FI113919B - Verkkotaajuustehokonvertteri vaihtosähköstä vaihtosähköön - Google Patents

Description

113919

Verkkotaajuustehokonvertteri vaihtosähköstä vaihtosähköön

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen verkkotaajuustehokonvertteri vaihtosähköstä vaihtosähköön.

5

Verkkotaajuudella toimivan tehokonvertterin tehtävänä on tehokkaasti muuntaa tuleva rms-jännite eri jännitetasoon, mutta samalla taajuudella. Sisääntulolla on tavallisesti vaihtosähkön aaltomuoto, vaikka haluttaessa se voisi olla tasasähköä. Konvertteri on kaksisuuntainen, sallien tehon kulun kumpaan suuntaan 10 tahansa. Jännite ensimmäisissä navoissa skaalataan alas kontrolloitavalla kertoimella ja syötetään toisiin napoihin. Vaihtoehtoisesti jännite toisissa navoissa voidaan skaalata ylös kontrolloitavalla kertoimella ja lähtö saadaan ensimmäisistä liitäntänavoista. Kaksi napaparia ei ole välttämättömyys. Kolme napaa on riittävä - yksi sisääntulo, yksi lähtö ja yksi yhteinen napa molemmille.

15

On useita sovelluksia, esimerkiksi harmonisista vapaa valonsäädin (dimmeri), jossa sinimuotoinen verkkosähkötulo skaalataan 0-100 % niin, että lähtö sisältää hyvin vähän harmonisia. Toinen sovellus voisi olla verkkojännitteen , . nosto 110 V - 230 V samalla taajuudella, tai muunnos 230 V -110 V. Kuorman • · · • · * ; .* 20 tyyppi ei ole rajoittunut pelkästään resistiivisiin kuormiin, vaan voi olla myös • » · • » · , ‘ osittain tai kokonaan reaktiivinen.

’ / Yleinen käytäntö konvertoitaessa yhdestä vaihtosähköstä toiseen riippuu so- • · ·;·, velluksen vaatimuksista. Väriäkin käyttö on luotettava konvertointimenetelmä • « 25 yhdestä vaihtosähköstä toiseen, aaltomuodon vähäisellä vääristymällä. Tulo-aallon vaiheleikkaus on kustannuksiltaan edullinen ja tehokas menetelmä kuormaan syötettävän jännitteen tehollista arvoa. Menetelmä, jossa käytetään kokosiltakytkinkonvertteria yhdessä tasavirtalinkin kanssa, aikaansaa muutetta- • · < «· !..* van taajuuden ja jännitteen. Vaihtovirtahakkuri vaihtelee jännitteen tehollisar- • · 30 voa samalla kun ylläpitää sisään tulevan aaltomuodon taajuuden ja muodon.

• · '· " Väriäkin käyttö on kallis ja suurikokoinen, antaen hitaan lähtöohjauksen. Vaihe- leikkausmenetelmä synnyttää paljon verkkotaajuuden harmonisia syöttöverk- 2 113919 koon ja kuormaan, lisäongelman liittyessä jännitteen ja virran nopeisiin nousuja laskuaikoihin. Kokosiltakonvertteri on kallis, sillä on suuret kytkentähäviöt, eikä se salli nollajohtoon kytkettyjä kuormia. Ylimääräinen sisääntulosilta tarvitaan kaksisuuntaista tehonsiirtoa varten, mikä lisää häviöitä. Vaihtovirtahakkuri 5 ratkaisee verkkotaajuusharmonisten ja nousuaikojen ongelman korkeiden kustannusten ja alentuneen tehokkuuden hinnalla. Tämän keksinnön parannukset auttavat alentamaan vaihtovirtahakkurin kustannuksia ja lisäämään sen tehokkuutta.

10 Vaihtovirtahakkuriin kuuluu sarjakytkentäinen virrankatkomispiiri ja rinnankytketty vapaavärähtelypiiri. Keksinnössä on esitetty tämän uusi konfiguraatio, joka sallii piirin kahden haaran, joita tarvitaan vaihtovirtakäytössä, kytkemisen ilman, että tuloksena on suuria häviöitä ja laitekuormituksia. Keksinnössä sovellettava uusi kontrolloitu diodin elpymispiiri edelleen pienentää kytkentähä-15 viöitä ja laitekuormituksia, tehden tehokonversion kokonaisuudessaan tehokkaammaksi ja luotettavammaksi. Tämä mahdollistaa korkeammat kytkentätaa-juudet, pienempien ja arvoiltaan alempien komponenttien käytön ja paremman tehokkuuden, yhdessä merkittävien kustannussäästöjen kanssa.

