AT413914B - Conversion circuit changing input voltage into two symmetrical unipolar voltages - Google Patents

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Abstract

The circuit converts an input voltage (UIN) into two symmetrical unipolar voltages with the aid of two current bidirectional, active switches (S1,S2), two passive switches (D1,D2), two capacitors (Ca,Cb) and two coils (La,Lb). The active pole (E) of the input voltage is connected with the two coils, whereby the winding end of the first coil is connected with the cathode of the first diode (D1), the anode of which is both connected to the negative terminal of the output voltage (UZK) and with the capacitor (Cb) connected to earth and to the negative connection of a current bidirectional switch. Its other connection is connected to the positive connecting terminal of the output voltage and to a second capacitor (Ca) connected to earth. The winding end of the second coil (Lb) is connected with the positive connection of the second switch (S2), the negative connection of which is connected with the negative connecting terminal of the output voltage (UZK) and to the anode of the second diode (D2), the cathode of which is connected to the positive connecting terminal of the output voltage (+UZK).

Description

22

AT 413 914 BAT 413 914 B

Die Erfindung dient zur Umformung einer bipolaren, d.h. einer in beiden Richtungen auftreten könnenden Eingangsspannung in zwei, in Bezug auf die Eingangsspannung symmetrische Ausgangsspannungen, bzw. weiterführend in eine abermals in beide Richtungen mögliche Ausgangsspannung. Die um den Bezugspunkt symmetrischen Spannungen sind besonders bei 5 der Realisierung von Wechselspannungen von großem Nutzen, da der dann erforderliche Wechselrichter sehr einfach gestaltet werden kann. Auch beim Betrieb von Klasse D-Verstär-kern, von Mehrquadrantenantrieben für Gleichstrommaschinen oder Aktuatoren kann es sehr sinnvoll sein, symmetrische Versorgungsspannungen zu verwenden. Die symmetrische Spannung ist über das Tastverhältnis der Schalter Si und S2 variierbar. 10The invention serves to transform a bipolar, i. an input voltage which can occur in both directions in two output voltages which are symmetrical with respect to the input voltage, or in a further output voltage which is possible in both directions. The symmetrical around the reference point voltages are particularly in the realization of 5 AC voltages of great benefit, since the then required inverter can be made very simple. Also when operating class D amplifiers, multi-quadrant drives for DC machines or actuators, it can be very useful to use symmetrical supply voltages. The symmetrical voltage can be varied over the duty ratio of the switches Si and S2. 10

In US 4 713 742 A (PARSLEY) wird ein aus zwei Buck-Zellen zusammengesetzter Tiefsetzsteller behandelt. Aus einer unipolaren Eingangsquelle wird eine unipolare Ausgangsspannung erzeugt. Die beiden aktiven Schalter werden vom gleichen Steuersignal angesteuert. Durch die Parallelschaltung der Konverterzellen, bestehend aus Induktivität, aktivem und passivem Schalls ter, kommt es zu einer Verringerung der Bauteilbelastung. Die Verbesserung liegt jedoch in der Kopplung der beiden Spulen; dadurch wird die Schaltung in Bezug auf die Stromaufteilung symmetriert.In US 4,713,742 A (PARSLEY), a buck converter composed of two buck cells is treated. From a unipolar input source, a unipolar output voltage is generated. The two active switches are controlled by the same control signal. The parallel connection of the converter cells, consisting of inductance, active and passive sound ter, leads to a reduction in the component load. The improvement, however, lies in the coupling of the two coils; this balances the circuit with respect to the power split.

