom von L; in die antiparallel zu S22 liegende Diode, die dann wieder durch Einschalten von S»» überbrückt werden kann. An der Spule L2 liegt nun die Summe von minus U+4, Uc+ und minus Uc2. Das Gleichgewicht der Spannungs-Zeit Flächen ergibt
(ZU, + Ue1)d, = 1-0, +Uc41 — Vez2I(1—d,).
[0011] Aus dem Gleichgewicht der Spannungs-Zeit Flächen kann man leicht berechnen, dass das Spannungsübersetzungsverhältnis des Konverters sich zu
_U,_ dd, _d,
U, 1-d 1-d, ergibt. Dabei sind d+ und d» die Tastverhältnisse der beiden Halbbrücken. Bei Transfer der Energie von U; nach U» werden damit die Transistoren S11 bzw. S21 angesteuert.
[0012] Für gleiches Tastverhältnis d1=d>=d ergibt sich
WB.
[0013] Die Schaltung ist grundsätzlich bidirektional.
[0014] Wenn Energietransfer nur von U+ zu U; erfolgt, genügt es statt S12 eine Diode und statt S22 ebenfalls eine zu verwenden.
[0015] Entscheidender Vorteil gegenüber anderen Buck-Boost Schaltungen ist der kontinuierliche Eingangsstrom. Die Schaltung eignet sich daher besonders gut für Solargeneratoren, Brennstoffzellen oder Batterien als Quelle.
[0016] Für höhere Leistungen wird man an Stelle von MOSFETs IGBTs verwenden. Die Schaltung ist natürlich für alle anderen Schalter beruhend auf anderen Technologien wie GaN oder SiC geeignet.
[0017] Bedingt durch die Halbbrückenstrukturen kann man durch Parallelschalten von kleinen Kondensatoren zu den Schaltern und entsprechender Ansteuerung Schalten bei null Spannung (zero voltage switching ZVS) erzielen.
[0018] Die Schaltung ist grundsätzlich auch als Motortreiber geeignet, stromgesteuert auch als Ansteuerung eines Aktuators; auch die Anwendung als Ladungspumpe ist möglich. Weiters ergibt sich der Einsatz in DC-Microgrids. Die Schaltung eignet sich stromgeregelt zu Laden und Entladen von Batterien, Supercaps und zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen.
[0019] Die Aufgabe einen bidirektionalen quadratischen Hoch-Tiefsetzer mit konstantem Eingangsstrom zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen dem positiven Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+14) und dem negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+12) der erste Kondensator geschaltet ist, zwischen dem positiven Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) und dem negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen (S21) Schalters der zweite Kondensator (C2) geschaltet ist, der negative Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+12) und der
negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S21) miteinander verbunden sind, und der zweite Anschluss der ersten Spule (L+), der erste Anschluss der zweiten Spule (L>), die negative Eingangsklemme (2) und die negative Ausgangsklemme (4) miteinander verschaltet sind.
[0020] Um die Auswirkung der parasitären Induktivität der Zuleitung zu vermeiden, wird man zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) einen Kondensator (Cın) schalten.
[0021] Um die parasitären Induktivitäten bei den schaltenden Elementen klein zu halten, wird die Serienschaltung des ersten (S11) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (S;2) und die Serienschaltung des dritten (S21) und des vierten strombidirektionalen Schalters (S2>) jeweils in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet.
[0022] Für die Realisierung der Kondensatoren (Cın, C-, C2) gilt, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren oder durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
[0023] Die aktiven Schalter kann man auf verschiedene Weise ansteuern, so dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste strombidirektionale Schalter (S+1) und der dritte strombidirektionale Schalter (S2;) getaktet werden und der zweite (S+2) und der vierte strombidirektionale Schalter (S>2) gesperrt bleiben; bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite (S12) und der vierte strombidirektionale Schalter (S2>) getaktet werden und der erste strombidirektionale Schalter (S+1) und der dritte strombidirektionale Schalter (S21) gesperrt bleiben.
[0024] Bei aktiver Gleichrichtung gilt allgemein, unabhängig von der Energieflussrichtung, dass der erste (S++1) und der dritte strombidirektionale Schalter (S2+) gleichzeitig getaktet werden und der zweite (S+2) und der vierte strombidirektionale Schalter (S2>) invertiert getaktet werden.
