AT524171B1 - Bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller mit konstantem Strom am Ein- und Ausgang - Google Patents

Abstract

Bidirektionaler Gleichspannungswandler mit hoch- und tiefsetzendem Verhalten und konstantem Strom am Eingang und am Ausgang, bestehend aus einem ersten elektronischen Schalter (S1) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten elektronischen 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), mit zwei Klemmenpaaren (1 & 2 und 3 & 4) zum Anschalten von Spannungen oder Lasten. Die Schaltverluste des Konverters können durch Parallelschalten von kleinen Kondensatoren zu den elektronischen Schaltern und entsprechender Ansteuerung und die Durchlassverluste durch synchrone Gleichrichtung reduziert werden. Der Konverter kann zum Koppeln von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Batterien und Superkaps, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und Aktuatoren verwendet werden.

Description

Beschreibung

BIDIREKTIONALER HOCH-TIEFSETZSTELLER MIT KONSTANTEM STROM AM EIN- UND AUSGANG

[0001] Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gleichspannungswandler, bestehend aus einem ersten elektronischen Schalter (S+ mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten elektronischen Schalter (S»2) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, die jeweils einen strombidirektionalen Schalter bilden, einem ersten (C+) und einem zweiten Kondensator (C2), einer ersten (L+) und einer zweiten Spule (L>), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U) oder eine Last angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) oder die Ausgangsspannung (U») angeschlossen wird.

ZUM ALLGEMEINEN STAND DER TECHNIK.

[0002] D1: N. Elsayad et. al., "Design and Implementation of a New Transformerless Bidirectional DC-DC Converter With Wide Conversion Ratlos," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 9, pp. 7067-7077, Sept. 2019 zeigt in Fig. 6a einen bidirektionalen Gleichspannungswandler, welcher eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung wandelt. Der Gleichspannungswandler enthält zwei elektronische Schalter (Q1, Q2) mit antiparallel geschalteter Diode, zwei Kondensatoren, welche parallel zu den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen geschaltet sind, und eine Induktivität, wobei der erste Anschluss der Induktivität mit dem negativen Ausgang von Schalter Q1 und dem positiven Eingang von Schalter Q2 verbunden ist und der zweite Anschluss der Induktivität mit der negativen Eingangsklemme und der positiven Ausgangsklemme verbunden ist.

[0003] D2: G. Chen et. al., "Synthesis of Integrated Multiport DC-DC Converters With Reduced Switches," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 67, no. 6, pp. 4536-4546, June 2020 zeigt in Fig. 3b einen bidirektionalen Gleichspannungswandler mit zum Gleichspannungswandler in D1 analoger Topologie, jedoch ohne die ein- bzw. ausgangsseitigen parallel geschalteten Kondensatoren.

[0004] D3: Y. Zhang et. al., "A Low-Current Ripple and Wide Voltage-Gain Range Bidirectional DC-DC Converter With Coupled Inductor," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 2, pp. 1525-1535, Feb. 2020, zeigt in Fig. 2a einen bidirektionalen Gleichspannungswandler mit einem Kondensator C1, welcher parallel zu den Schaltern Q2 und Q3 geschaltet ist.

[0005] Die Gegenstände der Patentansprüche 1-9 werden durch die oben genannten Dokumente weder vorweggenommen, noch legen sie in ihrer Gesamtheit die gegenständliche Erfindung nahe.

[0006] Die Funktion des gegenständlichen bidirektionaler Hoch-Tiefsetzsteller mit konstantem Strom am Ein- und Ausgang wird im eingeschwungenen Zustand bei kontinuierlichem Betrieb, mit idealen Bauelementen und Energieflussrichtung von U+ zu U; erklärt. Betrachtet man das Schaltbild Fig. 1, so erkennt man, dass der Mittelwert der Spannung an C+, gleich der Eingangsspannung ist und dass der Mittelwert der Spannung an C2 gleich der Summe von Eingangs- und Ausgangsspannung ist

Uci = Ur Uci = ULU2 Aus der Gleichheit der Spannungszeitflächen an L» Uc1d = |-Uc2 + Ve 11 — d) = 1-0, — Vell—d) ergibt sich

U, = A U 2" 1 — d 1 [0007] Die Spannung an der Spule L: ist, wenn der Kondensator C+, entsprechend groß gewählt wird und daher nur geringe Schwankungen der Spannung aufweist, praktisch null.

[0008] Der Strom durch den Kondensator C; setzt sich immer aus der Differenz der Spulenströme zusammen

Lcı = 411 7 iL2" Daraus folgt, dass die Mittelwerte der Ströme durch L+ und L> gleich groß sein müssen In = Ti Aus dem Ladungsgleichgewicht an C, ergibt sich ILastd = (rast + I.2)(1— d) I. = 12 = — Last '

[0009] Die Figur (Fig. 1) zeigt den Konverter beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet. Natürlich eignet sich die Schaltung auch für IGBTs und für auf neue Technologien (z.B. SiC oder GaN) beruhende Schalter. Von besonderem Interesse ist die Tatsache, dass der Strom sowohl auf der Seite der Eingangsklemmen (1, 2) wie auf der Seite der Ausgangsklemmen (3, 4) konstant ist.