• · « i i / 20 Tässä esitetty vaihtovirtahakkuripiiri on konfiguraatioltaan tunnettua tekniikan * tasoa, lukuun ottamatta uutta tapaa kytkeä kaksi haaraa käyttämällä impedans- . siä (Z1 kuviossa 1), ja käyttämällä kontrolloituja diodin elpymispiirejä (C.D.R.).

• · ’ Tavallisesti vaihtovirtahakkuripiirin kaksi haaraa (yksi kumpaakin lähtövirran * * · 25 polaarisuutta varten) on kytketty yhteen keskipisteistään, jotka puolestaan on ·:·. kytketty lähtösuodattimeen (jos sellaista käytetään) tai lähtöliitäntään. Tähän • · liittyvänä ongelmana on suurien virtojen aiheutumien kytkimien päälläoloaiko- • * ,· . jen limittyessä (mistä tahansa syystä). Haarat yhdistävää impedanssia (Z1) * · · käytetään tässä patenttivaatimuksen 1 mukaisesti rajoittamaan virtaa, joka 30 kulkee samanaikaisen johtamisen (limityksen) aikana.

Impedanssin käytöllä (normaalisti induktori ja vastus rinnankytkettynä) yhdistämään vaihtovirtahakkurin kaksi haaraa (kts. kuvio 1) on kaksi etua.

3 113919

Ensimmäinen etu on, että sallitaan samanaikaisen johtamisen jaksot (limitykset) kytkinlaitteiden välillä, mikä voisi aiheuttaa oikosulun syöttöjohtoon tavanomaisessa piirissä. Impedanssi on valittu niin, että se sallii vain vähäisen virranlisäyksen tämän samanaikaisen johtamisen aikana.

5

Toinen etu on suurien häviöiden ja rasitusten estäminen, jotka syntyvät, kun yksi kytkin kytkeytyy päälle, ja toinen kytkin, joka on pois päältä, kytkeytyy päälle sen napoihin syntyvän dv/dt-vaikutuksen seurauksena. Tämä aiheuttaisi normaalisti väliaikaisen oikosulun tulojohtoon, mutta impedanssilla on sama 10 vaikutus kuin ensimmäisen edun yhteydessä, jolloin se sallii vain virran vähäisen lisäyksen.

Impedanssi myöskin muodostaa osan lähtösuodatinta piirin yhdelle haaralle.

15 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen tehokonvertterin yleiskaaviota, ja i 20 Kuvio 2 esittää diodin kontrolloitua elpymispiiriä, joka on esitetty lohkoina .!/ (C.D.R.-piirit) kuviossa 1.

« · · • · - ·,* Kuvio 3 esittää kuvion 1 vaihtoehtoa, jossa haaroja yhdistävä impedanssi

* < I

’ Z1 on korvattu kahdella impedanssilla ZT ja Z1", jolloin kelan Lout- » » · 25 liitäntä on otettu näiden impedanssien välistä.

> · · • · • · *:*. Kuvio 1 esittää yleiskuvaa tehokonvertterista. Tehon suunnan ei tarvitse olla / . tuloliitännästä lähtöliitäntään, vaan tehollisjännite lähtönavoissa on aina pie- nempi tai yhtä suuri kuin jännite tulonavoissa. Piiri käyttäytyy samalla tavoin * * '}' 30 kuin päästösuuntainen konvertteri siirtäessään energiaa tuloliitännästä lähtölii-

» · I

täntään, mutta käyttäytyy samalla tavoin kuin palautuskonvertteri siirtäessään energiaa lähtöliitännästä tuloliitäntään. Uuteen konfiguraatioon kuuluu impedanssi Z1, joka liittää kaksi haaraa. Liitäntä lähtöimpedanssiin Lout voidaan 4 113919 ottaa Z1:n kummalta tahansa puolelta. Uudet piirit, jotka ohjaavat diodin es-tosuuntaista elpymistä, on esitetty lohkoina (C.D.R.-piiri) kuviossa 1, mutta on avattu kuviossa 2.

