AT523409B1 - Gleichspannungswandler mit konstantem Eingangsstrom - Google Patents
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Abstract
Gleichspannungswandler mit hoch- und tiefsetzenden Verhalten mit konstantem Eingangsstrom, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (S1) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, die jeweils einen strombidirektionalen Schalter bilden, einem ersten (C1) und einem zweiten Kondensator (C2), einer ersten (L1) und einer zweiten Spule (L2), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U1) angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) angeschlossen wird. Der Konverter ist besonders geeignet für Solar-, Batterie-, Brennstoffzellenanwendungen und zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und zur Anwendung in Gleichspannungsmikronetzen.
Description
GLEICHSPANNUNGSWANDLER MIT KONSTANTEM EINGANGSSTROM
[0001] Die Erfindung betrifft Gleichspannungswandler, bestehend aus einem aktiven Schalter (S) mit Treiberstufe, einem passiven Schalter (D), bzw. bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (S+) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten aktiven Schalter (S»2) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, die jeweils einen strombidirektionalen Schalter bilden, und einem ersten (C+) und einem zweiten Kondensator (C»), einer ersten (L+) und einer zweiten Spule (L2), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U+) angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) angeschlossen wird.
[0002] Der Konverter besteht in seiner Grundstruktur (Fig. 1) aus einem aktiven Schalter, hier beispielhaft in mit einem MOSFET Transistor gezeichnet, einem passiven Schalter (Diode), zwei Spulen und zwei Kondensatoren. Im Gegensatz zu anderen Hoch-Tiefsetzer Strukturen ergibt sich ein konstanter Strom am Eingang der Schaltung. Die Schaltung eignet sich daher besonders gut für Solargeneratoren, Brennstoffzellen oder Batterien als Quelle.
[0003] Für höhere Leistungen und Spannungen wird man an Stelle von MOSFETs IGBTs verwenden. Die Schaltung ist natürlich für alle anderen Schalter beruhend auf anderen Technologien geeignet.
[0004] Die Schaltung eignet sich stromgeregelt zum Laden von Batterien, Supercaps und zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen. In der bidirektionalen Variante (Fig. 2) auch zum Umdrehen der Energieflussrichtung d.h. zur Entladung der Energiespeicher. Besonders im Bereich der DC Microgrids ergibt sich hier eine Anwendung, ebenfalls bei der Anwendung in kurzfristigen Energiespeichern. Als eine weitere Anwendung kann der Antrieb von DC Motoren angeführt werden. In der Variante 2 (Fig. 2) kann sie auch als Zweiquadrantenstellglied (fahren und bremsen in einer Richtung) verwendet werden.
ANMERKUNGEN ZU STAND DER TECHNIK:
[0005] CN 1035 16201 A (UNIV NANJING AERONAUTICS) zeigt einen interessanten unidirektionalen, nichtinvertierenden Hoch-Tiefsetzer mit einem integrierten kombinierten Filter für den Einund Ausgang. Im Gegensatz zur gegenständlichen Erfindung werden dafür jedoch doppelt so viele Halbleiterschalter benötigt. Die Schaltung unterscheidet sich deutlich von der gegenständlichen Erfindung.
[0006] US 6252383 B1 (WITTENBREDER, E. H.) offenbart Gleichspannungswandler mit hochund tiefsetzendem Verhalten und nicht pulsierendem Eingangsstrom, die sich jedoch deutlich unterscheiden.
[0007] CN 108768172 (XIAN INST SPACE RADIO TECH) zeigt einen Hochsetzer, der zwei aktive und zwei passive Schalter benötigt. Beide aktiven Schalter benötigen potentialfreie Treiber.
[0008] CN 109462333 A (UNIV SOUTH CHINA TECH) zeigt einen Hochsetzer mit starkem Spannungsübersetzungverhältnis, der recht aufwendig mit zwei aktiven und drei passiven Schaltern, zwei Spulen und drei Kondensatoren realisiert ist.
[0009] CN103312159 A (UNIV JIANGSU) zeigt einen Konverter mit schwebender Ausgangsspannung bestehend aus zwei Hoch-Tiefsetzstellern. Der Strom am Eingang ist pulsierend.