Die gegenständliche Erfindung benötigt nahezu die gleiche Anzahl und Sorte von Bauelemen-2o ten, es sind hier jedoch zwei Ausgangskondensatoren nötig, da auch zwei zueinander um Masse symmetrische Spannungen erzeugt werden sollen. Die Ausgangsstufe nach Fig. 2 und Patentanspruch 3 der gegenständlichen Anmeldung scheint nicht durch US 4 713 742 A vorweggenommen, da einerseits dort die Schaltung von einer anderen Grundidee herkommt und andererseits dort keine symmetrische Eingangsspannung vorliegt. Wesentlich ist, dass sowohl eine 25 positive wie eine negative Spannung am Eingang vorhanden ist. Es ist immer wieder erstaunlich, wie man aus wenigen Bauteilen wieder neue, sinnvolle Schaltungen generieren kann. DE 102 21 592 A1 (Fraunhofer Gesellschaft) beschreibt einen Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Spannung in einen Wechselstrom. Der wesentliche 30 Unterschied zur gegenständlichen Erfindung ist, dass die Eingangsspannung keine Gleichspannung sein muss, sondern beliebige Polarität haben kann. Ebenso ist eine Eingangswechselspannung möglich. Und das bei geringerem Schaltungsaufwand.The subject invention requires almost the same number and variety of components, but two output capacitors are needed since two voltages symmetrical to each other are to be generated. The output stage according to Fig. 2 and claim 3 of the subject application does not appear to be anticipated by US 4,713,742 A, since on the one hand there the circuit comes from another basic idea and on the other hand there is no symmetrical input voltage. It is essential that there is both a positive and a negative voltage at the input. It is always amazing how you can generate new, meaningful circuits from just a few components. DE 102 21 592 A1 (Fraunhofer Gesellschaft) describes an inverter and a method for converting an electrical voltage into an alternating current. The essential difference from the present invention is that the input voltage does not have to be a DC voltage, but can have any desired polarity. Likewise, an input AC voltage is possible. And with less circuit complexity.

Das besonders Interessante an der gegenständlichen Erfindung ist, dass mit zwei aktiven 35 Schaltern aus einer beliebig gepolten Spannung eine positive und eine in Bezug auf Masse negative Spannung erzeugt werden kann. Dies erleichtert die anschließende Wechselrichtung, da damit ein Mittelpunkt vorhanden ist. Ebenso können damit zwei Wechselnetze gekoppelt werden. Da die beiden Spulen von einander unabhängig sind, gibt es auch keine prinzipielle Begrenzung der übertragbaren Leistung, genügen daher in Summe nur 4 aktive Schalter, um 40 aus einer beliebig gepolten Eingangsspannung (oder einer Eingangswechselspannung) ein Einphasenwechselnetz zu erzeugen. Da die erste Stufe die Spannung an den Kondensatoren stellen kann, ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Ansteuerung vorhanden, der die Schaltverluste in der anschließenden Wechselrichterstufe vermindern kann, da die von der ersten Stufe generierte Spannung entsprechend der erforderlichen Netzspannung gestellt werden kann. 45 Daher erscheint die Kombination von an sich bekannten Wechselrichterstufen mit der in der gegenständlichen Erfindung dargestellten Umformerstufe einen zusätzlichen Kombinationseffekt zu bringen. Durch Vervielfachung der Wechselrichterstufen lässt sich prinzipiell ein Mehrphasennetz erzeugen. so Figur 1 zeigt das Grundkonzept des hier vorgeschlagenen Umformers zur Erzeugung von symmetrischen, unipolaren Ausgangsspannungen. Figur 2 zeigt die Erweiterung mit einem Wechselrichter. Es handelt sich dabei um eine Kombination von zwei Grundschaltungen nach Fig. 1 und bildet einen universalen einphasigen Spannungszwischenkreisumrichter mit durchverbundenem Bezugsleiter. Beide Spannungsrichtungen sind an beiden Seiten möglich. Es können 55 damit auch zwei Einphasennetze gekoppelt werden. Da die eigentliche UmformerschaltungThe most interesting feature of the subject invention is that with two active 35 switches from a polarity of any polarity positive and negative with respect to ground voltage can be generated. This facilitates the subsequent change of direction, as a center point is thus present. Likewise, it can be coupled with two removable networks. Since the two coils are independent of each other, there is also no fundamental limitation of the transmittable power, therefore only 4 active switches suffice to generate a single-phase alternating network from an arbitrarily polarized input voltage (or an input AC voltage). Since the first stage can provide the voltage to the capacitors, there is an additional degree of freedom in the drive which can reduce the switching losses in the subsequent inverter stage, since the voltage generated by the first stage can be set according to the required mains voltage. 45 Therefore, the combination of known inverter stages with the converter stage shown in the subject invention appears to bring an additional combination effect. By multiplying the inverter stages, a multi-phase network can be generated in principle. FIG. 1 shows the basic concept of the converter proposed here for generating symmetrical, unipolar output voltages. Figure 2 shows the extension with an inverter. It is a combination of two basic circuits of Fig. 1 and forms a universal single-phase voltage source inverter with interconnected reference conductor. Both voltage directions are possible on both sides. It can be coupled with 55 so two single-phase networks. Because the actual converter circuit