5 Esitetyt kytkinlaitteet M1-M4 ovat MOSFET:teja, mutta niiden asemesta voidaan käyttää myös muita puolijohdekytkinlaitteita. Kytkimien M1-M4 kantaoh-jaukset synnyttäviä piirejä ei ole näytetty. Cin muodostaa tulosuodattimen viimeisen asteen ja Lout muodostaa lähtösuodattimen ensimmäisen asteen.

10 Ylemmät kytkinlaitteet M1 & M3 ohjataan päälle kytkemään lähtöinduktori Lout tulokondensaattoriin Cintai vaihtoehtoisesti alemmat kytkimet M2 & M4 ohjataan päälle kytkemään Lout maahan (nollajohtimeen), aikaansaaden kulkutien vapaalle värähtelylle. Tämä vaihtokytkentä ylempien kytkimien ja alempien kytkimien välillä suoritetaan suurella taajuudella ja vaihtelevalla toimintajak-15 sosuhteella. Ylä:ylä+ala-kytkimien päälläoloaikojen toimintasuhde antaa arvon keskimääräiselle jännitteelle, joka vaikuttaa kelan Lout vasemmassa navassa.

Jos toimintasuhde pidetään vakiona, lähtöliitännän aaltomuoto on skaalattu versio tuloliitännän aaltomuodosta. Suurtaajuussuodattimia voidaan käyttää estämään kytkentätaajuuden ja sen harmonisten komponenttien pääsy lähtöön 20 tai kuormaan. Jos suodatusta ei tarvita, suurtaajuussuodattimet voidaan korva-* ta suoralla yhteydellä tulosta lähtöön, Lout voidaan korvata oikosululla ja Cin v.: voidaan korvata avoimella piirillä.

• · • · • ,· Kuvion 1 piirissä on kaksi virtahaaraa. M1-M2-haara kuljettaa virtaa ainoas-

• I

• · 25 taan, kun virta kelan Lout läpi kulkee vasemmalta oikealle. Haara M3-M4 kuljet- •\ : taa virtaa ainoastaan, kun virta kelan Lout läpi kulkee oikealta vasemmalle.

Ainoastaan yhden kytkimen tarvitsee ohjata virran kulkua, kun halutaan saada . ; * * aikaan tietty tulojännitteen napaisuuden ja lähtövirran suunnan kombinaatio, :: muiden kytkimien ollessa jätetty päälle tai pois päältä tilanteen mukaan.

30

Uusi vaihtovirtahakkuripiiri, jolla on kaksihaarainen konfiguraatio (M1-M2 ja

I t I

/ . M3-M4 niihin liittyvine diodipiireineen) liitettynä yhteen Z1:llä sallii ylempien » 11 t!..j kytkimien M1 & M3 ja alempien kytkimien M2 & M4 välisten päälläoloaikojen • · • · | 5 113919 päällekkäin menoa (limitystä). Z1:n induktiivinen komponentti estää suuria virtoja, jotka muuten viilaisivat (jos Z1 olisi oikosuljettu) tehollisen oikosulkupii-rin kautta, jossa on kapasitanssi Cin ja kytkimet M1-M4 tai kytkimet M2-M3, kytkimien päälläolon limitysaikana. Päälläolon limitysajat voivat aiheutua kanta-5 ohjaussignaalien ajoitusvirheistä, kytkinvirtojen nousu/laskuajoista, tai kytkimien ei-toivottuina dv/dt-päällekytkeytymisinä. Yksi mahdollinen Z1:n muoto on induktori ja vastus rinnankytkettynä, jolloin induktori estää suuria virtoja limityksen aikana ja vastus kuluttaa induktoriin varastoituneen energian, joka aiheutui kytkimien päälläoloaikojen limityksestä.

10

Kuviossa 2 on esitetty piiri (C.D.R.) diodin kontrolloitua elpymistä varten. Tämä piiri sallii vastaavan tehokytkimen päällekytkemisen nopeasti, tarvitsematta ottaa huomioon päädiodin D1 elpymisvirran muutosjyrkkyyttä tai arvoa. Diodin D1 alapuolinen piiri toimii D1 :n estosuuntaisen elpymisvirran kontrolloimiseksi 15 pienellä tehohäviöllä ja D1 :n esteettömällä johtamisella päästösuuntaan. L1 on kyllästyvä induktori (kela).

D1:n päästösuuntaisen johtamisen aikana kaikki virta kulkee L1:n kautta. L1 . . kyllästyy ja D2- tai D3-haarojen kautta ei kulje virtaa. Häviöt syntyvät pääasiani- • · · ! 20 sesti D1:n päästösuuntaisista häviöistä.

