DE102020006324A1 - Elektrischer Spannungswandler mit einem aktiven Snubber - Google Patents

Elektrischer Spannungswandler mit einem aktiven Snubber Download PDF

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Abstract

Ein elektrischer Spannungswandler mit einer Schaltungsbrücke, umfassend erste und zweite Haupt-Leistungsschalter, deren Laststrecken in Reihe zwischen den Klemmen einer Gleichspannungsquelle und/oder -last geschaltet sind, und eine Haupt-Induktivität, die einerseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten und andererseits mit einer Wechselspannungsquelle und/oder -last verbunden ist, und mit einem aktiven Snubber, umfassend erste und zweite Hilfs-Leistungsschalter sowie eine Hilfs-Induktivität, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Laststrecken der beiden Hilfs-Leistungsschalter in Reihe zwischen den Klemmen der Gleichspannungsquelle und/oder -last geschaltet sind, und die Hilfs-Induktivität einerseits mit dem die beiden Hilfs-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten und andererseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Spannungswandler mit einer Schaltungsbrücke, umfassend erste und zweite Haupt-Leistungsschalter, deren Laststrecken in Reihe zwischen den Klemmen einer Gleichspannungsquelle und/oder -last geschaltet sind, und eine Haupt-Induktivität, die einerseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten und andererseits mit einer Wechselspannungsquelle und/oder -last verbunden ist, und mit einem aktiven Snubber, umfassend erste und zweite Hilfs-Leistungsschalter sowie eine Hilfs-Induktivität.
  • Elektrische Spannungswandler der hier angesprochenen Art dienen dazu, eine elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln oder umgekehrt. Das Arbeitsprinzip dieser Spannungswandler besteht darin, dass durch ein getaktetes Öffnen und Schließen elektronischer Leistungsschalter, der Ausgang des durch diese gebildeten Umrichters mit unterschiedlichen Potentialen verbunden, und so jeweils eine Gleich- oder Wechselspannung erzeugt wird.
  • Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Bauteilen, insbesondere in den elektronischen Leistungsschaltern auftreten. Dabei spielen in diesen Schaltern mehrere Verlustmechanismen eine Rolle, die durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden.
  • Ein besonders relevanter Verlustmechanismus betrifft die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten. Diese sind zum einen abhängig von der Höhe der anliegenden Spannung im Moment des Schaltens, zum anderen nehmen sie ganz allgemein bei allen Leistungsschaltern proportional mit der verwendeten Schaltfrequenz zu.
  • Um zu höheren Schaltfrequenzen kommen zu können, ist man daher bestrebt, bei möglichst geringen Spannungen zu schalten, im Idealfall bei Spannung Null. Dies wird auch als „Zero Voltage Switching“ (ZVS) bezeichnet. Zu diesem Zweck werden Hilfsschaltungen, sogenannte Snubber eingesetzt.
  • Die Veröffentlichung „Interleaved auxiliary resonant snubber for high-power, high-density applications“ von R. Born, L. Zhang, Y. We, Q. Ma und J. Lai, 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, 2016, pp. 1-6 zeigt einen elektrischen Spannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei der dort gezeigten Schaltung ist ein aktiver Snubber mit zwei Hilfs-Leistungsschaltern, einer Hilfs-Induktivität sowie vier Hilfs-Leistungsdioden eingesetzt.
  • Der erfindungsgemäß ausgeführte Spannungswandler ermöglicht gegenüber diesem vorbekannten Stand der Technik eine deutliche Verringerung der erforderlichen elektronischen Bauelemente. Insbesondere kann auf alle vier bei der vorbekannten Schaltung erforderlichen Hilfs-Leistungsdioden verzichtet werden.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Laststrecken der beiden Hilfs-Leistungsschalter in Reihe zwischen den Klemmen der Gleichspannungsquelle und/oder -last geschaltet sind, und die Hilfs-Induktivität einerseits mit dem die beiden Hilfs-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten und andererseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter verbindenden Schaltungsknoten verbunden ist.
  • Dabei ist der erfindungsgemäße Spannungswandler grundsätzlich dazu geeignet, bidirektional, also sowohl in einer Wandlerrichtung von einer Wechselspannungsquelle zu einer Gleichspannungslast als auch umgekehrt betrieben zu werden. Selbstverständlich ist aber auch ein unidirektionaler Betrieb mit nur einer Wandlerrichtung möglich.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich der erfindungsgemäße Spannungswandler, wenn insbesondere für die Haupt-Leistungsschalter Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) eingesetzt werden, insbesondere solche auf der Basis von Galliumnitrit (GaN).