[0025] Um die Schaltverluste klein zu halten kann man parallel zu den strombidirektionalen Schaltern (S11, Sıiz, Sz1, Sz2z) Kondensatoren zum Erzielen des Schaltens bei null schalten. Mit diesem bekannten Konzept und entsprechender Ansteuerung kann man das sogenannte „zero voltage switching ZVS" erzielen und so die Schaltverluste vermeiden.
Claims (9)
1. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller, bestehend aus einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (U+) geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) geschaltet ist, vier strombidirektionalen Schaltern, jeweils bestehend aus einem aktiven Schalter (S41, S12, Sz1, Sz2) mit antiparallel liegender Diode, mit je zugehöriger Treiberstufe, einer ersten (L+) und einer zweiten Spule (L2) und einem ersten (C:+) und einem zweiten Kondensator (C2), wobei der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+44) mit der ersten positiven Eingangsklemme (1) verbunden ist, der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+4) mit dem positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+2) und an den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, wobei weiters der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) mit der ersten positiven Ausgangsklemme (3) verbunden ist, der negative Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S>2) mit dem positiven Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S21) und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L») geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem positiven Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S14) und dem negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+2) der erste Kondensator (C+) geschaltet ist, zwischen dem positiven Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) und dem negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen (S21) Schalters der zweite Kondensator (C2) geschaltet ist, der negative Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+2) und der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S21) miteinander verbunden sind, und der zweite Anschluss der ersten Spule (L+), der erste Anschluss der zweiten Spule (L»), die negative Eingangsklemme (2) und die negative Ausgangsklemme (4) miteinander verschaltet sind.
2. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet ist.
3. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (S+1) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (S+42) und die Serienschaltung des dritten (S21) und des vierten strombidirektionalen Schalters (S22) jeweils in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet sind.
4. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
5. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
6. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste strombidirektionale Schalter (S;41) und der dritte strombidirektionale Schalter (S21) getaktet werden und der zweite (S+42) und der vierte strombidirektionale Schalter (S22) gesperrt bleiben.
7. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1,2) nur der zweite (S+42) und der vierte strombidirektionale Schalter (S»2) getaktet werden und der erste strombidirektionale Schalter (S;4) und der dritte strombidirektionale Schalter (S2+) gesperrt bleiben.
8. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (S+41) und der dritte strombidirektionale Schalter (S2+) gleichzeitig getaktet werden und der zweite (S+42) und der vierte strombidirektionale Schalter (S22) invertiert getaktet werden.
9. Quadratischer Hoch-Tiefsetzsteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den strombidirektionalen Schaltern (S:1, Si2, S21, S22) Kondensatoren zum Erzielen des Schaltens bei null geschaltet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
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| ATA163/2020A AT523404B1 (de) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Quadratischer Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT523404B1 true AT523404B1 (de) | 2021-08-15 |
| AT523404A4 AT523404A4 (de) | 2021-08-15 |
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ID=77411368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA163/2020A AT523404B1 (de) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Quadratischer Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2006092217A1 (de) * | 2005-03-02 | 2006-09-08 | Daimlerchrysler Ag | Fahrzeugantrieb |
| EP1998428A1 (de) * | 2006-03-22 | 2008-12-03 | Mitsubishi Electric Corporation | Bidirektionale aufwärts-/abwärts-gleichstrom-gleichstrom-wandlervorrichtung |
| US10651739B1 (en) * | 2019-02-25 | 2020-05-12 | Nextracker Inc. | Power converters and methods of controlling same |
-
2020
- 2020-07-24 AT ATA163/2020A patent/AT523404B1/de active
Patent Citations (3)
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| WO2006092217A1 (de) * | 2005-03-02 | 2006-09-08 | Daimlerchrysler Ag | Fahrzeugantrieb |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ELSAYAD NOUR; MORADISIZKOOHI HADI; MOHAMMED OSAMA A.: "Design and Implementation of a New Transformerless Bidirectional DC–DC Converter With Wide Conversion Ratios", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ., USA, vol. 66, no. 9, 1 September 2019 (2019-09-01), USA, pages 7067 - 7077, XP011722395, ISSN: 0278-0046, DOI: 10.1109/TIE.2018.2878126 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT523404A4 (de) | 2021-08-15 |
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