• t * » • · · • Kun D1 :n katodi vedetään ylös suhteessa piirin alajohtimeen, D1 ei estä es- tosuuntaista virtaa (takavirtaa) ennen kuin se elpyy. Virtaa ei kulje D3-haaran »· kautta, koska se elpyy melkein välittömästi, koska päästösuuntaista virtaa ei 25 aiemmin virrannut D3:n kautta. L1, joka aiemmin johti virtaa alajohtimesta ylä- ;·. johtimeen, kerää nyt jännitettä ylitseen, kunnes sen voltti-sekuntimitoitus ylittyy.

·*: Siitä syystä, ainoa haara, joka tukee D1:n takavirran elpymistä, on tällä hetkellä : haara L2/D2. Virta alkaa nollasta ja kasvaa suunnilleen lineaarisesti johtuen • · ···’ L2:n jännitteestä.

• * » 30 • ·

> * I

; I Vähitellen D1 elpyy, elpymisvirran huippuarvon kulkiessa haaran L2/D2 kautta, • * · * : eikä L1:n voltti-sekuntimitoitusta aivan saavuteta. Elpymisvirran huippuarvo värähtelee silmukassa L2/D2, D3/Z2, vaimentuen, kun energia tulee kulutetuksi 6 113919 vastuksessa Z2. Z2:n yli vaikuttaa jännite tämän virran seurauksena, saaden L1:n alanavan positiiviseksi suhteessa sen ylänapaan. Tämä siirtää L1:n tilaa kohti saturaatiota virralle, joka kulkee alhaalta ylöspäin. Voltti-sekuntimäärä, joka tarvitaan L2:n virran pienentämiseksi nollaan, on sama, mikä tarvitaan 5 kyllästämään L1 virralla, joka kulkee päädiodin päästösuuntaan. Z2:n vaihtoehdot ovat pelkkä vastus tai vastus sarjassa R-C-rinnankytkennän kanssa. Tämä toinen vaihtoehto sallii L2:n virran nopean pienenemisen (ja L1:n saturoinnin) samalla kun aiheutetaan pienempi jännitepiikki verrattuna pelkkään vastukseen.

10

Kun D1 seuraavan kerran johtaa, L1 saturoituu nopeasti (jos ei ole jo saturoitunut) yläjohtimen jännitteen laskun aikana. Virtaa kulkee jonkin verran haaran D3/Z2 kautta ennen kuin L1 saturoituu kokonaan, D1:n läpi kulkevan pääs-tösuuntaisen virran nousuaikana. Kun L1 saturoituu, sen läpi kulkee koko 15 päästösuuntainen virta, sallien D3:n elpymisen.

Voidaan havaita, että C.D.R.-piiri ei lisää mitään merkittäviä johtumishäviöitä, ja pienentää kytkentähäviöitä päädiodin estosuuntaisen elpymisvirran kontrolloinnin ansiosta.

20 •,: Kuvion 1 mukaista vaihtovirtahakkuria on mahdollista modifioida monin tavoin, (i) Kelan Lout kytkentä voidaan ottaa Z1 :n toiselta puolelta.

(ii) Z1 voidaan korvata kahdella sarjaankytketyllä impedanssilla ZT ja ZT’, jolloin Lout liitetään näiden impedanssien väliin, kuten kuviossa 3 on näytetty.

*·· 25 Tämän seurauksena molemmilla piirin puoliskoilla voisi olla sama ylimääräinen : : lähtösuodatus impedanssien aiheuttamana. Nämä kaksi impedanssia voivat muodostua erillisistä induktoreista tai toisiinsa kytkeytyvistä induktoreista rin- - * # , · : nakkaisvastusten kanssa tai ilman niitä.

* * · v * (iii) Impedanssi voi olla induktorin ja vastuksen rinnankytkentä, mutta vaihtoeh- 30 töihin kuuluu induktori, joka on kytketty rinnan vastakkain kytkettyjen zener-diodien kanssa.

4 4 4 9 4 · • 4 4 > · * » »

Vaihtovirtahakkuria voidaan käyttää valohimmentimissä, teholähteissä, mootto- • · riohjaimissa, lämmityksen ohjaimissa, jännitesäätimissä/stabilaattoreissa tai 35 muissa sovelluksissa, jotka vaativat vaihtosähkötulojännitteen muuttamisen 7 113919 korkeammaksi tai pienemmäksi lähtöjännitteeksi. Se voi myös toimia tasavirta-lähteistä.