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform eines bidirektionalen Spannungswandlers erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1: ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandlers
    • 2: die Schaltung aus 1 wobei die Wechselspannungsquelle jeweils durch eine gleichgerichtete untere a) oder obere b) Gleichspannungsquelle repräsentiert ist
    • 3: den Stromfluss im zeitlichen Ablauf eines Wandlungsprozesses für die in 2 a) gezeigte untere Gleichspannungsquelle
    • 4: ein Prinzipschaltbild eines bidirektionalen Spannungswandlers gemäß dem Stand der Technik
  • Der in 1 in einem Prinzipschaltbild dargestellte, erfindungsgemäße bidirektionale Spannungswandler umfasst eine Schaltungsbrücke mit einem ersten Haupt-Leistungsschalter S1 und einem zweiten Haupt-Leistungsschalter S2, deren Laststrecken in Reihe zwischen den Klemmen einer Gleichspannungsquelle und/oder -last VDC geschaltet sind, sowie eine Haupt-Induktivität L1, die einerseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter S1, S2 verbindenden Schaltungsknoten K1 und andererseits mit einer Wechselspannungsquelle und/oder -last VAC verbunden ist. Um ein Schalten der Haupt-Leistungsschalter S1, S2 bei möglichst geringen Spannungen, im Idealfall bei Spannung Null zu ermöglichen, ist ein aktiver Snubber vorhanden, der in der Zeichnung grau unterlegt dargestellt ist. Der aktive Snubber umfasst erste und zweite Hilfs-Leistungsschalter SAUX1, SAUX2 sowie eine Hilfs-Induktivität LAUX. Die Laststrecken der beiden Hilfs-Leistungsschalter SAUX1, SAUX2 sind in Reihe zwischen den Klemmen der Gleichspannungsquelle und/oder -last VDC geschaltet, und die Hilfs-Induktivität LAUX ist einerseits mit dem die beiden Hilfs-Leistungsschalter SAUX1, SAUX2 verbindenden Schaltungsknoten K2 und andererseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter S1, S2 verbindenden Schaltungsknoten K1 verbunden.
  • Die Funktion des in 1 dargestellten, erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandlers wird im Folgenden anhand der in den 2 a) und 2 b) gezeigten vereinfachten Schaltung erläutert. Dabei wird von einer Wandlerrichtung von einer Wechselspannungsquelle VAC zu einer Gleichspannungslast VDC (in der Darstellung in 1 also von links nach rechts) ausgegangen, wobei die Wechselspannungsquelle VAC jeweils durch eine gleichgerichtete untere (in 2 a) gezeigte) oder obere (in 2 b) gezeigte) Gleichspannungsquelle VQDC1 bzw. VQDC2 repräsentiert wird.
  • Der erfindungsgemäße Spannungswandler funktioniert im Prinzip auf der Grundlage der Aufladung der Hilfs-Induktivität LAUX durch Einschalten der Hilfs-Leistungsschalter SAUX1 oder SAUX2, Leiten des Stroms durch die Haupt-Induktivität L1 und späteres Entladen der parasitären Kapazität der Haupt-Leistungsschalter S1 oder S2.
  • In 3 ist der Stromfluss im zeitlichen Ablauf eines Wandlungsprozesses für die in 2 a) gezeigte untere Gleichspannungsquelle VQDC1 in den im Folgenden beschriebenen Schritten 1 bis 7 dargestellt. Dabei soll der Pfad des aktuellen Stromflusses in dem jeweiligen Schritt durch die jeweils fetter ausgezogenen Leiterbahnen sowie die darin angebrachten Pfeile in dem entsprechenden Bild verdeutlicht werden.
  • Schritt 1:
  • Angenommen es fließt zu Beginn ein Strom IL1 durch die Haupt-Induktivität L1. Dann besteht dieser aus der Leitung dieses Freilaufs durch die in diesem Falle die Eingangsspannung darstellende Gleichspannungsquelle VQDC1 und die ausgangsseitige Last, die hier durch die Spannungsquelle VDC dargestellt wird. Der Strom IL1 entspricht der Übertragung der in L1 gespeicherten Energie auf den Ausgang im Aufwärtswandler. Der Haupt-Leistungsschalter S1 kann für die Synchrongleichrichtung eingeschaltet bleiben, oder der Strom kann je nach verwendetem Bauteil durch eine antiparallele intrinsische Diode oder eine zusätzliche Diode fließen. MOSFETs, HEMTs und E-HEMTs verfügen über intrinsische Dioden oder negative Leitfähigkeit, während IGBTs zusätzliche antiparallele Dioden erfordern.