Claims (16)

3 AT 413 914 B symmetrisch ist, kommt es nur auf die Energieflussrichtung an, wo sich der Eingang bzw. der Ausgang befindet. Figur 3 zeigt eine Erweiterung zu einem n-phasigen Wechselrichter und Fig. 4 zeigt die Verwendung als Klasse D-Verstärker. In den Zeichnungen wurden MOSFETs zur Darstellung der aktiven Schalter (St,S2,S3,S4) gezeichnet. Die interne Diode (Bodydiode) 5 wird nur beim ersten Inbetriebsetzen benötigt; die Schalter (St,S2,S3,S4) enthalten daher implizit eine Diode und stellen daher strombidirektionale Schalter dar. Durch den Kondensator C,N wird sichergestellt, dass die Eingangsspannung U|N für die Schaltfrequenz eine niederimpedante Quelle darstellt. Als Speicherelemente für die Energietransfor-io mation dienen die Spulen La und Lb. Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung Ut, in den Zeichnungen auch U|N genannt, positiv ist, lädt sich bei Anschaltung derselben der Kondensator Ca über die im Schalter Si befindliche (Body)Diode positiv auf. Schaltet man dann den aktiven Schalter Si ein, so kann sich ein Strom in Richtung zum Eingang aufbauen, da der Kondensator auf höhere Spannung als der Eingang aufgeladen ist. Bei Abschalten von Si 15 kommutiert der Strom in die Diode Dt und lädt damit den Kondensator Cb auf. Eine exakte Steuerbarkeit der Spannungen an den beiden Kondensatoren Ca und Cb ergibt sich aber bei Belastung der Kondensatoren (und nur das ist sinnvoll) nicht, da die Spannung in Ca nicht bewusst gestellt werden kann. Dies wird erst durch den zweiten aktiven Schalter S2 und die Diode D2 ermöglicht. Durch Einschalten von S2 wird Energie aus Ut entnommen und in Lb gespeichert, 20 Ausschalten von S2 führt zu Nachladen von Ca über die Diode D2. Bei anderer Polarität der Eingangsspannung verläuft der Vorgang symmetrisch. Um die Spannungen an den Kondensatoren Ca und Cb getrennt und unabhängig voneinander stellen zu können, muss man den Strom in den Induktivitäten La und Lb im diskontinuierlichen 25 Mode halten. Dies vereinfacht beträchtliche die Steuerbarkeit der Spannung Udcl- Als Eingangsspannung kann man auch das Einphasennetz benutzen und so die Schaltung als Power Factor Corrector (PFC) nutzen. 30 Die Schaltung lässt sich auch leicht mit einem Wechselrichter zur Einspeisung in das Ein- oder Mehrphasennetz kombinieren. Figur 2 zeigt so eine Erweiterung, bestehend aus zwei asymetri-schen Halbbrücken, an deren Mittelpunkten jeweils über eine Induktivität (U. D die Last, z. B. das Einphasennetz, angeschlossen ist. 35 Es ist auch möglich, durch Benutzung von Entlastungsnetzwerken oder quasiresonantem Schalten die Verlustleistung zu reduzieren. Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kondensatoren zweckmäßig ist. 40 Patentansprüche: 1. Wandlerschaltung zur Umformung einer Eingangsspannung (U/N) in zwei symmetrische Spannungen mit Hilfe von zwei strombidirektionalen, aktiven Schaltern (S1tS2), zwei passi-45 ven Schaltern (Dt,D2), zwei Kondensatoren (Ca,Cb) und zwei Spulen (La,Lb) dadurch ge kennzeichnet, dass der aktive Pol (E) der Eingangsspannung (U,N) mit den beiden Spulen (La,Lb) verbunden ist, wobei das Wicklungsende der ersten Spule (La) mit der Kathode der ersten Diode (Dt), deren Anode sowohl mit der negativen Anschlussklemme der Ausgangsspannung (-UZK) als auch mit einem, gegen Masse geschalteten, ersten Kondensator so (Cb), und dem negativen Anschluss eines strombidirektionalen Schalters, an dessen ande rem Anschluss die positive Anschlussklemme der Ausgangsspannung (+UZK) und ein gegen Masse geschalteter zweiten Kondensator (Ca) angeschlossen ist, verbunden ist, und das Wicklungsende der zweiten Spule (Lb) mit dem positiven Anschluss des zweiten Schalters (S2), dessen negativer Anschluss mit der negativen Anschlussklemme der Ausgangs-55 Spannung (-UZK) verbunden ist und der Anode einer zweiten Diode (D2), an deren Kathode 4 AT 413914 B die positive Anschlussklemme der Ausgangsspannung (+Uzk) angeschlossen ist, verbunden ist.3 AT 413 914 B is symmetrical, it depends only on the direction of energy flow, where the input or the output is located. Figure 3 shows an extension to an n-phase inverter and Figure 4 shows the use as class D amplifier. In the drawings, MOSFETs have been drawn to represent the active switches (St, S2, S3, S4). The internal diode (body diode) 5 is required only at the first start-up; The switches (St, S2, S3, S4) therefore implicitly contain a diode and therefore represent current bidirectional switches. The capacitor C, N ensures that the input voltage