[0010] Weiters ist die Bidirektionalität von großer Bedeutung. So kann der Energiefluss von U+4 nach U, erfolgen oder von U» nach U+;. Damit kann man auch zwei Gleichstromnetze miteinander koppeln oder auf der zweiten Seite (Klemmen 3, 4) Batterien oder Superkaps als Last anschließen und diese laden oder entladen. Die Bidirektionalität ermöglicht auch bei Anschluss einer Gleichstrommaschine einen Zweiquadrantenbetrieb derselben. Die Anwendung des Konverters in DC Mikrogrids ist daher sinnvoll.

[0011] Selbst wenn nur eine Energieflussrichtung notwendig ist, z. B. bei Solargeneratoren oder Brennstoffzellen, können durch Parallelschaltung des elektronischen Schalters zur leitenden Diode, wenn der Spannungsabfall am Schalter geringer ist als an der Diode, die Leitverluste reduziert werden. Dies ist besonders bei der Verwendung von MOSFETs, die ja ein ohmsches Verhalten im Leitzustand aufweisen, der Fall. Auch kann man dann die Schaltverluste reduzieren, da man durch Parallelschaltung von Kondensatoren zu den elektronischen Schaltern und entsprechender Ansteuerung ein Schalten der elektronischen Schalter bei null oder bei geringen Spannungen erzielen kann.

[0012] Neben der Bidirektionalität wird die hohe Flexibilität des Konverters noch durch das Spannungsübersetzungsverhältnis, das in beiden Energieflussrichtungen sowohl Hoch- als auch Tiefsetzen ermöglicht, erreicht.

[0013] Die Aufgabe einen bidirektionalen Gleichspannungswandler mit hoch- und tiefsetzendem Verhalten und konstantem Strom am Eingang und am Ausgang zu erzielen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) an die positive Eingangsklemme (1) und den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C1) geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) an den positiven Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2) und den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, der erste Anschluss der ersten Spule (L+) an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L+) und den zweiten Anschluss des ersten Kondensators (C.+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den positiven Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den negativen Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S»>) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet ist.

[0014] Um den Einfluss der Induktivität der Zuleitung zu vermeiden wird zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet.

[0015] Um weitere störende parasitäre Induktivitäten zu vermeiden wird die Serienschaltung des ersten (S+) und des zweiten elektronischen Schalters (S>) jeweils in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet.

[0016] Die Kondensatoren werden durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folienoder Keramikkondensatoren oder nur durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert.

[0017] Bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) wird nur der erste elektronische Schalter (S+) getaktet und der zweite (S>) bleibt gesperrt.

[0018] Bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) wird nur der zweite elektronische Schalter (S>) getaktet und der erste elektronische Schalter (S1) bleibt gesperrt.

[0019] Um die Durchlassverluste des Konverters zu vermeiden und auch um den Konverter im kontinuierlichen Mode zu betreiben, wird der erste elektronische Schalter (S+1) getaktet und der zweite elektronische Schalter (S2) invertiert getaktet.

[0020] Um die Schaltverluste des Konverters zu vermeiden werden parallel zu den elektronischen Schaltern (S2, S1) Kondensatoren zum Erzielen des Schaltens bei null geschaltet. Damit kann das bekannte Konzept des ZVS (zero voltage Switching) auch bei dieser Konverterschaltung angewendet werden (muss aber nicht).

[0021] Der bidirektionale Gleichspannungswandler mit hoch- und tiefsetzendem Verhalten und konstantem Strom am Eingang und am Ausgang, wird zum Koppeln von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Batterien und Superkaps, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und Aktuatoren verwendet.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Gleichspannungswandler, bestehend aus einem ersten elektronischen Schalter (S+) mit Treiberstufe und antiparallel geschalteter Diode, einem zweiten elektronischen Schalter (S>) 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>2), einer ersten positiven (1) und einer zweiten negativen (2) Eingangsklemme, an denen die Eingangsspannung (U+) oder eine Last angeschlossen ist und einer ersten negativen (3) und einer zweiten positiven Ausgangsklemme (4), an denen die Last (R) oder die Ausgangsspannung (U>) angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) an die positive Eingangsklemme (1) und den ersten Anschluss des ersten Kondensators (C1) geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+;) an den positiven Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S>) und den ersten Anschluss der zweiten Spule (L,) geschaltet ist, der erste Anschluss der ersten Spule (L;) an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) und den zweiten Anschluss des ersten Kondensators (C+) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L+) an die negative Eingangsklemme (2) und die positive Ausgangsklemme (4) geschaltet ist, und dass der erste Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den positiven Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) geschaltet ist und dass der zweite Anschluss des zweiten Kondensators (C2) an den negativen Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2) und die negative Ausgangsklemme (3) geschaltet ist.

2, Gileichspannungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet ist.

3. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (S+) und des zweiten elektronischen Schalters (S>) Jeweils in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet ist.

4. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren oder durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.

5. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste elektronische Schalter (S;) getaktet wird und der zweite (S»2) gesperrt bleibt.

6. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1, 2) nur der zweite elektronische Schalter (S») getaktet wird und der erste elektronische Schalter (S+4) gesperrt bleibt.

7. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektronische Schalter (S+) getaktet und der zweite elektronische Schalter (S>) invertiert getaktet wird.

8. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den elektronischen Schaltern (S»>, S+) Kondensatoren geschaltet sind.

9. Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Koppeln von Gleichspannungsnetzen, zum Laden und Entladen von Batterien und Superkaps, zum Antrieb von Gleichstrommaschinen und Aktuatoren verwendet wird.

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