[0010] AT 399625 B (ZACH F.) zeigt Halbbrückenkonverter, darunter einen Hoch-Tiefsetzsteller mit kontinuierlichem Eingangsstrom.
[0011] Zusammenfassend kann man sagen, dass der in der gegenständlichen Erfindung vorgeschlagene Hoch-Tiefsetzsteller weder im ermittelten Stand der Technik gezeigt wird, noch sich in naheliegender Weise ergibt.
[0012] Die Funktion wird im eingeschwungenen Zustand bei kontinuierlichen Betrieb und mit idealen Bauelementen erklärt. Betrachtet man das Schaltbild Fig. 1, so erkennt man, dass der Mittelwert der Spannung an C+: gleich der Ausgangsspannung ist und dass der Mittelwert der Spannung an CC» gleich der Summe von Eingangs- und Ausgangsspannung ist
U = U, Uc2 = UL +U-,.
[0013] Aus der Gleichheit der Spannungszeitflächen an L: (U, +U, — Ue41)d = |-Uc4 101 —d)
ergibt sich
d Uc1 = Tal: = U, . [0014] Die Spannung an der Spule L, ist, wenn die Kondensatoren entsprechend groß gewählt werden und daher nur geringe Schwankungen der Spannung aufweisen, praktisch null.
[0015] Der Strom durch den Kondensator C; setzt sich immer aus der Differenz der Spulenströme zusammen
ia = u = 2-
[0016] Daraus folgt, dass die Mittelwerte der Ströme durch L+ und L; gleich groß sein müssen In = Ir .
[0017] Aus dem Ladungsgleichgewicht an C, ergibt sich ILasrd = (-Iıasr + I.2)(1— d)
I = In = Ta LAST .
[0018] Die Figuren zeigen die beiden Grundschaltungen, Fig. 1 mit einem Transistor (beispielhaft als MOSFET gezeichnet) und einer Diode, Fig. 2 mit zwei aktiven Schaltern in der bidirektionalen Ausführung bzw. mit aktiver Gleichrichtung. In Fig. 3 sind zum besseren Verständnis die Spannungs- und Stromverläufe an den Bauelementen im eingeschwungenen kontinuierlichen Betrieb bei einem Tastverhältnis von 1/3 gezeichnet. Die Beschreibung erfolgt spaltenweise von oben nach unten und dann von links nach rechts. Die Kurvenverläufe sind entsprechend Fig. 1 beschriftet, sehen aber für Fig. 2 genauso aus, nur müsste man statt up usz schreiben und den Verlauf positiv zeichnen und statt ip isz schreiben.
[0019] Ausgehend von der Eingangsspannung u: (Fig. 3a) und den obigen Überlegungen kann man die Spannung an den Kondensatoren (Fig. 3b, c) und am Ausgang (Fig. 3b) angeben. Damit kann man die Spannung an den Spulen (Fig. 3d, e) skizzieren. Die Spannung muss immer im Mittel null sein. Die Spannung an L; ist nicht nur im Mittel null, sondern immer praktisch null (im eingeschwungenen Zustand), dadurch gibt es in L2 auch keinen Stromrippel.
[0020] Die Spannungsbelastung an den Halbleitern zeigen die beiden folgenden Bilder (Fig. 3f, 9). Es tritt betragsmäßig immer die Summe aus Ein- und Ausgangsspannung auf.
[0021] Die zweite Spalte zeigt die Stromverläufe ausgehend von einem angenommenen Laststrom (Fig. 3h). Man zeichnet zunächst die Ströme durch die Kondensatoren (Fig. 3i, ]) und aus diesen Ladungsgleichgewichten ergeben sich dann die Spulenströme (Fig. 3k, I). Nur der Strom durch L+ hat einen ausgeprägten Stromrippel. In der dritten Spalte sind noch die Ströme durch die Halbleiter (Fig. 3m, n) gezeichnet. Als letztes Diagramm ist der konstante Eingangsstrom (Fig. 30) abgebildet.
[0022] Es sei auch noch angemerkt, dass man die Schaltverluste auf bekannter Weise mit Entlastungsnetzwerken oder durch Nullspannungsschalten reduzieren bzw. minimieren kann.