U | N represents a low impedance source for the switching frequency. The coils La and Lb serve as storage elements for the energy transformation. Assuming that the input voltage Ut, also called U | N in the drawings, is positive when the latter is connected, the capacitor Ca is charged via the switch located in the switch Si (Body) diode positive. If one then switches on the active switch Si, then a current can build up in the direction of the input, since the capacitor is charged to a higher voltage than the input. When switching off Si 15, the current commutates in the diode Dt and thus charges the capacitor Cb. However, an exact controllability of the voltages at the two capacitors Ca and Cb does not occur when the capacitors are loaded (and that is only sensible) since the voltage in Ca can not be made clear. This is made possible only by the second active switch S2 and the diode D2. Turning on S2 removes energy from Ut and stores it in Lb. Turning off S2 results in Ca recharging via diode D2. If the polarity of the input voltage is different, the process is symmetrical. In order to be able to set the voltages on the capacitors Ca and Cb separately and independently of one another, one must keep the current in the inductors La and Lb in the discontinuous mode. This greatly simplifies the controllability of the voltage Udcl- As input voltage you can also use the single-phase network and so use the circuit as a Power Factor Corrector (PFC). 30 The circuit can also be easily combined with an inverter for feeding into the single or multi-phase network. Figure 2 thus shows an extension consisting of two asymmetrical half-bridges, at their midpoints each connected to the load, eg the single-phase network, via an inductance (U. The switching frequency is selected according to the application, whereby a higher frequency is appropriate with regard to the dimensioning of the reactors and capacitors. <br /> <br /> Claims 1. Converter circuit for converting an input voltage (U / N) into two symmetrical voltages by means of two current-bidirectional, active switches (S1tS2), two passive switches (Dt, D2), two capacitors (Ca, Cb) and two coils (La, Lb), characterized in that the active pole (E) the input voltage (U, N) is connected to the two coils (La, Lb), wherein the winding end of the first coil (La) to the cathode of the first diode (Dt), whose Anode with both the negative terminal of the output voltage (-UZK) and with one, connected to ground, the first capacitor so (Cb), and the negative terminal of a Strombidirektionalen switch, at the other rem connection the positive terminal of the output voltage (+ UZK) and a second capacitor connected to ground (Ca) is connected, and the winding end of the second coil (Lb) to the positive terminal of the second switch (S2) whose negative terminal to the negative terminal of the output 55 voltage (-. UZK) is connected and the anode of a second diode (D2), at the cathode 4 AT 413914 B, the positive terminal of the output voltage (+ Uzk) is connected. 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangs- 5 Spannung (L/,w) ein Kondensator (C,w) geschaltet ist.Second converter circuit according to claim 1, characterized in that parallel to the input 5 voltage (L /, w), a capacitor (C, w) is connected. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Klemme der Ausgangsspannung (+UZk) ein dritter aktiver Schalter (S3), an dessen anderem Anschluss die Kathode einer, mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung io (-UZK) verbundenen dritten Diode (D3) und eine dritte Induktivität (Lc) geschaltet ist, und ein vierter passiver Schalter (D4), an dessen Anode ein ebenfalls mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung (-UZk) verbundener vierter aktiver Schalter (S4) und eine vierte Induktivität (Ld) geschaltet ist, wobei die anderen Anschlussklemmen der dritten und vierten Induktivitäten (Lc,Ld) den Anschlusspunkt (A) für die Last bilden. 153. converter circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the positive terminal of the output voltage (+ UZk), a third active switch (S3), at the other terminal, the cathode one, with the negative terminal of the output voltage io (-UZK) connected third diode (D3) and a third inductance (Lc), and a fourth passive switch (D4), to the anode of which also connected to the negative terminal of the output voltage (-UZk) fourth active switch (S4) and a fourth inductance (Ld), wherein the other terminals of the third and fourth inductances (Lc, Ld) form the connection point (A) for the load. 15 4. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anschlusspunkt für die Last (A) und Last ein Filter geschaltet ist.4. converter circuit according to claim 3, characterized in that between the connection point for the load (A) and load a filter is connected. 5. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein 20 einphasiges Wechselnetz verwendet wird.5. converter circuit according to claim 3 and 4, characterized in that a 20 single-phase alternating network is used as a load. 6. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Lautsprecher verwendet wird.6. converter circuit according to claim 3 and 4, characterized in that a loudspeaker is used as a load. 7. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Aktuator verwendet wird.7. converter circuit according to claim 3 or 4, characterized in that an actuator is used as a load. 8. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen positiver Klemme (+UZk) und negativer Klemme (-UZk) der Ausgangsspannung eine, aus zwei 30 strombidirektionalen Schaltern (Su,Dw,S2a,D2a) bestehende Halbbrücke, geschaltet ist.8. converter circuit according to claim 1 or 2, characterized in that between positive terminal (+ UZk) and negative terminal (-UZk) of the output voltage, one of two 30 strombidirektionalen switches (Su, Dw, S2a, D2a) existing half-bridge is connected. 9. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen positi ver Klemme (+UZk) und negativer Klemme (-UZk) der Ausgangsspannung n, wobei n &gt; 1 gilt, in bekannter Weise aus je zwei strombidirektionalen Schaltern 35 ((Sn,01^521.021),...(51,,,0^:52,,,02,,)) bestehende Halbbrücken geschaltet sind.9. converter circuit according to claim 1 or 2, characterized in that between positi ver terminal (+ UZk) and negative terminal (-UZk) of the output voltage n, where n &gt; 1 applies, in a known manner from two each two bidirectional switches 35 ((Sn, 01 ^ 521.021), ... (51 ,,, 0 ^: 52 ,,, 02 ,,)) existing half-bridges are connected. 10. Wandlerschaltung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass am Mittelpunkt der Halbbrücke, bestehend aus (S1i,0ii:S2i,02i), ein Filter angeschlossen ist.10. converter circuit according to claim 8, characterized in that at the midpoint of the half-bridge, consisting of (S1i, 0ii: S2i, 02i), a filter is connected. 11. Wandlerschaltung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass an den Mittelpunkten der Halbbrücken, bestehend aus ((Sii,Dii;S2i,D2i),...(SimOin:S2n,D2„)), Filter angeschlossen sind.11. converter circuit according to claim 9, characterized in that at the midpoints of the half-bridges, consisting of ((Sii, Dii; S2i, D2i), ... (SimOin: S2n, D2 ")), filters are connected. 12. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die veränder- 45 baren Spannungen an den Ausgangsklemmen (Αι0Α&gt;0,.·Αο) als unabhängig veränderbare bipolare Spannungsquellen dienen.12. converter circuit according to claim 8 to 11, characterized in that the variable 45 baren voltages at the output terminals (Αι0Α> 0, ···) serve as independently variable bipolar voltage sources. 13. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass an den veränderbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (Ai0,Ao,·· A„) eine Mehrphasenmaschi- 50 ne mit der Phasenzahl n oder ein Mehrphasenaktuator geschaltet ist.13. converter circuit according to claim 8 to 11, characterized in that at the variable voltages at the output terminals (Ai0, Ao, ·· A ") a multi-phase machine 50 ne with the phase number n or a multi-phase actuator is connected. 14. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung eines mehrphasigen Inselnetzes verwendet wird.14. converter circuit according to claim 8 to 11, characterized in that it is used to produce a multi-phase island grid. 15. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ein- 5 AT 413 914 B speisung in ein ein- oder mehrphasiges Netz verwendet wird.15. converter circuit according to claim 6 to 11, characterized in that it is used to feed in a single- or multi-phase network. 16. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungsteil eines Klasse-D Verstärkers verwendet wird. 5 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5516. converter circuit according to claim 8, characterized in that it is used as a power section of a Class D amplifier. 5 For this 2 sheets of drawings 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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