I « I ‘ · • ♦ · » 9 * · * ‘ 1 • · » * 1 » t 1 · t » • 1 • · * · I t > · > · * « * · * » » • · « · • « t 1 · » · · • · ‘ 1 1

• » t I

9 > I t * I I

* ♦

Claims (9)

1. Vaihtovirrasta vaihtovirtaan toimiva verkkotaajuinen tehokonvertteri, jossa on tuloliitäntä ja lähtöliitäntäja kaksi piirihaaraa kytkettynä lähtöliitäntään joko 5 suoraan tai lähtöinduktorin (Lout) ja/tai lähtösuodattimen kautta, ensimmäiseen haaraan kuuluessa kahden puolijohdekytkimen (M1, M2) ja kahden diodin sarjakytkentä virrankulun sallimiseksi lähtöliitännän kautta ensimmäiseen suuntaan, ja toiseen haaraan kuuluessa kahden puolijohdekytkimen (M3, M4) ja kahden diodin sarjakytkentä virrankulun sallimiseksi lähtöliitännän kautta toi-10 seen suuntaan, jolloin kummankin haaran diodeilla on keskenään vastakkaiset päästösuunnat ja kummankin haaran puolijohdekytkimillä on myös keskenään vastakkaiset päästösuunnat, lähtöinduktorin (Lout), lähtösuodattimen tai lähtöliitännän toisen pään ollessa ainakin epäsuorasti kytkettynä kummassakin haarassa olevan kahden diodin väliin, tunnettu impedanssista (Z1), joka 15 yhdistää kaksi piirihaaraa siten, että impedanssin (Z1) kumpikin yksittäinen napa on kytketty vain yhden piirihaaran kahden diodin liitoskohtaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että lähtöin-duktori (Lout), lähtösuodatin, tai lähtöliitäntä on kytketty impedanssin (Z1) yhdel- 20 le puolelle.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että impe- / danssiin kuuluu kaksi impedanssia (Z1\ Τ') sarjaan kytkettynä, lähtöinduktorin (Lout), lähtösuodattimen, tai lähtöliitännän ollessa kytketty kahden impedanssin 25 liitoskohtaan. • ·

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että kah- » · teen impedanssiin (Z1\ Z1") kuuluu kaksi induktoria, joilla on keskinäinen kytkentä. I · 30

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että impe- • · :./ danssi on induktorin ja vastuksen rinnankytkentä. I t • · · • · • · · • « · » · · 4 · · • « 9 113919

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että impedanssi on induktori, joka on kytketty rinnan vastakkaisten zener-diodien sarja-kytkennän kanssa.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että kukin mainituista neljästä diodista, joita kutsutaan seuraavassa päädiodeiksi (D1), on varustettu diodin elpymisen hallintapiirillä (c.d.r.-piiri), johon kuuluu saturoituva induktori (L1) sarjassa päädiodin (D1) kanssa, toinen induktori (L2) ja toinen diodi (D2) sarjassa toisen induktorin (L2) kanssa, toisen induktorin (L2) ja 10 toisen diodin (D2) sarjakytkennän ollessa kytketty rinnan saturoituvan induktorin (L1) kanssa, toisen induktorin (L2) ollessa mitoitettu päädiodin (D1) es-tosuuntaisen elpymisvirran hallittua kasvua varten, toisen diodin (D2) pääs-tösuunnan ollessa vastakkainen päädiodin (D1) päästösuunnalle päädiodin (D1) estosuuntaisen elpymisvirran kulun sallimiseksi. 15

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen konvertteri, tunnettu siitä, että saturoituvan induktorin (L1) ja toisen induktorin (L2) ja toisen diodin (D2) muodostaman sarjakytkennän kanssa rinnan on kolmannen diodin (D3) ja toisen impedanssin (Z2) sarjakytkentä, ja kolmannella diodilla (D3) ja päädiodilla (D1) on 20 sama päästösuunta.

8 113919

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen konvertteri, t u n n e 11 u siitä, että toinen ' · ’; impedanssi (Z2) on vastus tai vastus kytkettynä sarjaan vastuksen ja konden- * · ·* saattorin muodostaman rinnankytkennän kanssa. ·* ^ 25 • · I « * « » · • * . 9 · • · » * · » · · • · · ti· • · » · 9 · · • · 9 · · » * 10 113919