  • Schritt 2:
  • Der aktive Hilfs-Leistungsschalter SAUX2 wird eingeschaltet, und der Strom IL1 beginnt durch die Hilfs-Induktivität LAUX zu fließen, wobei ILAUX(t) = (VQDC1/ LAUX)*t im Wesentlichen linear mit der Zeit t ansteigt. Der verbleibende Strom durch den Haupt-Leistungsschalter S1 wird dann zu IL1 - ILAUX(t).
  • Schritt 3:
  • Der Hilfs-Leistungsschalter SAUX2 bleibt eingeschaltet, und der Strom durch die Hilfs-Induktivität LAUX wird höher als der Strom durch die Haupt-Induktivität L1. Der Haupt-Leistungsschalter S1 hört auf zu leiten, während sein Gate bereits für eine gewisse Zeit (Totzeit) in den Aus-Zustand versetzt sein soll. Die parasitäre Kapazität des Haupt-Leistungsschalters S2 wird dann durch (ILAUX(t) - IL1)/2 entladen, während die parasitäre Kapazität des Haupt-Leistungsschalters S1 mit dem gleichen Strom geladen wird.
  • Schritt 4:
  • Der Hilfs-Leistungsschalter SAUX2 wird abgeschaltet, und der Strom der Hilfs-Induktivität LAUX fließt in umgekehrter Richtung durch den Hilfs-Leistungsschalter SAUX1 und die Ausgangsspannungsquelle VDC, wobei er entladen wird. Die parasitäre Kapazität des Haupt-Leistungsschalters S2 wird weiter bis auf Null entladen, so dass der Haupt-Leistungsschalter S1 spannungsfrei eingeschaltet werden kann. Es ist wichtig hervorzuheben, dass dieser Schritt nur in einer optimalen Modulation existiert, aber für die Funktionalität des erfindungsgemäß verwendeten aktiven Snubbers nicht notwendig ist. Der Hilfs-Leistungsschalter SAUX2 kann danach abgeschaltet werden und für den Haupt-Leistungsschalter S2 kann immer noch spannungsloses Schalten erreicht werden, da die einzige Bedingung dafür das Anliegen einer Spannung von 0 V an dem Haupt-Leistungsschalter S2 ist, was auch bei eingeschaltetem Hilfs-Leistungsschalter SAUX2 erreicht werden kann. Daher soll diese Anwendung alle Betriebsarten des erfindungsgemäßen Spannungswandlers mit aktivem Snubber abdecken, wobei die einzige Bedingung für spannungsloses Schalten beim Einschalten unabhängig vom Modulationsschema ist.
  • Schritt 5:
  • Nach der vollständigen Entladung der parasitären Kapazität des Haupt-Leistungsschalters S2 und der entsprechenden Aufladung der Kapazität des Haupt-Leistungsschalters S1 bis VQDC1 fließt der Strom der Haupt-Induktivität L1 abzüglich des Stroms der Hilfs-Induktivität LAUX (IL1 - ILAUX) zunächst in umgekehrter Richtung durch den Haupt-Leistungsschalter S2. Die Haupt-Induktivität L1 beginnt sich mit der Energie von VQDC1 zu laden, und die in LAUX gespeicherte Energie wird daher in der Last VDC entladen. In dieser Phase muss der Haupt-Leistungsschalter S2 eingeschaltet werden, was bei 0 V (ZVS) geschieht. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, dass dieser gesamte Schritt (negativer Strom durch S2) für einige Funktionen des Snubbers nicht erforderlich ist. Wenn die in der Hilfs-Induktivität LAUX gespeicherte Energie nicht hoch genug ist, um die parasitären Kapazitäten vollständig zu laden und zu entladen und somit ein echtes ZVS verhindert wird, kann der Haupt-Leistungsschalter S2 dennoch mit niedrigerer Spannung während der Kommutierung oder quasi-ZVS eingeschaltet werden. In diesem Fall wäre der Strom durch die Hilfs-Induktivität LAUX während des Einschaltens niedriger oder gleich IL1. Diese Anwendung soll die quasi-ZVS-Operation des erfindungsgemäßen Spannungswandlers mit aktivem Snubber abdecken.