[0023] Die Aufgabe einen Gleichspannungswandler mit hoch- und tiefsetzenden Verhalten mit konstantem Eingangsstrom zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist, der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an die Kathode des passiven Schalters (D) und den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L;) an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L>) und an den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C+) an die negative Ausgangsklemme (3) und an die Anode des passiven Schalters (D) geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C»2) an den positiven Anschluss des aktiven Schalters (S) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C»2) an die Anode des passiven Schalters (D) geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S;) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+;) an den positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) und an den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C+) an die negative Ausgangsklemme (3) und an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C») an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+1) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C») an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S>) geschaltet ist.
[0024] 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.
[0025] Um die parasitären Induktivitäten bei den schaltenden Elementen klein zu halten, wird die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) und des passiven Schalters (D) oder die Serienschaltung des ersten (S+) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (S») jeweils in Form von Halbbrückenmodulen verschaltet sein.
[0026] 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.
[0027] Die aktiven Schalter bei der Variante nach Fig. 2 kann man auf verschiedene Weisen ansteuern, so dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste aktive Schalter (S+;) getaktet wird und der zweite (S»2) gesperrt bleibt, bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite aktive Schalter (S») getaktet wird und der erste strombidirektionale Schalter (S+) gesperrt bleibt.
[0028] Bei aktiver Gleichrichtung gilt allgemein, unabhängig von der Energieflussrichtung, dass der erste aktive Schalter (S+) getaktet und der zweite aktive Schalter (S2) invertiert getaktet wird.
[0029] Um die Schaltverluste klein zu halten, kann man bei der Variante nach Fig. 2 parallel zu den aktiven Schaltern (S»>, S+) 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.
[0030] Die Schaltung eignet sich für viele Anwendung wie zum Koppeln von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Batterien und Superkaps, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und Aktuatoren.
Claims (10)
1. Gleichspannungswandler, bestehend aus einem aktiven Schalter (S) mit Treiberstufe, einem passiven Schalter (D), einem ersten (C+;) und einem zweiten Kondensator (C»), einer ersten (L+) und einer zweiten Spule (L2), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U+) angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist, der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an die Kathode des passiven Schalters (D) und den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) und an den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C:) geschaltet ist, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L>) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C+) an die negative Ausgangsklemme (3) und an die Anode des passiven Schalters (D) geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den positiven Anschluss des aktiven Schalters (S) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C»2) an die Anode des passiven Schalters (D) geschaltet ist.
2, Gileichspannungswandler, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (S+) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, die jeweils einen strombidirektionalen Schalter bilden, einem ersten (C:;) und einem zweiten Kondensator (C>), einer ersten (L;) und einer zweiten Spule (L>), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U+) angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) an den positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) und den ersten Anschluss der ersten Spule (L+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) und an den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C:) geschaltet ist, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L>) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, der zweite Anschluss des ersten Kondensators (C+) an die negative Ausgangsklemme (3) und an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S») geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C») an den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S>) geschaltet ist.
3. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet ist.
4. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) und des passiven Schalters (D) oder die Serienschaltung des ersten (S+) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (S>) jeweils in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet ist.
5. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren oder durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.
6. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 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) gesperrt bleibt.
7. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite aktive Schalter (S2) getaktet wird und der erste strombidirektionale Schalter (S+4) gesperrt bleibt.
8. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste aktive Schalter (S+;) getaktet und der zweite aktive Schalter (S») invertiert getaktet wird.
9. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den aktiven Schaltern (S»2, S+) Kondensatoren zum Erzielen des Schaltens bei null geschaltet sind.
10. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass er zum Koppeln von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Batterien und Superkaps, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und Aktuatoren verwendet wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA164/2020A AT523409B1 (de) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Gleichspannungswandler mit konstantem Eingangsstrom |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ATA164/2020A AT523409B1 (de) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Gleichspannungswandler mit konstantem Eingangsstrom |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT523409A4 AT523409A4 (de) | 2021-08-15 |
| AT523409B1 true AT523409B1 (de) | 2021-08-15 |
Family
ID=77411351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA164/2020A AT523409B1 (de) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Gleichspannungswandler mit konstantem Eingangsstrom |
Country Status (1)
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| AT (1) | AT523409B1 (de) |
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-
2020
- 2020-07-24 AT ATA164/2020A patent/AT523409B1/de active
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Also Published As
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|---|---|
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