  • Schritt 6:
  • Bei eingeschaltetem Haupt-Leistungsschalter S2 fließt der Strom der Haupt-Induktivität L1 abzüglich des Stroms der Hilfs-Induktivität LAUX (IL1 - ILAUX) weiter durch die Haupt-Induktivität L1. Die in der Hilfs-Induktivität LAUX gespeicherte Energie wird daher in der Last VDC entladen. In dieser Phase ist ILAUX niedriger als IL1, so dass der Strom durch den Haupt-Leistungsschalter S2 positiv wird. Die der Haupt-Induktivität L1 wird weiterhin mit der Energie von VQDC1 geladen.
  • Schritt 7:
  • Nach der Entladung der Hilfs-Induktivität LAUX bleibt der Haupt-Leistungsschalter S2 eingeschaltet und lädt die Haupt-Induktivität L1 weiter auf, deren Strom mit einem Verhältnis (VQDC1 / L1)*t ansteigt. Der Haupt-Leistungsschalter S2 kann dann ausgeschaltet werden, wodurch der Betriebszyklus in Schritt 1 wieder aufgenommen wird.
  • Nach der Entladung der Hilfs-Induktivität LAUX wird die parasitäre Kapazität des Hilfs-Leistungsschalters SAUX2 mit VDC geladen, während der Haupt-Leistungsschalter S2 eingeschaltet sein muss (Schritte 4, 5 und 6). Auf diese Weise wird diese Kapazität über einen Strom durch die Hilfs-Induktivität LAUX und den Haupt-Leistungsschalter S2 entladen.
  • Wenn der Haupt-Leistungsschalter S2 abgeschaltet wird, steigt seine Spannung bis auf VDC an. Da die Spannung an dem Hilfs-Leistungsschalter SAUX 0 V beträgt, wird seine parasitäre Kapazität durch den durch die Hilfs-Induktivität LAUX fließenden Strom wieder aufgeladen, bis sie VDC erreicht.
  • Diese zusätzlichen Schwingungen entstehen nur durch das Vorhandensein der parasitären Kapazitäten an den Hilfs-Leistungsschaltern SAUX1, SAUX2, die für die Funktion des erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandlers mit aktivem Snubber nicht unbedingt erforderlich sind. Es handelt sich um parasitäre Effekte, die zu Verlusten führen, deren Ursache reaktive Elemente sind.
  • Die Ladung und die Entladung der parasitären Kapazitäten der Hilfs-Leistungsschalter SAUX1 und SAUX2 wurden in der Beschreibung der Betriebsschritte weggelassen, da sie für die Schaltungsfunktionalität nicht relevant sind, da sie nur parasitäre Elemente davon sind. Dennoch ist es sehr erwünscht, ihre Werte so niedrig wie möglich zu halten, um unnötige Verluste zu vermeiden.
  • Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass bei allen aktiven Schaltern, einschließlich der Hilfs-Leistungsschalter SAUX1, SAUX2, ein Hard-Switching nur während des Ausschaltens auftritt. Während des Einschaltens wird bei den Haupt-Leistungsschalter S1, S2 ZVS oder Quasi-ZVS erreicht, während die aktiven Hilfs-Leistungsschalter SAUX1, SAUX2 auch bei Nullstrom (ZCS) eingeschaltet werden. Dadurch werden auch die Verluste bei den Hilfs-Leistungsschaltern SAUX1, SAUX2 verringert, da sie in etwa der in der parasitären Kapazität gespeicherten Energie entsprechen, die mit VDC geladen wird.
  • Ganz ähnlich zu der beschriebenen Funktion mit der gleichgerichteten unteren Gleichspannungsquelle VQDC1 gemäß 2 a) erfolgt die Funktion mit der gleichgerichteten oberen Gleichspannungsquelle VQDC2 gemäß 2 b). In diesem Fall wird das ZVS beim Einschalten des Haupt-Leistungsschalters S1 durch Ein- und Ausschalten des Hilfs-Leistungsschalters SAUX1 erreicht, wobei die Schritte in ähnlicher Weise wie bei der zuvor beschriebenen unterseitigen Einspeisung durchlaufen werden.
  • In 4 ist ein Prinzipschaltbild eines bidirektionalen Spannungswandlers nach dem eingangs genannten Stand der Technik gezeigt. Der Spannungswandler umfasst ebenfalls eine Schaltungsbrücke mit einem ersten Haupt-Leistungsschalter S1 und einem zweiten Haupt-Leistungsschalter S2, deren Laststrecken in Reihe zwischen den Klemmen einer Gleichspannungsquelle und/oder -last VDC geschaltet sind, sowie eine Haupt-Induktivität L1 die einerseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter S1, S2 verbindenden Schaltungsknoten K1 und andererseits mit einer Wechselspannungsquelle und/oder -last VAC verbunden ist. Der hier gezeigte aktive Snubber (ebenfalls grau unterlegt dargestellt) umfasst neben ersten und zweiten Hilfs-Leistungsschaltern SAUX1, SAUX2 und einer Hilfs-Induktivität LAUX darüber hinaus vier Hilfs-Dioden DAUX1, DAUX2, DAUX3 und DAUX4. Die beiden Haupt-Leistungsschalter S1, S2 sind hier im Unterschied zu der erfindungsgemäßen Schaltung nicht in einer Halbbrückenkonfiguration in Reihe geschaltet, sondern in einer Art Buck- und Boost-Konfiguration, bei der die mit der Hilfs-Induktivität LAUX des Snubbers verbundenen Hilfs-Dioden DAUX1, DAUX2, DAUX3 und DAUX4 als Gleichrichterdioden fungieren und die Rückleitung der aktiven Hilfs-Leistungsschaltern SAUX1, SAUX2 des Snubbers blockieren.
  • Diese Schaltung nach dem Stand der Technik ist ebenso wie die erfindungsgemäße Schaltung in der Lage, ZVS beim Einschalten in allen Quadranten bereitzustellen, wobei die Modulation der Gate-Signale in beiden Fällen identisch sein kann. Die Funktionalität, mit der beide Ansätze ZVS für die Haupt-Leistungsschalter S1, S2 ermöglichen, ist grundsätzlich ähnlich und wird durch Laden und Entladen der Hilfs-Induktivität LAUX realisiert. Die Funktionalitäten unterscheiden sich jedoch im Detail ganz erheblich, was zu der Einsparung der vier zusätzlichen Hilfs-Dioden DAUX1, DAUX2, DAUX3 und DAUX4 bei der erfindungsgemäßen Schaltung und damit zu einem erheblichen Kostenvorteil führt.

Claims (5)

  1. Elektrischer Spannungswandler mit einer Schaltungsbrücke, umfassend erste und zweite Haupt-Leistungsschalter (S1, S2), deren Laststrecken in Reihe zwischen den Klemmen einer Gleichspannungs-quelle und/oder -last (VDC) geschaltet sind, und eine Haupt-Induktivität (L1), die einerseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter (S1, S2) verbindenden Schaltungsknoten (K1) und andererseits mit einer Wechselspannungsquelle und/oder -last (VAC) verbunden ist, und mit einem aktiven Snubber, umfassend erste und zweite Hilfs-Leistungsschalter (SAUX1, SAUX2) sowie eine Hilfs-Induktivität (LAUX), dadurch gekennzeichnet, dass die Laststrecken der beiden Hilfs-Leistungsschalter (SAUX1, SAUX2) in Reihe zwischen den Klemmen der Gleichspannungsquelle und/oder -last (VDC) geschaltet sind, und die Hilfs-Induktivität (LAUX) einerseits mit dem die beiden Hilfs-Leistungsschalter (SAUX1, SAUX2) verbindenden Schaltungsknoten (K2) und andererseits mit dem die beiden Haupt-Leistungsschalter (S1, S2) verbindenden Schaltungsknoten (K1) verbunden ist.
  2. Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Leistungsschalter (S1, S2) durch Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) gebildet sind.
  3. Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Leistungsschalter (S1, S2) durch Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) gebildet sind.
  4. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionaler Betrieb, sowohl in einer Wandlerrichtung von einer Wechselspannungsquelle zu einer Gleichspannungslast als auch umgekehrt vorgesehen ist.
  5. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein unidirektionaler Betrieb, in nur einer Wandlerrichtung von einer Wechselspannungsquelle zu einer Gleichspannungslast oder umgekehrt vorgesehen ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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